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

1.1讨论指导思想

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。在工业发达我国，

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、自动化和机器人化始终在不断进展之中。据统计，日本在

1975年共有焊接工人460,93（）名，而1985年削减为335,600名，1990年则为

210,800名,大约每10年削减27〜37%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

条的用量削减一半，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协作来跟踪焊缝，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进展，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：

、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掌握（或程序掌握）方式己无能为力，具有焊缝自动跟踪力

量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，

具有简洁、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，必需

更换工装，这在小批量、多品种的生产中必定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全都性不好，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常常变化的场合

是不合适的。因此需要讨论开发能敏捷移动，具有肯定智能的焊接机械，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加它们的适应

性，进展配带传感器、智能化更加敏捷的制造系统的需求特别迫切。

、改善焊接工人工作条件

由于焊接过程产生剧烈的热、烟尘和弧光，导致现场工作环境特别恶劣，对工人

的体能消耗很大，而且焊接现场的空气污染、电磁污染和剧烈的弧光辐射会对工人的

健康造成危害。采纳自动化、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。在发达我国，手工焊接仍占40%左右，而在我们我国则高达60%

以上。将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特别宽阔的前景，进而催生了对焊

缝自动跟踪系统的需求，

、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，而采纳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。这是由于与示教型和程序掌握焊接系统相比，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，从而降低了焊接预备时间，提高了整个系统的生产效率。特殊是对于曲线焊缝，

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国内外讨论的动态

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特别重要的地位。

图17焊接传感器用途的调查统计

焊缝自动跟踪系统讨论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，传感器是打算整个系统跟踪精度的首要因素。

最近十年来，焊缝跟踪技术的讨论、应用得到了飞速的进展，尤其是焊缝传感技术己

从简洁的机械接触、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行少的帮助手段。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。详细来说，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。

图1-2焊缝跟踪的传感器的分类

电弧传感器是直接采用焊接电弧的电流、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）式使用不够敏捷，适应面窄。而电弧

和光电传感器各具特色，国内外讨论较多。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可见电弧传感器司光电传感器已进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，光电传感器的讨论更为活跃

图1-3传感器应用状况调查

.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掌握系统，掌握系统

依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洁、操作

便利、抗弧光、电磁和烟尘干扰的力量强。

图1-4机械接触式传感器的结构

此外，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此外，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掌握，简化了设

施，提高了跟踪精度。机械探针式传感滞一般用于长、直焊缝的单层焊及角焊缝。目

前，在航天运载器推动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，由于此时探

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外

与焊缝成形有关的电弧摇摆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抱负恒定，这些缘由造成的噪声也

必需滤除；机械摇摆位置与电弧长度变化之间的延迟、电弧运动中弧长自调整作用的

电流响应速度等引起的信号相位差要计算考虑。

图1-5摇摆电弧的工作原理图1-6旋转电弧传感器的工作原理

.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，是目前讨论得最多的传感器之

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。前者以单个或儿个分支光电器件为接收兀件，后者以集成光电器件（如CCD.PSD

等）为接收元件。

.6超声波传感器

很多讨论者使用超声波传感器对焊缝跟踪进行了讨论［2］。超声波传感焊缝跟踪

实际上采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。超声传感器放射超声波，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，通过计算传感器放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。掌握系统则依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，可以采纳查找坡口的两个边缘的方法，由于

在坡口的边缘处，超声波从放射到接收的声程时恒较短，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，掌握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进展的主流，而光电

传感器最近得到了更多的重视，己成为焊缝自动跟踪传感器进展的重要方向，

1.3本讨论的内容和意义

从国内外的诗论可以看出:

（1）焊接自动化与机器人焊接是焊接领域的进展方向；

（2）在焊接自动掌握领域最迫切需要解决的课题是自动跟踪，在今后一段时期

内仍将是国际上讨论与开发的热点之一；

（3）光电传感器与电弧传感器是焊缝自动跟琮传感器的两大重要讨论方向，智

能掌握是焊缝自动跟踪掌握技术的突破口；

（4）如何使系统满意低成本、高性能、稳定牢靠的要求是当今焊缝自动跟踪讨

论的重要课题；我认为，光电传感器由于其特点，是焊缝自动跟踪系统中

比较抱负的传感器模式，尤其是采纳点光源扫描，不失为一种既满意跟踪

精度又简洁牢靠的有效方法。

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，通过检测人工帮助线，依据其偏差状

况输出焊缝偏差信号。

（2）系统掌握技术。依据光电传感器式焊缝自动跟踪系统的特点并结合工厂实

际应用状况，提出并实施掌握方案。

（3）单片机系统。依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）采纳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

