毕业论文-焊接机器人控制系统设计

焊接机器人控制系统设计 I摘 要 工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有 编程功能的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置以执行各种任务。机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要技术手段，它在提升企业技术水平、稳定产品质量、提高生产效率、实现文明生产等方面具有重大作用。大工业革命曾使人沦落为机器的奴隶，而机器人的诞生和广泛推广应用又重新使人类恢复了尊严。目前机器人技术已成为世界各发达国家竞相发展的高技术，其发展水平已成为衡量一个国家技术发展程度的重要标志之一。 本设计论文主要研究了焊接机器人的控制系统 ，利用计算机对焊接机器人的动作进行控制。文章从焊接基本参数的选择，控制原理，焊接机器人控制系统的硬件搭接以及微机控制系统的硬件、软件设计等各个方面阐述了焊接机器人控制系统的原理、基本构成以及基本功能。 其中在焊接基本参数的选定中主要参考了手工 焊接中各个注意事项以及各项参数的选取。控制原理利用目前应用比较广泛的模糊PID控制。微机控制系统软硬件设计均以目前机器人应用最广泛的方式进行设计。 关键词：焊接，机器人技术，微机控制系统 焊接机器人控制系统设计 IIAbstract The industrial robot is an automated, position controlled, multi-function operation with the programming function machine, this manipulator has several axes, can operate to deal with a variety of programmable materials, parts, tools and special devices to perform various tasks. Robotics as a typical representative of advanced manufacturing technology and the main technical means, it is to upgrade the level of enterprise technology, stable product quality, improve production efficiency, the realization of civilization has an important role in production. Large industrial revolution had degenerated into the machine makes a slave to the birth of the robot and widely used again to restore the dignity of mankind. The current robot technology has become the world compete to the development of high technology, its development has become the measure of a countrys level of technological development is one important sign of the degree. This design thesis, the welding robot control system, using the computer on the welding robot motion control. Article from the choice of basic parameters of welding, control theory, hardware, welding robot control system overlap and the computer control system hardware and software design and other aspects of welding robot control system described the principles, basic