光学式跟踪系统.doc

石油管道焊接成形光学式跟踪系统的设计石油管道焊接成形光学式跟踪系统的设计1 前言第 2 页 共 33 页1.1 研究指导思想在金属制造业中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业。在工业发达国家，每年钢铁产量的 40%以上要通过焊接才能转化为最终的产品。自现代焊接技术问世以来，焊接生产的机械化、自动化和机器人化一直在不断发展之中。据统计，日本在 1975年共有焊接工人 460,930 名，而 1985 年减少为 335,600 名，1990年则为 210,800 名，大约每 10 年减少 2737%的焊接工人数1。而日本工业机器人协会的统计表明，至 1990 年，在日本生产和销售的弧焊机器人已达到 9,563 台，点焊机器人为 5,378 台。对焊接材料用量的统计也显示，过去大约每 10 年手工药皮焊条的用量减少一半，而实心焊丝和药芯焊丝的用量则显著增加了。这些数据表明，在过去的二十多年中，焊接工作不断地由手工操作转为自动、半自动焊接乃至机器人焊接。手工焊接的场合依靠人的眼睛和手的配合来跟踪焊缝，而在自动焊接的场合则需要解决焊接熔池（或电弧）始终对准待焊焊缝的问题。由此可见，随着现代焊接生产的自动化程度越来越高以及机器人焊接技术的发展，对焊缝自动跟踪技术的需求也越来越迫切，这主要表现在三个方面：1.1.1、提高焊接质量由于待焊工件存在下料加工及装配的误差，焊接热过程引起的变形事先也难以预料，因此给定轨迹的目标控制（或程序控制）方式己无能为力，具有焊缝自动跟踪能力的自适应系统自然成为首选目标。在机器人焊接领域，国内外使用的弧焊机器人大多数仍是第一代示教再现式机器人，虽然这种机器人能够完成大量的重复性的工作，具有简单、直观、易于操作和重复定位精度高等优点，但当变更工件的种类时，必须更换工装，这在小批量、多品种的生产中必然会造成成本过高的问题。而且，由于焊接是一种热加工工艺过程，一些尺寸较大、刚性较差（如薄板）的工件在焊接过程中很可能会产生热变形，或者由于大型焊件的焊缝开口一致性不好，可能会导致实际的焊道偏离了预先示教的轨迹，此时，示教再现法就难以保证焊接质量。因此，虽然示教反馈式的传统型机器人己经有所应用，但是在精度要求更高和产品经常变化的场合是不合适的。因此需要研究开发能灵活移动，具有一定智能的焊接机械，以适应不同结构、不同的地点的焊接任务1。所以有必要加入自动跟踪装置以增强它们的适应性，发展配带传感器、智能化更加灵活的制造系统的需求非常迫切。1.1.2、改善焊接工人工作条件由于焊接过程产生强烈的热、烟尘和弧光，导致现场工作环境非常恶劣，对工人的体能消耗很大，而且焊接现场的空气污染、电磁污染和强烈的弧光辐射会对工人的健康造成危害。采用自动化、机器人化的焊接系统是将人从手工焊接的恶劣环境中解放出来的根本途径。在发达国家，手工焊接仍占 40%左右，而在我国则高达 60%以上。未来这一部分由手工操作的焊接工作将由自动化焊接装置来完成。由此可见，自动焊接装置和工业机器人在焊接领域的应用有着非常广阔的前景，进而催生了对焊缝自动跟踪系统的需求。1.1.3、提高生产率手工焊接的效率很低。据统计，工人实际焊接的时间不足其工作时间的 30%4，而且手工焊接质量受操作者人为因素的影响很大，不能维持产品质量的稳定。毫无疑问，自动焊接系统的生产效率远远高于手工焊接，而采用焊缝自动跟踪系统的自动焊接系统又可大大提高焊接生产效率。这是因为与示教型和程序控制焊接系统相比，它省去了繁重的示教工作或事先的编程工作，也降低了对工件加工精度和装配精度的要求，从而降低了焊接准备时间，提高了整个系统的生产效率。特别是对于曲线焊缝，示教型焊接机器人为了保证示教轨迹的精度，示教的点数要求较多，为此需要较长时间的示教操作，这是一件很繁琐的工作，对于小批量生产更为不利1.2 国内外研究的动态1.2.1 焊缝传感技术焊接生产时自动焊接装置或机器人焊接系统对焊缝的自动、实时跟踪已成为自动化焊接和智能化焊接的重要内容。图 1-1 是日本焊接协会分别于 1981 年和 1990 年进行的有关焊接传感器用途的调查统计，这些统计结果从一个侧面反映了焊缝跟踪在焊接生产过程中占有非常重要的地位。图1-1 焊接传感器用途的调查统计焊缝自动跟踪系统研究中首要解决的问题是焊缝位置的实时传感，而这种位置信息的获得很大程度上取决于传感方式。因此，传感器是决定整个系统跟踪精度的首要因素。最近十年来，焊缝跟踪技术的研究、应用得到了飞速的发展，尤其是焊缝传感技术己从简单的机械接触、电磁感应转变为信息量更大、精确度更高的电弧传感、光电（视觉）传感等方式，同时计算机信息处理也成为必不可少的辅助手段。焊缝跟踪的传感器的分类如图 1-2 所示。按其作原理通常可分为接触式和非接触式。具体来说，常用的焊缝跟踪传感器有机械（电子）式、电弧传感式、超声波、电磁式和光电（视觉）式等多种。第 2 页 共 34 页图1-2 焊缝跟踪的传感器的分类电弧传感器是直接利用焊接电弧的电流、电压信号来检测坡口位置，不需要附加传感装置，因此又称为直接式传感器；而其他的传感方式均需要外加的传感器件，称为间接式传感器。