牢靠地推断焊缝偏差。

（2）提出了一种传感器旋转摇摆的模型并采纳模糊掌握理论实现了传感静前置

状况下的焊缝跟踪。

（3）采纳定义状态数据存储空间大小的方法可以简洁、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

定牢靠，成本低，性价比高的优点，简洁实现产业化，对提高我们我国焊接

自动化水平大有好处。

2系统的主要部件布置

图2T系统组成示意图

1单片机

2横向调整步进电机掌握器

3小车驱动直流电动机掌握

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，在解决焊枪左右摇摆调整的问题中，单片机依据传感器输入的信

息推断出焊缝的实际位置，假如焊枪偏移焊缝，单片机然就出指令驱动步进电动机往

相应的方向转动肯定的步数，驱使焊接小车在相同的方向上转动肯定的角度，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，其转速可由单片机掌握，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，

然后做出相应的掌握。

焊枪在垂直方向上通过调整带手柄丝杠来调整高度，也可以选用步进电机做自动

掌握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整。

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,

采纳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，其线光源照耀到的工件面上的光线须为直线,

否则，须进行光学处理，比较简单。在沿长度方向上，我们采纳传统的传感器，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，本设计采纳8098,在目前一般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单片机拥有很多51

系列不具有的优点。

在跟踪机械本体上，本设计采纳带有磁轮的焊接小车，由于不同管道直径可能不

同所以在应用上要留意依据管道直径来确定小车底盘的凹凸。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，是目前讨论得最多的传感器之

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。下面是其中的儿种形式。

3.1.1单点式光电传感器

这类传感器以人工帮助线（塑料胶带，白漆线等）、坡口面或坡口棱边作为跟踪

基准。图所示是以人工帮助线为跟踪基准的单点式光电传感器工作原理，

图37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1〜4mm的平行线，以灯泡作为光源，它经透镜照

耀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

跟踪帮助线的光电传感器其中白线的像最亮（图3T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31c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

术讨论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帮助线外形

要求与焊缝外形完全全都，其跟踪精度受帮助线的影响，大大增加了焊接前的预备

工作量。单点式光电传感器还有很多其它形式，其结构和掌握电路都比较简洁，成

本低，简洁产业化。

3.L2集成电路图像传感器

图像传感器以一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256X256（面阵）个以上的象素，可以获得坡口及其四周区域

的图像信息，以微机进行处理和掌握，所以信息丰富，辨别率高，功能可以大大提高。

然而，CCD图像传感器的灵放度和牢靠性还和帮助光源的状况有亲密关系。为了在

CCD器件上获得清楚的坡口图像，要求帮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，跟踪系统越牢靠。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，线状光源以肯定角度a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，而且简洁达到较高

的光照度，具有更高的信噪比。但另一方面，由于面阵CCD信息量大.处理时间和

设施造价都相应要增加.He-Ne激光束经聚焦透镜、反射镜（放射镜）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摇摆时,

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。由于实行点光源，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。缺点是结构简单.价格昂贵。

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；它不用帮助光源,

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

中状况。这种方法目前还处于讨论阶段，技术上属于更高一级水平、具有宽阔的进展

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，工艺参数是依据特定的接头状况来确定的。在焊接过程中焊工主耍通过对焊接

速度、焊接状况变动和熔池特征等参数进行观看，然后依据阅历做出调整。这种观看

和掌握力量与焊工的技巧有很大关系。在没有人工掌握的自动焊接或机渊人焊接环境

中，可以采纳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、装配的掌握来削减偏差；其次，接头几何外形和位置、

焊接熔池及焊后接头均可采用帮助装置来监视，从而模拟人工的掌握过程。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-ViewVisionSystem）；另一种是前置式的视觉系统

（PreviewVisionSystem）o前者用来直接观看焊接区域，包括焊接电弧、熔池和母

材，没有任何外加光源；后者避开了对焊接区域的直接观看，采纳外加光源来对焊接

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；前置式可以在肯定程度上避开这种问题，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，可以获得精

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讨论相当流行。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洁，不够牢靠；或者结构简单，价格

昂贵，均难以满意工业应用的要求。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，打算了这类传感潜的成败。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）如何抑制剧烈的弧光及其它外来光干扰。因它们的辐射强度大，光谱掩盖的

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、牢靠性和适用

范围。

3.2光电传感器原理

光敏二极管的工作原理

光敏二极管又称光电二极管，它与一般二极管类似，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10-8-10-9A,此时相当于光敏二极管截止；当有光照时，PN结四周受光子