structure and basic functions. In which the basic parameters of the selected welding the main reference manual welding the various considerations and the selection of the parameters. Comparison of control principle advantage of a wide range of fuzzy PID control. Computer control system hardware and software design are now the most widely used form robotic design. Keyword: Welding， Robotics， Controlsystem 焊接机器人控制系统设计 III目录 第一章 绪论 . 1 1.1 世界机器人的发展历程 . 1 1.2 工业机器人的发展现状 . 3 1.3 目前机器人控制系统设计的几种方式 . 11 第二章 电弧焊接操作基本参数的选择 . 15 2.1 对焊接缺陷的分析： . 15 2.2 焊接工艺参数及选择 . 16 第三章 焊接机器人控制系统总体研究 . 19 3.1 机器人控制器类型 . 19 3.1.1 串行处理结构 .19 3.1.2 并行处理结构 .20 3.2 系统控制方案 . 21 3.2.1 系统设计方案 .21 3.2.2 控制系统的基本要求及性能指标 .21 3.2.3 控制系统总体设计方案 .22 3.2.4 控制系统硬件设计.23 3.2.5 控制系统软件设计.24 3.2.6 伺服系统设计 .25 第四章 硬件设计 . 26 4.1 微型计算机系统的硬件结构 . 26 41.1 三总线结构及框图.26 4.1.2 微机主要组成部分的结构及功能 .27 4.2 单元及基板的构成 . 29 第五章 软件部分 . 33 5.1 焊接机器人的软件系统设计综述 . 33 5.1.1 开发环境 .33 5.1.2 软件设计方法 .33 5.2 CP示教再现技术 . 35 5.2.1 CP示教再现技术的控制机理 .35 焊接机器人控制系统设计 IV5.2.2 轨迹控制实现 .39 第六章 控制柜总体设计 . 42 6.1 柜体结构设计 . 42 6.2 内部安装设计 . 43 6.3 电源系统设计 . 45 6.4 散热系统设计 . 46 6.5 控制柜本体的规格 . 47 第七章 技术经济性分析报告 . 48 7.1 经济效益分析 . 48 7.2 市场前景分析 . 48 参 考 文 献 . 49 致谢 . 51 声 明 . 52 焊接机器人控制系统设计 1第一章 绪论 1.1 世界机器人的发展历程 机器人形象和机器人一词, 最早出现在科幻和文学作品中,1920年, 一名捷克作家发表了一部名叫罗萨姆的万能机器人的剧本, 剧中叙述了一个叫罗萨姆的公司把机器人作为人类生产的工业品推向市场, 让它充当劳动力代替人类劳动的故事, 引起了人们的广泛关注。后来, 这个故事就被当成了机器人的起源。但真正机器人的出现, 则是 1959 年。当时, 美国人英格伯格和德沃尔制造出了世界上第一台工业机器人, 标志着机器人正式诞生。当时, 英格伯格和德沃尔都供职于一家汽车公司, 他们认为, 汽车工业最适合于机器人干活, 这样不但可以代替工人的一些简单重复劳动, 而且更重要的是, 它们不要吃饭, 不知疲倦, 不要报酬, 始终任劳任怨。于是, 他们分工进行研制, 由英格伯格负责设计机器人的“ 手” 、“ 脚” 、 “ 身体” , 德沃尔设计“ 头脑” 、 “ 神经系统” 。这台机器人研制出来后, 只有手臂功能与人相似, 外形象一个坦克的炮塔, 基座上有一个大机械臂, 大臂上又伸出一个可以伸缩和转动的小机械臂, 能进行一些简单的操作, 代替人做一些诸如抓放零件的工作。与其说它是一台机器人, 不如说是一只断手臂。但它的诞生, 开创了机器人研究的新纪元。此后, 精明的英格伯格和德沃尔创办世界上第一家机器人制造工厂, 并生产出一批名叫“ 尤里梅特的工业机器人, 从而把科幻剧本的罗萨姆万能机器人公司从虚幻变成了现实, 他们因此获得“ 世界工业机器人之父” 的殊荣。1984 年, 当英格伯特离开从事了 20 多年研究的机器人公司时, 他说, 如有可能, 他还要改造他的“ 尤里梅特”机器人, 使它们能够擦地板、做饭, 走到门外去洗刷汽车和进行安全检查等。