在各种传感方式中，机械（电子）式使用不够灵活，适应面窄。而电弧和光电传感器各具特色，国内外研究较多。随着传感器和信号处理技术的进步，多传感器信息融合将会与弧焊机器人技术相结合，在焊缝自动跟踪中得到广泛的应用。由图1-3可见电弧传感器和光电传感器已发展成为焊缝跟踪传感器的主流。而从最近几年国内外公开发表的论文来看，光电传感器的研究更为活跃图1-3 传感器应用情况调查1.2.1.1 机械（探针）接触式传感器机械接触式传感器的结构如图1-4所示。焊缝跟踪的工作原理是将一根金属针放置在焊接熔池的前沿，探针沿焊缝移动，将焊缝位置信号传递给控制系统，控制系统根据探针的信号对焊枪移动轨迹进行修正。探针式焊缝跟踪的特点是结构简单、操作方便、抗弧光、电磁和烟尘干扰的能力强。 图1-4 机械接触式传感器的结构另外，由于跟踪信号是在靠近熔池的地方获得，省去了有些跟踪方法中另外，由于跟踪信号是在靠近熔池的地方获得，省去了有些跟踪方法中的延时控制，简化了设备，提高了跟踪精度。机械探针式传感器一般用于长、直焊缝的单层焊及角焊缝。目前，在航天运载器推进系统焊接中使用的这种探针式焊缝跟踪装置的跟踪精度为 0.15mm。但是探针式传感器对于结合比较紧密的焊缝接头，效果不佳，因为此时探针没有地方依靠。此外，这种传感器还存在的问题是：对不同形式的坡口需要不同形状的探头；对坡口的加工要求高，跟踪表面的任何损伤和粗糙不平都会影响跟踪的稳定性；探头磨损大、易变形；不适于高速焊接等1.2.1.2 电磁传感器一次线圈中流过高频电流后在二次线圈上产生感应电势。偏差的存在将使左右两个二次线圈的磁路出现不对称，U21、U22之差可以反映焊炬偏离焊缝的大小和方向。为了抑制错边、点固点引起的干扰信号，可采用漏磁抑制式、电势抑制式和扫描式电磁传感器。电磁式传感适用于对接、错接和角焊缝。其体积较大，使用灵活性差，且对于磁场干扰和工件装配精度比较敏感、一般应用于对精度要求不高的场合1.2.1.3 电极接触式传感器这种传感器检测焊丝与母材（或工件）接触时电压和微电流（ 10mA 或更小）的变化，从而决定接触点的坐标。它也叫做焊丝接触式传感器、或接触式传感器。为了保证接触，一般使用 300600V 的电压，频率为50 或 60Hz。因为这种传感器不能在焊接过程中使用，所以它一般用来检测焊接的起始位置。在许多场合，它与电弧传感器相配合使用。1.2.1.4 电弧传感器第 4 页 共 34 页电弧传感器是一种非（半）接触式传感器。与其他传感器相比，电弧传感器不需要在焊炬上附加另外传感器元件，而且结构简单，有更好的动态品质及更高的控制精度。通常情况下，电弧的稳定性及熔滴过渡情况对电弧的参数影响非常大。电弧传感主要有摆动式电弧传感和旋转式电弧传感两种。电弧传感从电弧的电流与电压变化中获得焊缝横向与高低偏差信息。当焊炬至工件距离发生变化时，电弧电流会相应变化，以保持原来的熔化率。因此，电弧电流的变化就反映焊炬高度的变化，通过电弧扫描坡口，从电流波形特性中可获得横向对中信息。电弧传感焊缝跟踪的基本原理是：在焊接过程中，根据电弧在焊缝中进行摆动或旋转扫描时由于焊炬与工件表面距离发生变化而使电弧本身的参数（如电流、电压等）产生变化来确定电弧与焊缝之间的关系，从而进行焊缝跟踪的。摆动式电弧焊缝传感的工作原理如图 1-5 所示。恒速送丝配合恒压特性的焊接电源，在电弧自身调节的作用下，弧长的变化引起焊接电流变化可检测出电弧与焊缝中心偏离程度。但事实上，不同尺寸的坡口、焊接规范的差别、与焊缝成形有关的电弧摆动幅度及频率等条件变化，导致电流信号的灵敏度相差甚远，需要在信号增益上的自动适应；焊接过程中的电弧会受到各种干扰，如短路、飞溅等，送丝速度与电源特性也难以保证每时每刻的理想恒定，这些原因造成的噪声也必须滤除；机械摆动位置与电弧长度变化之间的延迟、电弧运动中弧长自调节作用的电流响应速度等引起的信号相位差要计算考虑。图1-5 摆动电弧的工作原理 图1-6 旋转电弧传感器的工作原理1.2.1.5 光电传感器光电传感器跟踪精度高，动态响应快，信息丰富，是目前研究得最多的传感器之一。传感器包括信号光源和接收器两部分，结构形式种类繁多。所用信号光源有白炽灯、激光、红外光等；按接收器件的特征可分为单点式光电传感器和图像传感器两大类。前者以单个或几个分支光电器件为接收元件，后者以集成光电器件(如 CCD、PSD 等)为接收元件。1.2.1.6超声波传感器许多研究者使用超声波传感器对焊缝跟踪进行了研究2。超声波传感焊缝跟踪实际上利用了超声波测距的原理。将超声波传感器置于焊炬前方，用一套扫描装置使传感器在焊道上方左右扫描。超声传感器发射超声波，遇到焊件金属表面时，超声波信号被反射回来，并由超声传感器接收，通过计算传感器发射到接收的声程时间，可以得到传感器与焊件之间的垂直距离，再与给定的垂直高度相比较，可得到高度方向的偏差大小与方向。控制系统则根据检测到的偏差大小及方向在高度方向进行纠偏调整。为了要获得焊缝横向位置偏差信息，可以采用寻找坡口的两个边缘的方法，因为在坡口的边缘处，超声波从发射到接收的声程时间较短，而在坡口中心处声程时间较长，从而可分别确定坡口中心与边缘的位置，控制系统可据此进行横向的纠偏调整。