的轰击，半导体内被束缚的价电子汲取光子能量，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。

光敏三极管的工作原理

光敏三极管是具有NPN和PNP结构的半导体器件，它在结构上与一般三极管类

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，放射区面积做得较小，并在基区边缘，以避开放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，当光照耀时，光线通过透镜集

中照耀在芯片的集电结上。入射光主要被基区汲取。在正常状况下，集电结为受光结

（相当于光敏二极管）。集电结相对于放射极为正电压；而基极开路，则集电结处于

反向偏置。无光照耀时，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，在外电路中有喑电流（正常状况下图光敏三极管

工作原理图光敏三极管集电极与放射极之间的穿透电流）Icco流过，其大小为：Ico。

=1+BIcbo（）式中，B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。当光照耀在光敏面（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，使内电场增加。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，使基极电位上升，促使放射区有大量电子

经基区被集电区收集而形成放大的集电极光电流，即1c二BIs式中Ic为be结产生

的光生电流，3为光敏三极管的直流放大系数。可以看出，光敏三极管采用类似一

般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+B）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帮助白线，然后采用简洁的光电元

件检测人工帮助白线，依据人工白线的偏差状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耀到光敏三极管。依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

状况。原理见图3-1

3.4光敏三极管的选用

依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0.5TmA.功

耗:30mW.峰值波长:880nm

该光电传感器的电路比较简洁，采纳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

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

横向调整长度为160mm

定位精度：+-lmm

焊接小车的方案

依据工作圆管直径的要求，要特殊留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。

传感器与光源放射器之间距离，以及两者距离焊件高度都应考虑，详细见后面的

分析。

小车的横向调整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，丝杠螺母及滑块协作使用，其中丝杠与齿轮相啮合，带动滑块滑动。

依据以上步进电机的选择以及丝杠受力状况，初步设定横向调整丝杠的直径为

10mm,长度为200mm,工作长度为180mm,高度调整丝杠的直径为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，使焊枪自动精确的沿焊缝轨迹运动实现焊接

生产操作，就必需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

外形不行能是抱负的曲线，总是会存在一些差别。假如在焊接生产中，焊机不能依据

焊缝的实际状况作出推断，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,严峻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

以左右敏捷转动。这样，假如焊缝的外形发生偏差，焊枪就可以在步进电动机的带动

下做出相应的摇摆，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需讨论电动机的容量能否满意负载力矩的需要，能否适合于

装置的动作要求及掌握方面的功能能否满意等。考虑负载状况。避开由于估量不足而

将电动机选的过小，带不动负载造成失步，后者选的过大，造成铺张。此外负载惯量

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，依

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。

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掌握电机。在数字掌握

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。由于步进电动机不需要反馈信号,

只需保持一个脉冲进给一步，囚此无误差积累，转子唯一的误差就是电动机单步的精

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，它的转子依据每一个输入步进指令以精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。步进电动机具有结阎简洁、维护便利、精确度高、调速范围大、启动只动反应灵

敏等特点。而且假如停机后某些相仍包乘通电状态，则步进电动机还具有自锁力量。

步进电动机的转速打算于电脉冲频率，并与频率同步，由于具有这些优点，步进电动

机广泛应用于数字掌握系统中。

.2双绕组式步进电动机工作原理

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，图中所示电路用于掌握

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掌握，降低了电路的简单程

度。在对步进电动机进行掌握时，按肯定的电挨次通过单向电源一个绕组或另一个绕

组通电就可以转变磁场的极性，通电挨次见表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）的数量削减一半，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。

反

正次序M1M2M3M4转

转A-

1onoffonoff

2onoffoffon

3offonoffon

4offononoff

5onoffonoff

表4—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=100X0.65=65N

Fg：运动过程的惯性力

因运动过程中惯性力很小，所以设其为1N

G：臂部移动部件总质量。

G=8kgX9.8=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:

T=+—[F+.（VV1+W2）][20]

242加7

式中：

Wl、W2、W3为焊枪、滑块、传感器部分质量（kg）,为8KG

Uo是滑块与支架之间的摩擦系数，为0.65

U1是丝杠部分的摩蒙系数，为0.003

Fa丝杠预紧压力（N）,为100N

c丝杠的导程（m）,为0.16m

q传动效率0.85〜0.95

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，掌握电压为直流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-21I090M

本系统中，焊接机器人的横向调整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为掌握步进电机的脉冲频率。

步进电动机驱动电路掌握原理

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、（）2、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，提高了系统运行的精确

性。Ml、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。假如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，学问跟随焊接小车一起向前运动。假如焊缝坡口的位置信号消失偏

差，单片机依据传感器输入的信息推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肯定的步数，驱使焊接小车在相同的方向上转动肯定的角度，