【1】 40年过去了，现在全世界已装备了90余万台工业机器人, 种类达数十种, 它们在许多领域得到了广泛的应用, 为人类的生产和生活服务。当代科学技术发展的特点之一, 就是机械技术和电子技术、信息技术的结合, 机器人就是这种结合的产物之一。现代机器人都是由机械发展而来, 它们是一种机器。与传统的机器的区别在于, 机器人有计算机控制系统, 因而有一定的智能, 人类可以编制动作程序, 使它们完成各种不同的活动。随着计算机技术和智能技术的发展, 极大地促进了机器人研究水平的提高。现在机器人已成为一个庞大的家族, 科学家们为了满足不同用途和不同环境下作业的需要, 把机器人设计成不同的结构和外形。么便让他们在焊接机器人控制系统设计 2特殊条件下出色地完成任务, 如果按照其应用领域对机器人进行分类, 可分为民用机器人和军用机器人。而民用机器人又分为工业机器人、服务机器人、娱乐机器人、类人机器人和农业机器人。1990年10月, 国际机器人工业人士在丹麦首都哥本哈根召开了一次工业机器人国际标准大会, 并在这次大会上通过了一个文件, 把工业机器人分为四类：（1） 顺序型。 这类机器人拥有规定的程序动作控制系统（2）沿轨迹作业型。这类机器人执行某种移动作业, 如焊接、喷漆等（3）远距作业型。比如在月球上自动工作的机器人（4）智能型。这类机器人具有感知、适应以及思维和人机通信机能。但是, 在现实生活中, 人们总是把做什么的机器人就叫做什么机器人。因此, 机器人种类和名称可谓五花八门, 数不胜数, 一派人丁兴旺的景象，它们成了人类最忠实可靠的朋友, 在生产建设和科研工作中发挥着越来越大的作用。如管道机器人专门进行管道清理工作, 并对管道内部进行检查和对焊缝补喷防腐漆等壁机器人专门为核电站与大型储气罐等装置中人们难以接近的地方进行检查, 它还可以帮人们擦拭外的玻璃等排险机器人可以去排除各种危险的爆炸物和去危险的地方作业排险，水下机器人可以代替潜水员下水甚至在潜水员难以到达的深海中进行观察和作业，插件机器人可以又快又好的完成在线路板上的插件任务,其差错率等于零。飞行机器人则可代替森林警察观察和监视火情等。【1】 随着现代科技的发展, 机器人技术已广泛应用于人类生活的各个领域, 但并没有真正象人一样的超人, 它们大都只具有人的某一个部位功能或某项动作功能。因此,研制具有人类外观特征、可以模拟人类行走与基本操作功能的类人型机器人, 一直是人类机器人研究的梦想之一。20 世纪 60 年代至今,这一梦想吸引了世界各国众多的科技工作者一一因为类人型机器人研究是一门综合性很强的学科,其本身包合着多项科技成果, 很大程度上代表着一个国家的高科技发展水平。因此, 一些发达国家不惜投入巨资进行研究开发。1997 年, 日本本田公司率先研制出第一台类人型步行机器人样机。2000年11月, 日本科学技术振兴事业团宣布, 已开发成功可模仿岁婴儿行走的机器人“ 皮诺” 。它全身有肠个关节, 脚心装有一个传感器, 可测量重心眼睛可分辨红、蓝、黄等颜色, 可自测距离能挥手, 并能珊珊行走。但因为“ 皮诺”是一个婴孩子形象, 所以它不是一个强壮无比的机器, 而是一个发育中的婴孩,不得不靠人的帮助才能活动。在我国较早进行机器人研究的国防科技大学, 在国家 863 计划和国家自然科学基金的支持下, 一直从事两足步行机器人、类人型机器人研究开发。他们在 1990 年成功研制出我国第一台两足步行机器焊接机器人控制系统设计 3人的基础上, 经过十年攻关, 于2000年11月又研制成了我国第一台类人型机器人一一“ 先行者” 。这台类人型机器人可以前进, 后退, 左、右侧行, 左、右转弯和前后摆动手臂, 并可快速自如的行走。实现了机器人技术的重大突破。 历史上, 一切高新技术无一不首先应用于军事领域, 机器人也不例外。早在第二次世界大战期间, 德国人就研制并首次使用了扫雷和反坦克用的遥控爆破机器人, 美国人则研制出遥控飞行机器人, 这些可以称得上是原始的机器人武器。随着计算机技术、大规模集成电路、人工智能、机器视觉、传感技术以及工业机器人的飞速发展, 军用机器人的研制也受到许多国家特别是发达国家的重视。现代意义上的军用机器人研制最早是从美国开始的, 1984 年 9 月, 美国国防高级研究计划局与陆军合作, 开始研制世界上第一台地面自主车辆,目的是要造出一辆能自主导航的车辆, 它可以在人不干预的情况下自己在道路上行驶甚至越野, 从而为研制真正的机器人战车打下了技术基础。1989 年地面自主车样车问世, 它利用路标识别技术导航,在较平坦的越野环境中, 可以 10 千米/时的速度自主行驶。