与光电传感器相比，超声波传感器计算强度较小，但是跟踪的精度也较低综上所述，电弧传感器和光电传感器已成为焊缝跟踪传感器发展的主流，而光电传感器最近得到了更多的重视，已成为焊缝自动跟踪传感器发展的重要方向。1.3 本研究的内容和意义第 6 页 共 34 页从国内外的研究可以看出：（1）焊接自动化与机器人焊接是焊接领域的发展方向；（2）在焊接自动控制领域最迫切需要解决的课题是自动跟踪，在今后一段时期内仍将是国际上研究与开发的热点之一；（3）光电传感器与电弧传感器是焊缝自动跟踪传感器的两大重要研究方向，智能控制是焊缝自动跟踪控制技术的突破口；（4）如何使系统满足低成本、高性能、稳定可靠的要求是当今焊缝自动跟踪研究的重要课题；我认为，光电传感器由于其特点，是焊缝自动跟踪系统中比较理想的传感器模式，尤其是采用点光源扫描，不失为一种既满足跟踪精度又简单可靠的有效方法。因此，一种光电传感器式焊缝自动跟踪系统，其内容应包括：（1）光电传感器。研制一种光电传感器，通过检测人工辅助线，根据其偏差情况输出焊缝偏差信号。（2）系统控制技术。根据光电传感器式焊缝自动跟踪系统的特点并结合工厂实际应用情况，提出并实施控制方案。（3）单片机系统。根据光电传感器式焊缝自动跟踪系统的要求，设计一套单片机系统，包括：研制硬件、编写软件，确定各参数。（4）在以上设计的基础上完成系统的联调，实现跟踪。为此，我们主要解决了以下技术难点：（1）采用信号加权比较的处理方法使传感器在材料种类和表面状态不同时也能可靠地判断焊缝偏差。（2）提出了一种传感器旋转摆动的模型并采用模糊控制理论实现了传感器前置情况下的焊缝跟踪。（3）采用定义状态数据存储空间大小的方法可以简单、有效地实现跟踪动作的延时，大大简化了程序软件，提高了系统的跟踪精度。这样，该系统具有稳定可靠，成本低，性价比高的优点，容易实现产业化，对提高我国焊接自动化水平大有好处。2 系统的主要部件布置第 8 页 共 34 页系统的主要部件布置图2-1 系统组成示意图1 单片机2 横向调节步进电机控制器3 小车驱动直流电动机控制4 工件 5 小车6 坡口检测系统 7 步进电动机8 数据采集 9 数据存储如图2-1所示，在解决焊枪左右摆动调整的问题中，单片机根据传感器输入的信息判断出焊缝的实际位置，如果焊枪偏移焊缝，单片机然就出指令驱动步进电动机往相应的方向转动一定的步数，驱使焊接小车在相同的方向上转动一定的角度，从而使焊枪能够对准焊缝的中心，保证了焊缝的焊接质量。因次步进电动机的相关设计是本设计的重点。焊接小车由一个直流电动机驱动，其转速可由单片机控制，在小车上有测速的码盘（在本设计中不做重点），由其测出小车前进速度。单片机和预定速度进行比较，然后做出相应的控制。焊枪在垂直方向上通过调节带手柄丝杠来调节高度，也可以选用步进电机做自动控制但这对工作环境的要求来说不是很重要，所以省略为用手柄调节。 在传感器选用上，由于石油管道有周向和沿长度方向两种工作环境，在周向上，采用CCD线阵传感器如下节图3-2所示原理，其精确度高，抗干扰性好，在目前国内应用还较少，但其有工作条件的限制，其线光源照射到的工件面上的光线须为直线，否则，须进行光学处理，比较复杂。在沿长度方向上，我们采用传统的传感器，如下节图3-1所示在沿焊缝方向画一白色直线，用三个光敏三极管来检测其是否偏离，这种方法应用的较广，实际中的跟踪效果也较好。在单片机的选用上，本设计采用8098，在目前普通8098单片机价格已经不算很贵了，相对整个跟踪系统来说，选用8098成本不是很高。8098单片机拥有许多51系列不具有的优点。在跟踪机械本体上，本设计采用带有磁轮的焊接小车，由于不同管道直径可能不同所以在应用上要注意根据管道直径来确定小车底盘的高低。小车驱动由直流电动机来执行，电动机可以通过驱动小车车轮轴来驱动小车（在本设计中这里不是重点，所以没有涉及到）。3 光电传感器选用及原理3.1 光电传感器分类及简介光电传感器跟踪精度高，动态响应快，信息丰富，是目前研究得最多的传感器之一。传感器包括信号光源和接收器两部分，结构形式种类繁多。所用信号光源有白炽灯、激光、红外光等；按接收器件的特征可分为单点式光电传感器和图像传感器两大类。前者以单个或几个分支光电器件为接收元件，后者以集成光电器件(如 CCD、PSD 等)为接收元件。下面是其中的几种形式。3.1.1 单点式光电传感器第 9 页 共 34 页光电传感器选用及原理这类传感器以人工辅助线塑料胶带，白漆线等、坡口面或坡口棱边作为跟踪基准。图所示是以人工辅助线为跟踪基准的单点式光电传感器工作原理，图3-1 本设计中传感器工作原理焊前在焊接线一侧用白漆画一条宽 14mm 的平行线，以灯泡作为光源，它经透镜照射在白线上形成一个长方形光斑，反射光经凸、凹透镜在光电元件屏上成像，图 3-1 跟踪辅助线的光电传感器其中白线的像最亮(图3-1 中 b、c、d 的阴影线部分)。当传感器对中白线时，阴影部分处于元件屏两光电管，两管受光面积相等，输出信号也相等；如传感器不对中，白线偏离光斑中心，则两管输出信号不等(图3-1 c 和 d)，据此可获得跟踪信号在 2003 年的上海埃森焊接博览会上，北京石油化工学院装备技术研究所推出了这类传感器式的焊接机器人。