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步进电动机掌握电路

4.3.3步进电动机掌握的软件设计

我们设计用8098单片机按肯定挨次输出脉冲信号掌握步进电动机的旋转，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，

必需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

对其作出推断后再输出执冲信号驱动步进电动机转动。这一掌握过程的程序流程图如

图4-4所示。

程序详细的工作过程是:先由焊缝位置传感器对焊缝位置外形进行采样，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俏，并将测得俏与设定值讲行比较，假如测

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，可依据焊接生产

的精度要求进行调整设定。假如单片机推断出测定值与设定值相差较大，其差值大于

8,则进行下一步推断:假如测定值大于设定值，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;假如测定值小于设定值，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掌握程序，

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。

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。我们我国现有的焊接自动焊机对焊接速度采

纳的开环掌握方式，他是在焊接前预先设定一个抱负的焊接速度值，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

度值与抱负的焊接速度值不相符，达不到预先设定的数值。然而由于焊机采纳的掌握

方式是开环掌握，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，无法对起进行精确掌握。由此，在焊接过程中，焊接速度值就不稳定，会

消失较大的波动，从而必定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，最好的方法就是对焊接速度实行闭环方式进行掌

握。

我们设计的是直流伺服电动机的闭环掌握电路。该掌握电路的速度检测环节有码

席完成，电路采纳PWM波对直流伺服电动机的旋转速度进行调整掌握。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）

栅极的掌握信号，由它来掌握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伺服电机掌握电路

图中（）1,02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。当有电流流过发光一极管时，发光一极管就会

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。Ml、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掌握器件，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，平安工作区宽。因而功率场效应管用于脉冲调宽掌握电机特别便

利。掌握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Q,因而所需的掌握功率很小。KI是继电器，他是用

来转变直流伺服电动机的电枢电流的方向，从而转变直流电动机的旋转方向，驱动焊

接小车前进或后退。

焊接时，启动电源开头焊接时，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Ml的栅极G,使Ml导通,

Ml的漏极D接外界+12V电源，源极S接继电器K1的第5脚。Ml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，假如需要焊接小车后退，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小车掌握示意

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，转变伺服电动机电枢中电流的

流淌方向，使伺服电动机反转，带动焊接小车后退。小车掌握示意图图4-7

5单片机掌握系统

5.1单片机掌握原理

单片机掌握电路图见附图

我们设计的单片机掌握系统以8098单片机为核心，并配以外部扩展随机存储器

（RAM）6264、外部地圮锁存器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5T8098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进行锁存爱护。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Y0~Y7输出，

选择相应的芯片。P3匚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。

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，是系统掌握所必需的。

单片机的数字信号瑞（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口艮1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掌握电路相连。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）是将来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，

起到爱护作用，使特殊功能寄存器（SER）中地址为OFOH~OFFH的单元中的内容得到

爱护。

单片机的第40〜43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外形位置信息，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。单片机就是依据这些信息推断出焊缝的位置

外形的变化状况，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。单片机依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掌握。

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PAO——PA3口是数据输出口，它们与步进电

动机的驱动掌握电路相连。单片机经过分析推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ADO——AD7（第12—

-19引脚1）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（EPROM27128）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

(RAM6264)中。

依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:

EPR0M27128：2000H——5FFFH

RAM6264(U5)：6000H——7FFFH

RAM6264(U6)；8000II----9ITPII

I/O接口8155：AOOOH——A105H

RAM：AOOOH——AOFFH

COM：AlOOH

A：A1O1H

B：A102H

C：A103H

TL：A104H

TH：A10511

5.2系统各硬件芯片的选用

本课题设计的单片机掌握系统以8098单片机为核心，图5-1的芯片即为8098

单片机。与MCS-51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种中断大事。

(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受外不大事掌握，依据外部大事计数。

8098单片机以高集成度、高性能价格比和高抗干扰力量使之应用领域越来越

广。

附图中芯片U2、U374LS373是8098单片机的外部地址锁存器，它是一种8D触

发器，由三态门掌握输出。在8098单片机中的16位地址分为高8位(A15——A8)