凭着自身的经济和科技实力,美国军用机器人研究进展较快，现在已研制出地面机器人、水下机器人武器、无人机数十种军用机器人，有的已经开始装备部队并投入了实战使用。目前，美军有100多项战斗任务可由机器人冒险承担，如机器人弹药装填手、机器人排雷车、无人值守雷达等。美国波斯尼亚第一装甲师7台扫雷机器人，已成功爆了 1000 多枚地雷。美国国防部打算从 1999-2003 年对地面军用机器人的研制投入1.25亿美元的经费。【2】 1.2 工业机器人的发展现状 工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程功能的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置以执行各种任务。在日本，单轴机器人同样被列入工业机器人的范畴。 工业机器人的主要支撑技术：20世纪80年代以来，工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广和普及的过程中，下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用。（1）驱动方式的改变20世纪70年代后期，日本安川电动机公司研制开发出了第一台全电动的工业机器人，而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动的机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有焊接机器人控制系统设计 4很大提高，因此，也逐步代替了采用液压驱动的机器人，成为工业机器人驱动方式的主流。在此过程中，谐波减速器、R V减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。近年来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动方式在许多应用领域也有了长足发展。（2）信息处理速度的提高 机器人的动作通常是通过机器人各个关节的驱动电动机的运动而实现的。为了使机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需要进行大量计算，并在此基础上向机器人的各个关节的驱动电动机发出必要的控制指令。随着信息技术的不断发展，C P U的计算能力有了很大提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高性能机器人控制器甚至可以同时控制 20 多个关节。机器人控制器性能的提高也进一步促进了工业机器人本身性能的提高，并扩大了工业机器人的应用范围。近年来，随着信息技术和网络技术的发展，已经出现了多台机器人通过网络共享信息，并在此基础上进行协调控制的技术趋势。（3）传感器技术的发展 机器人技术发展初期，工业机器人只具备检测自身位置、角度和速度的内部传感器。近年来，随着信息处理技术和传感器技术的迅速发展，触觉、力觉、视觉等外部传感器已经在工业机器人中得到广泛应用。各种新型传感器的使用不但提高了工业机器人的智能程度，也进一步拓宽了工业机器人的应用范围。 工业机器人市场现状： （1）地域分布情况图1-1和表1-1分别给出了2004年全世界范围内工业机器人使用台数和分布情况。前者来源于日本经济状况统计专业公司“富士经济”公司，而后者则来源于国际机器人联合会（I F R）的统计数据。因为对工业机器人的定义不同，所以二者在数据上有所不同。但无论根据哪种统计数据都可以清楚地看出，日本的机器人保有量远远超过其他国家。这主要是因为，在人力费用和地价都很高的日本，必须通过大量采用工业机器人，才能够达到提高生产效率和国际竞争力的目的。正是因为这个原因，日本政府和企业都非常重视机器人技术的研究开发和推广应用，在工业机器人方面进行了很大投入。目前日本的工业机器人生产量占全世界工业机器人的 70%左右，国内工业机器人保有量约为 50%，而与工业机器人相关的专利则有90%以上掌握在日本企业手中。由此也可以看出，日本是名副其实的机器人大国。 1985至2004年期间全球范围内工业机器人保有台数的变化情况。从该表中可以看出，日本的工业机器人保有量一直远远超过其他国家，在1985至1995年期间焊接机器人控制系统设计 5有着非常快的增长速度；而相比之下，虽然欧美各国的工业机器人保有台数也一直保持上升趋势，但只是在最近 10 年左右才有了较大增长；而亚洲其他国家的工业机器人保有数量则在最近 10 年有了非常大的增长。