但是这类传感器需预画的辅助线形状要求与焊缝形状完全一致，其跟踪精度受辅助线的影响，大大增加了焊接前的准备工作量。单点式光电传感器还有许多其它形式，其结构和控制电路都比较简单，成本低，容易产业化。3.1.2 集成电路图像传感器图像传感器以维或二维的集成光电阵列作为接收器，如CCD 图像传感器一般都包含有 256(线阵)或 256256(面阵)个以上的象素，可以获得坡口及其附近区域的图像信息，以微机进行处理和控制，所以信息丰富，分辨率高，功能可以大大提高。然而，CCD 图像传感器的灵放度和可靠性还和辅助光源的状况有密切关系。为了在 CCD 器件上获得清晰的坡口图像，要求辅助光以较大的强度投射到所要检测的部位，工件表面的光照度越强，图像的信噪比较高，跟踪系统越可靠。现有的图像传感器所用的光源以三种形式投射到工件表面：圆形、线形、点光源扫描。线阵 CCD 图像传感器，白炽灯光通过光导纤维投射在工件上形成线形光条，其反射光成像于上方的 CCD 器件上，由于是线阵 CCD(包合 256 个光敏单元)，仅获得光斑中与焊缝垂直的一条线的信号，与工件表面对应的光敏单元信号强，与缝隙对应的光敏单元信号弱，用微机处理这 256 个信号，即可求出焊线中心线的位置，用于自动跟踪如图3-2。图3-2 光切割线阵 CCD面阵 CCD 传感器，线状光源以一定角度投射到工件表面，其与工件的交线反映出坡口的轮廓，由面阵 CCD 摄像机摄取达轮廓线（二维图像），并经图像处理即可求出坡口根部的位置。与线阵 CCD 图像传感器，不仅信息量大，而且容易达到较高的光照度，具有更高的信噪比。但另方面，由于面阵 CCD 信息量大处理时间和设备造价都相应要增加。HeNe 激光束经聚焦透镜、反射镜发射镜投射到工件上，反射光再经另一反射镜(接收镜)、物镜，在线阵 CCD 上成像，如工件表面反射点高度发生变化，CCD 上成像点位置亦随之变化振动电机带动两反射镜来回摆动时，激光束即横过坡口扫描，依次检测出线阵 CCD 上成像点位置的变化，即可获得坡口轮廓的图像。由于采取点光源，所以在上述三种 CCD 传感器中、它可能达到的光照度最强，因而信噪比最高，信号处理也较快。缺点是结构复杂价格昂贵。第 11 页 共 34 页除了上述间接式光电传感器外，还有一种电弧直接视觉传感器；它不用辅助光源，而是用面阵 CCD 摄像机直接摄取电弧焊接区的图像，用图像处理方法识别焊丝的对中情况。这种方法目前还处于研究阶段，技术上属于更高一级水平、具有广阔的发展前景，但从技术难度和价格方面来看，离工业推广应用阶段还有一段距离。对手工焊来说，工艺参数是根据特定的接头状况来确定的。在焊接过程中焊工主要通过对焊接速度、焊接状况变动和熔池特征等参数进行观察，然后根据经验做出调整。这种观察和控制能力与焊工的技巧有很大关系。在没有人工控制的自动焊接或机器人焊接环境中，可以采用下面两种在技术上和经济上都可行的方法（或者将其综合成一种方法）：首先，通过接头的设计和加工、装配的控制来减少偏差；其次，接头几何形状和位置、焊接熔池及焊后接头均可利用辅助装置来监视，从而模拟人工的控制过程。在自动焊和机器人焊接中，光电传感器扮演了重要的角色。有两种主要的光电传感系统：一种是直视式的视觉系统（Direct-View Vision System）；另一种是前置式的视觉系统（Preview Vision System）。前者用来直接观察焊接区域，包括焊接电弧、熔池和母材，没有任何外加光源；后者避免了对焊接区域的直接观察，采用外加光源来对焊接区域前方的焊接接头进行监视2。两种方法各有其优缺点：直视式视觉系统能够获得比较丰富的焊接区域的各种信息，如熔池膨胀可能意味着接头内有气孔，但它易受弧光和熔池表面振动的干扰；前置式可以在一定程度上避免这种问题，但它失去了焊接区域的一些有用信息。将光电传感系统应用于焊接过程的实时监控，可以获得准确、直观、丰富的焊接区域的光、电信息，因而是一种最有前途的方法19。近年来国内外对带有视觉传感系统的智能焊接机器人的研究相当流行。但是，这种方法的困难在于，由于焊接时弧光的干扰，光电传感系统对焊接区图像的摄取和对焊缝的识别是困难的。现有的光电传感器或者功能简单，不够可靠；或者结构复杂，价格昂贵，均难以满足工业应用的要求。对焊接用的光电传感器来说，有几个关键问题，能否用有效而经济的方法加以解决，决定了这类传感器的成败。这些技术关键是：（1）一般焊件表面反光性能极差，如何使入射光达到所要检测的范围又保证其对工件表面有足够的照度以获得必要的信噪比。（2）如何抑制强烈的弧光及其它外来光干扰。因它们的辐射强度大，光谱覆盖的范围宽，对信号识别影响极大。（3）实际生产中，由于材料种类、加工方法和表面状态不同(表面是否打磨、锈蚀和残留油污灰尘等)，工件的反光性能差别很大，反射信号强度相差可达几十倍乃至上百倍，给信号处理造成很大困难，甚至使传感器无法正常工作。上述问题解决到何种程度，极大地影响到光电传感器的探测精度、可靠性和适用范围。3.2光电传感器原理3.2.1 光敏二极管的工作原理光敏二极管又称光电二极管，它与普通二极管类似，不同之处在于 PN 结装在管壳顶部，可以直接受到光照，在电路中一般处于反向工作状态，它的符号图及其在电路中的接法下图所示。 