和低8位(A7——A0),其中低8位是P4口输出，高8位由P3口输出。而P3口和

P4口同时乂是数据的输入/输出接口，因而它们在传送信息时采纳分时方式，先输出

地址，然后再输出数据％但是，单片机在对外部存储器进行读/写操作时，传送的地

址必需保持。地址锁存器74LS373就起到锁存保持地址的作用，以保证单片机有序的

进行信息处理。74LS373的数据输入由允许端G（即第11引脚）掌握。G端为高电平

常，数据输入74LS373并保持。数据输出由数据输出端（即第1引脚）掌握。74LS373

的各触发器仅输出单一状态，DO一一D7为数据输入端，A0一一A7为数据输出端。

附图中芯片U974LS138是外部地址译码器，我们设计用多块存储器构成8098单

片机的外部扩展存储器,要使系统正常工作，除了要用74LS373锁存低8位地址以外,

系统还要由高位地址产生片选信号。在系统工作时，8098单片机将其高位地

址即P4口输出的地址送地址译码器74LS138进行译码。每一位译码输出对应一个片

选信号。这样，全部外接芯片的片选信号端即可确定。因此，单片机也就可以依据需

要输出一个地址信号来选通所需要的芯片。

附图中芯片U5、U6,6264是外部扩展随机存取存储器（RAM）,8098单片机内部

虽然有肯定容量的存储器，但这并不能满意系统实际工作状况的需要，因而我们为其

扩展外部随机存取储器6264。6264的寻址范围为8K,集成度高，其与8098单片机

的连接如图所示。低8位的地址由8098单片机P3口输出，送74LS373锁存，高8

位地址由P4口输出，其中3位地址送地址译码器74LS138,经译码后产生片选信号；

另5位地址经74LS373送随机存储器6264的高5位输入端，在进行存储器读/写操作

时，数据由P3口输入/输出。

附图中芯片U427128是外部扩展可改写只读存储器（EPROM）o8098单片机本身

没有片内只读存储器，不能存放程序，因而有必要为其扩展一个只读存储器用来存放

系统的软件程序。我们选用了27218,它是可改写的只读存储器（EPROM）,寻址范围

为16K,本身采纳HMOS工艺制成，工作速度快。EPR0M27128是可改写的，当需要对

己编写的程序进行改写时，只需用擦除器除去原来的程序，再将修改后的程序重新写

入即可，一个芯片可以多次使用，特别便利。

芯片U8,8155是一种内部设有256字节的静态RAM和一个14位的定时器/计数

器的多功能8位并行输入/输出接口，在单片机掌握系统中用来作为8098单片机的外

部扩展接口。8098单片机本身供应应用户的输入/输出接口线并不多。其P0口仅有4

根输入/输出引线（P0.4一—P0.7）,只能做输入用；口也仅有4根输入/输出引线（P2.0

——P2.2以及P2.5),可作输入输出用；P3口和P4的引线只能作为系统的总线用。

这样，在用8098单片机对跟踪系统进行掌握时，8098本身具有的输入/输出端口就

不能满意系统的需要。因此，必需为8098单片机外扩一些输入/输出接口，以构成一

个功能齐全的单片机掌握系统。8155接口芯片恰能满意这样的要求。8155含有两个

8位并行输入/输出端口、一个6位的并行输入/输出端口、256字节的静态随机存取

存储器、一个地址锁存落、一个14位的定时器/计数器和掌握规律电路等。因而，在

与8098单片机联接后，8155可以为系统增加256字节的随机存取存储器、22条输入

/输出引线和14位的定时器/计数器。8155芯片各引脚如图中所示。其中AD7——AD0

是三态地址/数据引线。CS是片选信号线，低电平有效。RD和WR分别是存储器的读

和写命令，也是低电平有效，分别为系统扩展占用。ALE是地址及片选信号锁存信号

线，高电平有效，其后沿将地址及片选信号锁存到器件中。10/M是输入/输出接口与

存储器间的选择信号线，

当10八上0时，表示AD7——ADO输入的是存储器地址，寻址范围是0——OFFH；

当I0/M=l时，表示AD7——ADO输入的是输入/输出接F1地址。

8155与8098单片机的联接如附图图所示。8155的片选信号CS口与地址译码器

74LS138相联,AD7——ADO与8098的P3相联,其PBO——PB3口和PAO——PA3口分

别接光电耦合器，通过光电耦合器将步进电动机和输入/输出接口芯片8155连接到一

起。光电耦合器使单片机与步进电动机之间在电性能上完全隔离，两者之间只用光耦

合，这样可以提高系统的抗干扰性和系统的掌握精度。

6.系统抗干扰措施

6.1硬件抗干扰措施

从硬件方面提高单片机掌握系统的抗干扰措施主要从以下几个方面着手：

6.1.1留意接地问题

我们设计将单片机掌握系统的数字地和模拟地严格的区分开，并且只能在一点将

两者相连接地。这样就可以防止数字信号和模拟信号相互干扰。

6.1.2模拟量输入通道的隔离技术

在我们设计的8098单片机掌握系统中，单片机与外界电路间都加有光电祸合器,

例如