此外，虽然日本的工业机器人保有使用台数在数量上一直保持绝对优势，但在1995至2000年期间基本上没有增长，而在2001至2004年期间甚至还有所下降。【2】图 1-1 全球范围内机器人使用台数 出现上述情况的主要原因是，日本在工业生产中采用机器人后，生产效率和产品质量都有了很大提高，进而引起了大量采用工业机器人的设备投资，工业机器人的技术水平迅速提高，保有台数也迅速增长。而在20世纪90年代初，日本进入了泡沫经济破裂后长达10年以上的所谓“平成不景气”阶段，设备投资被大量压缩，日本国内工业机器人的使用台数也受到影响。与此相反，看到日本在制造业中大量采用工业机器人所带来的成功后，欧美和亚洲经济比较发达的国家和地区开始在工业生产中积极采用工业机器人，所拥有的工业机器人的台数也有很大增长。但这里需要指出的是，即使在上述日本国内工业机器人保有台数有较大下降的“平成不景气”期间，日本企业生产的工业机器人在全球市场上的占有率仍然高达70%左右。 （2）工业机器人市场规模 图 2 给出了日本富士经济公司统计的全球工业机器人市场规模和 2002 年以来的市场变化情况和预测。从这些数据中可以看出，虽然近年来工业机器人本体的价格有了较大幅度的下降 ，但因为销售台数的迅速增加，其销售额在全球范围内都仍然保持快速增长趋势。 焊接机器人控制系统设计 6工业机器人主要应用及分布情况： 研制开发工业机器人初衷的是为了使工人能够从单调重复作业、危险环境和恶劣环境作业中解脱出来，但近年来，工厂和企业引进工业机器人的主要目的则更多地是为了提高生产效率和保证产品质量。因为机器人可以24h连续、高效、任劳任怨地工作，因此，可以更好地保证生产效率和产品质量。工业机器人的主要应用包括弧焊、点焊、喷涂、搬运、装配等。随着工业机器人技术的成熟和制造业对自动化生产的需要，工业机器人得到了越来越广泛的应用。【3】（1）按应用领域和类型分 图1-3和图1-6给出了国际上主要机器人生产厂家的产品在不同应用领域的市场份额占有情况。从图 3图 6 可以看出，虽然 A B B、K U K A 等欧洲企业在焊接和喷涂等领域具有一定优势，B r o o k s-P R I在半导体晶圆、液晶面板搬送机器人方面占有一定市场份额，但总体来看，日本企业在工业机器人的市场份 额方面占有绝对优势。 图 1-2 工业机器人市场变化情况 （2）按地域和应用领域分 图7和图9给出了按照地域和应用领域划分的2004年全球范围内工业机器人市场分布情况。 焊接机器人控制系统设计 7图 1-3 焊接喷漆机器人国际市场情况 图 1-3 组装搬运机器人国际市场分布 图 1-4 半导体晶圆、液晶面板搬送机器人国际市场分布 焊接机器人控制系统设计 8图 1-5 单轴机器人国际市场分布 图 1-6 美洲市场工业机器人销售情况（单位：台） 图 1-7 欧洲市场工业机器人销售情况 焊接机器人控制系统设计 9图 1-8 亚洲市场工业机器人销售情况 从图 1-7 图 1-9 可以看出，在欧美市场，弧焊、点焊、喷涂等与汽车工业密切相关的工业机器人的使用台数仍然占有很大份额。但另一方面，在全世界范围内，装配用直角坐标机器人、S C A R A型机器人、单轴机器人等面向装配和检测的工业机器人的应用有了很大增长，所占比例已经达到1/3左右。此外，随着信息技术的发展，在美国和亚洲，用于半导体晶圆和液晶面板搬送的工业机器人所占比例也越来越高。 未来的发展趋势： （1） 工业机器人的应用范围将进一步扩大 日本的机器人产业得到发展的主要原因是工业机器人在以汽车、电子、电动机等行业为代表的制造业中得到了广泛应用。目前日本的工业机器人产业已经相当成熟，现有行业中设备的更新换代在其市场中占有很大比例；然而，随着技术的进步和机器人价格的不断下降，工业机器人的应用也将逐步扩展到目前尚没有大规模采用工业机器人的其他行业。 因为成本方面的原因，美国和欧洲在工业机器人的推广应用方面一直远远落后于日本。但是，随着近年来工业机器人价格的不断下降和人力成本的不断上升，美国和欧洲也开始积极在制造业中采用工业机器人。 图 1-10 给出了 1990 至 2003 年美国制造业的人员工资与工业机器人价格之间的关系。从图中可以看出，在此期间，制造业工人的工资增加了大约60%，而在假定性能不变的情况下，工业机器人的价格则下降到了原来的60%左右。而在考虑了机器人性能提高的因素后，机器人的价格则实际上下降了大约80%。也就是说，从焊接机器人控制系统设计 1019902003 年的 13 年时间内，在制造业中引入工业机器人的优越性扩大了大约 8倍。