当无光照时，其反向电阻很大，电路中有很小的反向饱和漏电流（称之为暗电流），一般为 10-810-9A，此时相当于光敏二极管截止；当有光照时，PN 结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量，产生电子-空穴对，并在 PN 结所形成的电场作用下作定向运动而形成光电流。光照度越大，光电流就越大。故光敏图3-3 光敏二极管电路接法二极管不受光照时处于截止状态，受光照时处于导通状态。光电流过负载电阻 R 时，在电阻两端将得到随入射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完成光电功能转换的。3.2.2 光敏三极管的工作原理第 13 页 共 34 页光敏三极管是具有 NPN 和 PNP 结构的半导体器件，它在结构上与普通三极管类似，通常只有两个引出电极（也有三个的）。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，并在基区边缘，以避免发射极引线遮住基区影响灵敏度。管子的芯片被装在带有玻璃透镜的金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片的集电结上。入射光主要被基区吸收。在正常情况下，集电结为受光结（相当于光敏二极管）。集电结相对于发射极为正电压；而基极开路，则集电结处于反向偏置。无光照射时，由热激发产生少数载流子（电子-空穴对），电子从基极进入集电极，空穴从集电极移向基极，在外电路中有暗电流（正常情况下 图光敏三极管工作原理图光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流）Iceo流过，其大小为：Iceo = 1+ Icbo()式中， 为共射极直流放大系数；Icbo为集电极与基极间的反向饱和电流。当光照射在光敏面（集电极）上时，光照激发产生的光生电子-空穴对增加了少数载流子的浓度，由于集电结处于反向偏置，使内电场增强。在内电场的作用下，光生电子漂移到集电区，在基区留下空穴，使基极电位升高，促使发射区有大量电子经基区被集电区收集而形成放大的集电极光电流，即Ic = Is式中Ic为bc结产生的光生电流， 为光敏三极管的直流放大系数。可以看出，光敏三极管利用类似普通半导体三极管的放大作用，将光敏三极管的光电流放大了（1+ ）倍。所以，光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。图3-4 光敏三极管实例图3.3 光电传感器的基本设计思路我们设计的光电传感器是在焊缝上画一条人工辅助白线，然后利用简单的光电元件检测人工辅助白线，根据人工白线的偏差情况输出相应的偏差信号。由于光敏三极管比光敏二极管更灵敏，因此我们选用光敏三极管为光敏元件，如图3-4。光源发出的光照到钢板上反射回来又照射到光敏三极管。根据白线处反光量较大的原理，我们知道白线正上方的光敏三极管输出的电流较其余的光敏三极管要大，因此其输出的电压信号高。这样，我们只要对光电传感器输出的信号做一比较，即可知道焊缝的偏差情况。原理见图3-13.4光敏三极管的选用根据以上分析我们选用（图3-4）3DU31硅光敏三极管其用途主要为: 光学测量, 光电开关。其参数如下：反向击穿电压:15V.最高工作电压:10V.暗电流:0.3uA.光电流0.5-1mA.功耗:30mW.峰值波长：880nm该光电传感器的电路比较简单，采用光敏三极管与负载电阻串联的方式。如图3-5取样信号为负载电阻两端的电压信号图3-5 光敏三极管接法4.机械部分的设计4.1机械部分方案简介第 15 页 共 34 页机械部分设计图4-1 机械装置示意图设定机械部分主要的技术指标为：总质量大约为30KG其中滑动部分质量大约为8KG燕尾槽加涂层后 摩擦系数为0.65丝杠摩擦系数为0.003工作速度大约为3mm/s横向调节长度为160mm定位精度：+-1mm焊接小车的方案根据工作圆管直径的要求，要特别注意磁轮的直径和机器人的本体底座之间的距离设计，又由于焊炬在高度上可移动，在设计丝杠时要考虑其工作范围及其安装位置。传感器与光源发射器之间距离，以及两者距离焊件高度都应考虑，具体见后面的分析。小车的横向调节臂的运动范围大约为160mm，由步进电机驱动。4.2丝杠的选择本系统中，丝杠螺母及滑块配合使用，其中丝杠与齿轮相啮合，带动滑块滑动。根据以上步进电机的选择以及丝杠受力状况，初步设定横向调节丝杠的直径为10mm,长度为200mm，工作长度为180mm，高度调节丝杠的直径为10mm，长度为220mm，工作长度为200mm，螺距设计为3mm。4.3 步进电机的设计与选用实现焊接生产的自动化，使焊枪自动准确的沿焊缝轨迹运动实现焊接生产操作，就必须使焊机具有焊缝跟踪功能。在实际的焊接生产中，工件的焊缝曲线形状不可能是理想的曲线，总是会存在一些差别。如果在焊接生产中，焊机不能根据焊缝的实际情况作出判断，调整焊枪的位置，那么焊枪就会偏离焊缝，产生咬边等焊接缺陷,严重的影响焊缝的焊接质量。