自动焊缝跟踪系统的设计与实现

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1、HarbinInstituteofTechnology自动焊缝跟踪系统的设计与实现课程名称：自动控制元件院系：航天学院控制科技与工程系班级：0804102班设计者：洪学寰1080410210吴钊君1080410226敦晓彪1080410219摘要:本文介绍了一种基于旋转电弧传感器的焊接机器人系统。系统采用惯量小，成本低，灵活性大的新型十字滑块系统作为机械传动机构；旋转电弧传感器的位置精度高，焊缝偏差小，使用各类焊缝类型；配合步进电机完成整个系统位移单元的传动，并进行位置伺服。环境预检测系统完成工作环境的检测

2、，确保系统的安全运行，DSP主控系统完成整个系统的管理和控制，并设计了包括软件保护，机械限位保护，报警保护，电源管理保护在内的各种保护措施。为了方便系统的维护和升级，预留了标准的串口和以太网接口，可以方便对系统进行扩展升级。关键词：焊缝跟踪；旋转电弧传感器；位置伺服；十字滑块目录1项目背景12设计要求和需求分析13系统总指标分析23.1系统静态指标23.2系统动态指标23.3运动精度指标23.4智能性指标分析23.5可扩展性指标分析23.6应用指标23.7环境要求23.8装配指标分析34模块设计指标和方案分

3、析34.1总体设计方案34.2主控系统指标分析和方案比较44.3机械结构指标分析和方案比较44.4反馈系统模块指标分析和方案比较64.5运动控制模块指标分析和方案比较74.6机械保护模块的指标分析和方案比较74.7环境检测保护模块指标分析和方案比较74.8接口扩展模块指标分析和方案比较84.9电源管理模块指标分析和方案比较84.10焊接指标分析与方案论证95硬件系统方案的实现95.1总控制核心系统的实现95.2机械传动结构方案的实现105.3反馈系统模块的实现135.3.1电弧传感器的分类及选型135.3.

4、2旋转电弧传感器结构与工作原理165.3.3跟踪与纠偏原理175.4运动控制模块的方案实现195.4.1步进电机的选取195.4.2步进电机驱动器的选取215.4.3直线步进电机的选取225.4.4直线步进电机驱动器的选取235.5机械保护模块方案实现245.6环境检测系统的实现245.7接口扩展模块的方案实现265.8电源管理模块方案的实现285.9报警模块的方案实现296软件控制平台的实现306.1传感器的控制算法和模型306.1.1传感器与系统的初始化306.1.2传感器的算法分析306.1.3电弧长

5、度模型与平面拟合算法分析326.2电机驱动的算法347成本估计348项目总结与改进358.1项目总结358.2.1旋转扫描电弧传感器的问题与改进358.2.2系统与无线传感网络的通信358.2.3系统的可移植性改进369心得体会36参考文献：37附件分工明细371项目背景焊接是一门材料连接技术，通过某种物理化学过程使分离的材料产生原子或者分子间的作用力而连接在一起，随着焊接技术的不断发展，它在生产中的应用日趋广泛，到目前为止已经成为一种重要的加工手段。从日常生活用品，如家用电器、水暖设备等的生产到飞机、潜艇

6、、火箭、飞船等尖端科技产品都离不开高效率、现代化的焊接技术，进一步提高焊接质量、改善劳动条件、提高劳动生产率已经成为所有焊接工作者的强烈的愿望，而采用自动控制技术是实现上述的的正确途径。焊缝自动跟踪系统的研究作为焊接领域的一个重要的方面，为了进行精确的自动焊接，必须进行焊缝自动跟踪。国外关于焊接实时跟踪控制的研究主要集中在焊接传感器的选择以及控制方法的改进上。1985年保加利亚的D.Lakov提出了用模糊模型来描述弧焊过程的不确定性，借助于配置的非接触式激光传感器，用模糊控制推理对示教机器人的运动进行估计、

7、预测和控制，实现焊缝的自动跟踪。1989年日本的S.Mursaami等研究了利用电弧传感弧焊机器人焊缝跟踪的模糊控制，该控制系统根据焊枪的振幅位置同焊丝与工件的距离关系判断焊点的水平和垂直位移，并在强烈的弧光、高温、烟所以下，采用基于语言规则的模糊滤波器和模糊控制器来设计焊缝跟踪控制系统，取得了较好的效果。美国Ohio州的Motoman公司推出了一种最高可以在60in_/min(152cm/min)焊接速度下进行焊缝跟踪的电弧传感跟踪系统。我国对焊缝跟踪控制技术的研究起步较晚。80年代末以清华大学潘际銮院士

8、为首的课题组在旋转电弧传感器方面做了大量的研究，并取得了有价值的成果。1993年清华大学博士廖宝剑在博士生费跃家的研究基础上，研制成功了一种空心轴电机驱动的旋转扫描传感器，并获得了国家专利。此后江西大学在此基础上在小型化和减震方面做了深入的研究，并做了进行一步的改进，并制造了样机。清华大学吴世德的博士论文较系统的研究了电弧传感器信息处理技术，通过空间变换，进行了扫描电弧传感器信号的频域特征分析，提出了特征滤波向量