这也是近年来欧美国家开始大量采用工业机器人的主要原因。同样，虽然由于人力成本相对较低，目前发展中国家采用工业机器人的积极性还不是很高，但随着人力成本的逐渐增加，熟练工人人数的逐渐减少和对产品质量要求的不断提高，许多发展中国家在不远的将来也会积极采用工业机器人。 图 1-9 美国工业机器人价格指数变化情况 （2） 企业将更加重视价格因素和系统集成能力 作为工业自动化的重要组成单元，工业机器人近年来在技术方面有了长足进步。为了满足用户的需求，工业机器人的功能不断得到丰富，性能和精度也不断得到提高，各主要工业机器人生产企业的产品在性能上的差别已经很小。因此，近年来许多用户在引进工业机器人时已经将开始更加重视机器人的价格和运营成本。 日本企业在技术和价格方面具有较大优势，其市场占有额也在顺利扩大。但与此同时，韩国、中国台湾的机器人生产企业也开始以低端产品为中心向日本企业发起了冲击。包括日本国内企业在内，在今后的一段时间内，激烈的价格竞争将不可避免。因为目前各个公司的工业机器人在功能和性能方面相差不大，而在实际生产过程中机器人通常是作为生产单元或自动化生产线的一个组成部分，因此，系统集成商在机器人的推广使用中起着非常重要的作用。为了能够更好地满足用户的需求，系统集成商都在积极采用措施，努力掌握核心技术或积极与掌握核心技术的企业联合，以求在竞争中能够取胜。而另一方面，机器人生产厂家自身也在积极开展系统集成方面的工作。【4】（3）若干种机器人市场将有较大的增长，预计在未来几年内，以下几种工业焊接机器人控制系统设计 11机器人将有较大幅度的增长：液晶、等离子面板搬送机器人 虽然2004年下半年液晶面板的投资有些下降，但从 2005 年下半年开始，液晶面板生产企业的设备投资开始恢复，并在 2006 年有所扩大。随着以韩国和中国台湾为中心的第七代液晶面板生产线不断上马，所需要的工业机器人也不断增加；而随着液晶面板尺寸的增加，所需要的机器人的负载能力也将逐步增加，从而带来机器人系统整体投资的提高。弧焊机器人主要用于汽车、摩托车生产过程中的车身、底盘、引擎、进排气系统等部分的焊接。2005 年日本汽车生产相关企业在全球范围内市场情况良好，日本工业机器人生产企业也取得了良好业绩。虽然不同国家和地区的汽车和摩托车生产会出现一定波动，但在全球范围内，与汽车和摩托车生产相关的设备投资将会保持上升趋势，因此，弧焊机器人的市场也会随着发展。与单轴机器人相比，直角坐标机器人可以用于装配、检测等目的，用途更加广泛。随着与全球范围内与汽车、液晶电视、手机等生产相关的设备投资的不断增加，对直角坐标机器人的需求也将有较大增加。 1.3 目前机器人控制系统设计的几种方式 1）、基于PC /104 与单片机的仿人机器人控制系统设计：为了简化仿人机器人控制系统结构,增强机器人系统的功能。采用PC/ 104 嵌入式系统作为仿人机器的主控计算机,完成图像处理,做出控制决策,计算并生成运动序列。关节控制器选用C8051F310 单片机,采用串口与主控计算机通信,接收来自主控计算机的运动序列指令,产生PWM 波,经过放大电路,实现21 路电机的控制。经过实验,得到图像采集分析结果和仿人机器人稳态步行。实验表明,这种控制系统能够实现仿人机器人的控制。2）、基于MCU和CPLD的智能移动机器人控制系统：针对移动机器人控制系统设计和开发要求的复杂性,从成本低、易开发、易调试和高集成性的角度出发,提出了一种基于微处理机控制单元(MCU)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)的智能移动机器人控制系统设计。给出了自动避障、电机驱动控制、红外遥控等关键功能的设计实现方法,着重对基于CPLD的超声波检测模块、红外编码模块、壁障模糊控制器的设计等进行了详细的论述。同时,还给出了系统主程序和超声测距子程序软件设计流程。实践结果表明,该移动机器人控制系统可使硬件结构大大简化,并具有功能丰焊接机器人控制系统设计 12富、集成度高、性价比高等特点。3）、基于DSP 的焊接机器人控制系统研究：为了实现焊接机器人对空间焊缝的自动实时跟踪和焊接参数的实时控制,设计了一种以DSP 为主控制器的焊缝实时跟踪和控制的交互式控制系统。DSP 作为系统的核心控制器产生控制信号,驱动步进电机动作,同时利用DSP 的数字通讯功能与PC 进行通讯,从而实现对焊缝的实时跟踪和控制。结果表明:该焊接机器人控制系统可以实现对空间焊缝的自动实时跟踪和焊接参数的实时控制,能够满足实际焊接工程的需要。