为了使我们设计的焊接系统具有焊缝跟踪功能，使焊枪在整个焊接过程中自动对准焊缝，我们设计在焊机上加一个步进电动机。该步进电动机的作用是驱动焊接小车可以在水平面内做左右方向的转动，从而带动焊枪可以左右灵活转动。这样，如果焊缝的形状发生偏差，焊枪就可以在步进电动机的带动下做出相应的摆动，使其能够在整个焊接过程中始终对准焊缝中心，保证焊接的质量。选择步进电动机时必须研究电动机的容量能否满足负载力矩的需要，能否适合于装置的动作要求及控制方面的功能能否满足等。考虑负载情况。避免因为估计不足而将电动机选的过小，带不动负载造成失步，后者选的过大，造成浪费。另外负载惯量对电机的特性影响很大，其他条件相同时，转动惯量越大，启动频率越低。因此，根据系统的设计要求并参考有关文献，先假设焊接小车的总质量大约为30KG，小车本体在焊接过程中，主要考虑克服摩擦力、自身重量以及磁轮的磁性吸附力。4.3.1选择步进电动机4.3.1.1 步进电动机的基本特性步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位移或直线位移的控制电机。在数字控制系统中，步进电动机作为执行元件，每输入一个脉冲，步进电动机就会转动一个角度或前进一步。因此，步进电动机又称为脉冲电动机。因为步进电动机不需要反馈信号，只需保持一个脉冲进给一步，因此无误差积累，转子唯一的误差就是电动机单步的准确性。步进电动机在任何一个方向的任意机械位置都可以启动和停止，并且，它的转子按照每一个输入步进指令以准确的角度运动和停止。这种精确的角度运动可随每一个输入步进指令重复，从而使其转子可在任一方向上精确定位。步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、调速范围大、启动只动反应灵敏等特点。而且如果停机后某些相仍包乘通电状态，则步进电动机还具有自锁能力。步进电动机的转速决定于电脉冲频率，并与频率同步，由于具有这些优点，步进电动机广泛应用于数字控制系统中。4.3.1.2 双绕组式步进电动机工作原理第 17 页 共 34 页 通常使用的步进电动机分为三类:永磁式、反应式和双绕组式。我们选用的是双绕组式步进电动机。双绕组式步进电动机通常一种单极性步进电动机，是永磁式(也称双极性机)的变种，它的每个定子绕组都有中间插头，也即每个定子磁极绕有两个定子绕组，电流能交替的流过绕组的两部分，形成交变磁极，图中所示电路用于控制图4-2 步进电机内部电路简图一台两相的双绕组步进电动机，它可以使用单向二线电源控制，降低了电路的复杂程度。在对步进电动机进行控制时，按一定的电顺序通过单向电源一个绕组或另一个绕组通电就可以改变磁场的极性，通电顺序见表4-1。这样就可以驱动步进电动机的旋转。使用双绕组式步进电动机可以简化驱动电路，不仅所需要的功率开关(功率场效应晶体管)的数量减少一半，而且可防止电流通过两个功率场效应管短路，对转换时间的同步性的要求不在苛刻，而同步性对于双向驱动电路却是很苛刻的。由此可见，使用双绕组式步进电动机可以使焊机较好的实现焊缝跟踪功能。正转次序M1M2M3M4反转1onoffonoff2onoffoffon3offonoffon4offononoff5onoffonoff表4-14.3.1.3 步进电机的选用（1）驱动力的计算：Fm：支撑之间及滑块与燕尾槽间的摩擦力，因丝杠摩擦系数很小，相对导轨的滑动摩擦力而言可以省略不记。设支撑滑块的预紧力为100N则Fm=1000.65=65NFg：运动过程的惯性力因运动过程中惯性力很小，所以设其为1NG：臂部移动部件总质量。G=8kg9.8=78.4N因此我们可以得到：P=Fm+Fg+G1=65+1+78.4=144.4N（2）输出力矩的计算： 20式中：W1、W2、W3为焊枪、滑块、传感器部分质量（kg），为8KG。是滑块与支架之间的摩擦系数，为0.651 是丝杠部分的摩擦系数，为0.003Fa 丝杠预紧压力（N），为100Ne 丝杠的导程（m），为0.16m 传动效率 0.850.95由此可得 T=5.72Nm（3）我们选用的双绕组式步进电动机的型号为KP68P2 406，电机的步距角为1.8度，控制电压为直流12伏每相阻抗为33两相步进电机参数如下相数：2 步距角1.8 相电流：5.0A驱动电压：AC40/60V 最大静转距6.0Nm 驱动力 150N质量：3.8KG 配套驱动器：SH-2H090M本系统中，焊接机器人的横向调节部分丝杠的螺距设计为3mm，步进电机的步距角为1.8度，所以脉冲当量为1.8*2/360=0.01mm，其移动速度为 V=0.01*f（mm/s）式中：f为控制步进电机的脉冲频率。4.3.2 步进电动机驱动电路控制原理第 19 页 共 34 页我们设计的步进电动机的驱动电路的原理图如下图4-3 图中01、02、03、04是四个光电耦合器，它们具有抗干扰性高的优点，能够使单片机和步进电动机之间在电性能上完全隔离，提高了系统运行的准确性。M1、M2、M3、M4是功率场效应晶体管，简称功率MOSFET。功率场效应管的漏极D接步进电动机的电枢绕组。