4）、基于CAN总线的轮腿式机器人控制系统设计：根据轮腿式机器人的结构特性和控制系统性能要求,研究并设计机器人的整体控制系统,上位机实时监控系统以及多台无刷直流电动机节点控制器的硬件电路和软件程序。通过CAN总线将各个控制器节点组成局域网络并由总控制器通过串行接口实现与上位机的通信,构成了有效可靠的控制系统。5）、基于80C51 单片机的轮式移动机器人控制系统：利用80C51 单片机作为控制系统的控制器对轮式移动机器人控制系统进行设计,使其具有运动,人机交互,躲避障碍物的能力。6）、基于ARM 的象棋机器人控制系统的设计：象棋机器人首先需要利用CCD 摄像头获得棋盘及棋盘上各个棋子位置的图像信息，然后对得到的图像进行处理得到各棋子的坐标信息，主处理器提取各棋子的坐标信息调用棋步产生程序产生合理的棋步， 具体为所要移动棋子的坐标及该棋子移动到的目的坐标信息，下级从处理器得到这些棋子的坐标信息调用控制算法对机器人手臂进行运动规划控制机械臂完成棋子的移动动作。整个过程类似生物神经系统反射的产生过程：感受器传入神经神经中枢传出神经效应器。依据模块化思想，整个系统可以分为三大功能模块：象棋机器人ARM 控制模块、图像处理模块、机械臂运动控制模块。其中ARM 控制模块相当于人的大脑， 它作为神经中枢负责对系统进行总体控制；图像处理模块相当于感受器，通过CCD 获得图像信息并进行处理，然后将处理的结果传递给ARM 控制模块；运动控制模块相当于效应器，接到ARM 控制器的运动命令后，响应命令控制机械作相应的运动。 针对机器人控制系统设计和开发要求的复杂性,笔者从成本低、易开发、易调试和高集成性的角度出发,提出一种基于MCU和CPLD设计智能移动机器人。 （1）移动机器人的车体结构 焊接机器人控制系统设计 13考虑到移动机器人灵活性和稳定性,本研究采用 4 轮圆底盘结构,驱动轮处于车身左右两侧,前后两个万向轮作为从动轮,主要起支撑作用,能实现转弯半径的最小化,即原地转圈。每个驱动轮由一微型步进电机驱动。 根据移动机器人功能,可以把整个系统分成3个功能层:控制及显示层、传感测量层和电机驱动层。机器人车体结构总体方案设计。 （2）控制系统及关键技术设计 本设计选用的C8051F340单片机,其具有64 KB的FLASH 和256 B 的片内RAM 和 4 KB 的片外 RAM,有 40 个 I/O 口,内部 48 MHz 的系统频率,速度可达 48M IPS,内部的数字交叉开关功能可以灵活配置引脚位置,设计方 便和灵活;其内部具有 4 个定时器,可方便的实现电机的 PWM 控制功能及软件定时;另外利用其外部存储器接口EM IF功能, 48 引脚的TQF封装,体积小巧。 控制系统硬件结构如图2所示, C8051F340作为控制器, CPLD作为外部扩展芯片。通过设定寄存器 EM I0CF = 0x1F,以非复用的方式(数据/地址引脚分开)对EPM240 进行访问。外部红外线的接收、液晶显示及超声波传感器的测量以及电机控制都连接在 CPLD 上,不同的功能模块具有不同的外部地址,当对相应模块进行操作时,都先发送模块的功能地址,再通过 8 位并口总线发送读/写指令,这种设计不仅易于外部扩展,而且操作方便,充分利用了CPLD的资源。 另外,电机驱动部分采用开环的位置控 制方式及插补算法来控制两个驱动电机。传感器测量模块利用超声波传感器采集障碍物信息,并设计模糊控制器实现避障功能。 为了实现对机器人的灵活控制,本研究采用红外遥控的方式来控制机器人的运动状态,并能通过液晶屏实时显示当前的运动状态。【5】基于模糊控制器的避障功能设计，超声波测距模块设计：对于移动机器人的设计,避障是一个不可缺少的功能,主要是利用超声波检测障碍物的位置,这里选用的压电式超声波传感器采用回波探测法测量机器人与障碍物的距离 。使用超声波测距还需要考虑到环境和测量”盲区”的存在。具体处理是: 外界环境对声波传输速度的影响。由于超声波是通过空气介质传播的,且声波在空气中的传播速度主要与环境温度有关, t摄氏度时声波的传播速度为: v = v0 (1 + t /273)。其中: v0 = 331. 45 m / s 为 0 时的声波传播速度;t 为环境摄氏温度。环境温度对测量精度的影响视测距要求决定, 在精确测量的情况下, 可以采用美国 DALLAS 公司的集焊接机器人控制系统设计 14成数字测温传感器 DA18B20 实现环境温度的高精度测量, 进而实现精确的测距补偿。该传感器仅仅占用控制器一条 I/O 线,根据实际要求,通过简单的编程,便能够直接读出被测温度值,其硬件简单、使用方便。