光电耦合器的发光二极管的阳极与输入/输出接口芯片8155的PA0-PA3接口相接。焊接时，焊接小车在直流伺服电动机的驱动下向前行驶。焊缝跟踪传感器在焊炬的前端检测焊缝坡口的位置，并把焊缝坡口的位置信号转化成电信号输送到8098单片机的内部。如果焊缝的位置没有发生偏差，则8098单片机就不会给步进电动机发出转动指令，步进电动机不转动，而焊枪也不在左右方向上做任何移动，知识跟随焊接小车一起向前运动。如果焊缝坡口的位置信号出现偏差，单片机根据传感器输入的信息判断出焊缝的实际位置，然后发出指令驱动步进电动机往相应的方向转动一定的步数，驱使焊接小车在相同的方向上转动一定的角度，从而使焊枪能够对准焊缝的中心，保证了焊缝的焊接质量。图4-3 步进电动机控制电路4.3.3 步进电动机控制的软件设计我们设计用8098单片机按一定顺序输出脉冲信号控制步进电动机的旋转，使其带动焊枪左右偏转，保证焊枪能始终对准焊缝的中心，实现焊缝跟踪。在这一过程中，必须有焊缝跟踪传感器检测出焊缝的位置信号并将其送入8098单片机内，供单片机对其作出判断后再输出脉冲信号驱动步进电动机转动。这一控制过程的程序流程图如图4-4所示。程序具体的工作过程是:先由焊缝位置传感器对焊缝位置形状进行采样，然后将采样信息经8098单片机的AD;口输入到单片机的内部。AD;口是8098单片机内A/D转换器的模拟量输入口，模拟量信号经该口输入单片机后直接送到单片机内的AD转换器进行信号的摸/数转换，将输入的模拟量信号转换相应的单片机能够识别的数字量信号。然后单片机从存储器中读取设定值，并将测得值与设定值进行比较，如果测得值与设定值相差不大，小于一有限值6，则认为传感器在左右方向上没有发生偏转，即焊缝位置没有发生变化，我们将s称为系统允许误差。其值很小，可根据焊接生产的精度要求进行调整设定。如果单片机判断出测定值与设定值相差较大，其差值大于8，则进行下一步判断:如果测定值大于设定值，则表示焊缝位置向左发生偏转，单片机转去执行步进电动机正转子程序，驱动步进电动机正转，从而带动焊枪向左方偏转，直至使焊枪对准焊缝的中心;如果测定值小于设定值，则表示焊缝位置向右发生偏转。图4-4 步进电机程序流程图单片机转去执行步进电动机反转子程序，驱动步进电动机反转，从而带动焊枪向右方偏转，直至使焊枪对准焊缝的中心。在焊接过程中，单片机不断的执行该控制程序，就确保了焊枪能够在焊接过程中能始终对准焊缝(坡口)的中心，也就实现了焊缝跟踪。第 21 页 共 34 页下图4-5为选用电机的实物图：4-5 步进电机实物图4.4 伺服直流电动机 4.4.1 伺服电动机驱动电路设计理论基础在焊接生产中，焊接速度是影响焊缝质量的重要因素之一。焊接时焊接的电流大，熔池熔深大，焊接速度对焊缝质量的影响尤其突出。要想得到质量优良的焊缝，保持焊接速度在焊接过程中的稳定是必要的。我国现有的焊接自动焊机对焊接速度采用的开环控制方式，他是在焊接前预先设定一个理想的焊接速度值，然后启动焊接驱动焊接小车向前行驶。但是，焊接操作过程受到外界的影响，这样就使实际的焊接速度值与理想的焊接速度值不相符，达不到预先设定的数值。然而由于焊机采用的控制方式是开环控制，这样就没有焊接速度的信号反馈回来，人们也就不知道焊接速度的实际数值，无法对起进行精确控制。由此，在焊接过程中，焊接速度值就不稳定，会出现较大的波动，从而必然会影响到焊缝的焊接质量。要想保持焊接速度在焊接过程中稳定不变，保证焊缝的质量优良，最好的办法就是对焊接速度实行闭环方式进行控制。我们设计的是直流伺服电动机的闭环控制电路。该控制电路的速度检测环节有码盘完成，电路采用PWM波对直流伺服电动机的旋转速度进行调节控制。PWM波由8098单片机的内部产生，从其P2.5口输出，该PWM波是功率场效应管（PMOSFET）栅极的控制信号，由它来控制功率场效应管的关断和导通。4.4.2 伺服电动机驱动电路的原理图图4-6 伺服电机控制电路图中01，02是光电耦合器。它们是将发光二极管和光敏三极管封装在一起构成的，他们的输入输出之间仅用光耦合。当有电流流过发光二极管时，发光二极管就会发光。这一光线照到光接受元件即光敏三极管上时，就在光接受元件的回路中产生电流。这样，就由光传递代替了电流传递，使得输入和输出之间在电性能上完全隔离，有较强的抗干扰性。M1、M2是功率场效应晶体管，简称功率场效应管（PMOSFET）。这是一种单极性的电压控制器件，它不但有自关功能，而且驱动功率小，工作速度高，没有二次击穿问题，安全工作区宽。因而功率场效应管用于脉冲调宽控制电机非常方便。控制电压加到它的栅极上，只要10V左右的正向偏压就可以使其导通。而其本身的输入阻抗高达10的9次方，因而所需的控制功率很小。KI是继电器，他是用来改变直流伺服电动机的电枢电流的方向，从而改变直流电动机的旋转方向，驱动焊接小车前进或后退。第 23 页 共 34 页单片机控制系统 焊接时，启动电源开始焊接时，8098单片机由P2.5口输出高电平信号将光电耦合器01触发导通，电流经R4、R5流入功率效应晶体管M1的栅极G，使M1导通，M1的漏极D接外界+12V电源，源极S接继电器K1的第5脚。M1导通后，+12V的电源经继电器与伺服电动机的电枢相连，驱动伺服电动机旋转，带动焊接小车前进。