一般避障要求不高的场合下,便可把声速看做常量,不考虑温度补偿。超声波测量“盲区”存在：超声波测量盲区是由于传感器接收探头接收到目标物体的反射回波。本研究中,应尽量避免检测到余波信号,并判断当前波信号是否是传感器串扰等因素引起。本设计对于障碍物的距离测量所需的控制信号和软件计时都是在CPLD中实现。 焊接机器人控制系统设计 15第二章 电弧焊接操作基本参数 的选择 2.1 对焊接缺陷的分析： 在焊接过程中, 焊缝产生的不符合设计或工艺文件要求的缺陷, 叫焊接缺陷。严重的焊接缺陷将直接影响产品结构和安全使用。由于焊接工艺自身的特点, 要在焊缝中避免一切缺陷, 实际上是不可能的。经常出现的焊接缺陷主要有焊缝表面尺寸不符合要求、夹渣、气孔、未焊透、未熔合、凹坑和烧穿等。 （1） 焊缝表面尺寸不符合要求 焊接外表形状高低不平、焊波宽窄不一、余高过大或过小均属焊缝表面尺寸不符合要求。产生的原因主要是学生焊接技术不熟练, 焊条送进和移动速度不均匀; 运条手法不正确; 焊条与焊件夹角过大或过小; 焊接时手的抖动等。 （2） 夹渣 焊后残留在焊缝中的熔渣称为夹渣。产生夹渣的原因是: 在焊接过程中没有清渣或清渣不干净; 焊条的摆动角度过宽, 使液态熔渣在焊道边缘处凝固; 焊条的前进速度不均匀; 焊条直径太粗, 焊接电流太小, 使熔渣和铁水分辨不清。 （3） 咬边 由于焊接参数选择不当或操作工艺不正确而在沿焊缝的母材部位生成的沟槽或凹陷称为咬边。咬边通常是由于焊接电流太大、弧长过长和焊条摆动速度过快而引起的。 （4） 未焊透 焊接时, 接头根部未完全熔透的现象称为未焊透。形成未焊透的原因是焊接速度太快, 焊接电流过小, 弧长过长等。 产生上述缺陷的主要原因是对焊接参数选择不当引起的。焊接实习的基本要求是熟练掌握焊接技术, 能分析焊接缺陷产生的原因并初步具备防止焊接缺陷的能力。怎样在短时间内提高的焊接技术水平, 这是我们亟待解决的问题。除在焊接实习中要发扬不怕苦、不怕累的精神, 苦练基本功, 更重要的是要加深对焊接诸参数的理解和掌握焊接参数选择的方法。焊条电弧焊是熔焊的基础, 理解和掌握焊条电弧焊参数的选择。【6】焊接机器人控制系统设计 162.2 焊接工艺参数及选择 手工电弧焊的工艺参数通常包括焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、电弧长度和熔池温度等内容。 （1）焊条直接的选择 手工电弧焊时, 对于低碳钢采用平敷焊时, 焊条直径取决于焊件厚度, 一般的选用原则是焊件越厚, 选择的焊条直径越粗。直径过小容易造成焊条药皮发红脱落、焊道狭窄等缺陷; 直径过大会造成未焊透、焊道堆积过高、成形不良等缺陷。选择时可参考表2-1。但在实际应用时还应综合考虑其他因素。【6】表 2-1 焊条直径与焊件厚度的关系 单位：毫米 焊件厚度 2 3 46 812 13 焊条直径 1.52 23.2 3.24 3.24 45 （2）焊接电流的选择： 焊接电流是焊条电弧焊的主要工艺参数, 它直接影响焊接质量。总的原则是在保证焊接质量的前提下, 尽量选用较大的焊接电流以提高生产率。但是焊接电流过大, 焊条后部发红, 药皮失效或崩落,保护效果变差, 造成气孔和飞溅, 焊接时出现咬边,烧穿等缺陷, 从而影响焊接接头的质量。焊接电流过小, 则电弧不稳, 易造成未焊透、未熔合等缺陷。确定焊条电弧焊焊接电流大小要依据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、接头形式等因素。其中最主要的是焊条直径和焊接位置。在实习教学过程中主要教授一种最常用且易掌握的确定焊接电流的方法: 经验公式法。一般碳钢可根据焊条直径按下式来确定焊接电流: I=K*D (2-1) 式中：I表示焊接电流（A） d焊条直径（mm） k经验系数，可按表2-2确定 表 2-2 经验系数选择 焊件直径 1.6 22.5 3.2 46 k 2025 2530 3040 4050 焊接机器人控制系统设计 17根据上面经验公式计算出的焊接电流, 只是大 概的参考数值, 在实际应用中还应根据具体情况灵活掌握。焊接电流的选择显得有些抽象, 不能直观把握。在实际教学中, 常常讲授一些判断电流大小的经验, 以领会电流大小的选择。比如“听电弧响声判断电流大小法”: 电流大时,发出流水一般的“哗哗”的响声; 电流小时, 发出“丝丝”的响声, 且易断弧; 电流适中时, 发出“沙沙“的声响。 “看熔池形状判断电流大小法”: 电流大时, 焊波高, 焊