在焊接过程中，如果需要焊接小车后退，按下相应按钮，8098单片机输出一个高电平信号给光电耦合器01，使01的发光二极管发光。触发光敏三极管导图4-7 小车控制示意通，使+12V的电源加到功率场效应管M2的栅极G上，触发M2导通，M2的漏极D接继电器K1的第3脚，源极S接地，继电器K1的第3、6脚间接的是继电器线圈。M2导通后使继电器线圈通电，电磁铁吸合活动触点，改变伺服电动机电枢中电流的流动方向，使伺服电动机反转，带动焊接小车后退。小车控制示意图图4-75单片机控制系统5.1 单片机控制原理 单片机控制电路图见附图我们设计的单片机控制系统以8098单片机为核心，并配以外部扩展随机存储器（RAM）6264、外部地址锁存器74LS373、外部地址译码器74LS138以及外部扩展输入/输出接口芯片8155。图5-1 8098示意图图5-1所示8098芯片，8098单片机的P3口和P4口用来扩展芯片。P4口的高8位与外部地址锁存器74LS373的输入端相连。由P4口的高8位地址口输出的地址信号先进入地址锁存器74LS373进行锁存保护。地址锁存器的输出端与外部地址译码器74LS138的三个数据输入端A、B、C相连。P4口输出的地址信号经A、B、C端输入后由译码器完成地址译码。译码器74LS138并将译码结果由其数据输出端Y0Y7输出，选择相应的芯片。P3口是具有漏极开路输出的8位双向口，分别与外接芯片相连，可以进行数据传输。第 25 页 共 34 页单片机的第14引脚和第33引脚分别是写信号和读信号的输入输出端。它们的与期于芯片的相应的引脚相连，是系统控制所必须的。单片机的数字信号端（第11、37引脚）、存储器允许端 （第37引脚）以及模拟信号端（第44引脚）均接地。其中，数字地和模拟地信号端只能在一点相连并接地，这样可以提高系统的抗干扰性。单片机的P2.5口即第13引脚是单片机的脉冲宽度调制（PWM）输出端口，该端口与直流伺服电动机的控制电路相连。由该端口输出的脉冲宽度调制波（PWM波）可以对伺服电动机的旋转速度进行调整。单片机的Vcc引脚（第38引脚）是系统的主电源电压（+5V）端。VPD引脚（第46引脚）是片内RAM备用电源端。VPD引脚（第12引脚）是未来EPROM的编程电压端。VREF引脚是片内A/D转换的参考地端。这四个引脚共同接+5V电源。其中尤其以VPD引脚最为重要，将其接+5V电源可以防止一旦系统突然断电丢失正在运行的数据，起到保护作用，使特殊功能寄存器（SER）中地址为0F0H0FFH的单元中的内容得到保护。单片机的第4043引脚是高阻抗输出入口，可以作为A/D转换的模拟量输入口。在本设计的焊接跟踪系统中，焊缝位置传感器检测出焊缝坡口的形状位置信息，并将该位置信号转换为电信号。转换后的信号由单片机的第43引脚输入到单片机中，由单片机自身在内部完成信息的A/D转换。单片机就是根据这些信息判断出焊缝的位置形状的变化情况，并作出相应的动作，以实现焊缝跟踪。单片机的第3、4、5、6引脚是高速输入部件的信号输入端。其中第3引脚是HIS.0输入口，该口在焊接跟踪系统是作为焊接速度信号的输入口。焊接时，焊接小车前车轮的码盘测出焊接小车的行走速度，并将该速度信号转换成点脉冲信号由HIS.0口输入到8098单片机的内部。单片机根据由该口输入的电信号计算出焊接小车的行驶速度即焊接速度值，并将该值与理论设定值相比较，实现对焊接速度的闭环控制。本设计的焊缝跟踪功能是由步进电动机来实现的，步进电动机通过输入/输出接口芯片8155与单片机相连。8155的PA0PA3口是数据输出口，它们与步进电动机的驱动控制电路相连。单片机经过分析判断后对步进电动机发出转动指令，这些指令就是通过这四个端口输出的。步进电动机在这些指令的驱动下转动，带动焊接小车在水平面内左右移动，使焊枪自动对准焊缝的中心。8155的AD0AD7（第1219引脚）是三态地址数据引出线，它们分别与其余芯片相连，用来进行数据的传送。8155的其余口线备用。系统的软件程序存放在可改写只读存储器（EPROM 27128）中。单片机对接受到的数据进行的一系列处理计算就是由其中的程序完。系统的数据存放在随机存储器（RAM 6264）中。根据系统的硬件连接电路，我们可以求出图中各个芯片的地址。计算的结果为：EPROM27128： 2000H5FFFHRAM6264（U5）：6000H7FFFHRAM6264（U6）：8000H9FFFHI/O接口8155： A000HA105H RAM：A000HA0FFH COM：A100H A：A101H B：A102H C：A103HTL：A104HTH：A105H5.2 系统各硬件芯片的选用 本课题设计的单片机控制系统以8098单片机为核心，图51的芯片即为8098单片机。与MCS51 系列单片机相比，8098单片机具有如下优点： 输入/输出指令更为简练。（9）8098单片机具有8个中断源，对应着8个中断矢量，这使得8098单片机最多能够处理20种中断事件。（10）8098单片机有2个16位硬定时器，其中定时器T1在系统中作定时时钟用，系统运行过程中不停的循环计数；定时器T2受外不事件控制，根