一種四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統的製作方法

2023-06-04 12:15:31

專利名稱：一種四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及錫焊機器人技術領域，特別是涉及一種四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統。
背景技術：
在錫焊加工工業中，手工焊接時需要焊工根據眼睛所觀察到的實際焊點位置適時地調整焊槍的位置、姿態和行走的速度，以適應焊點及焊接軌跡的變化，因此焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經驗和穩定的焊接水平。同時焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作，因此新型的自動化焊接生產將成為新世紀接受市場挑戰的重要方式。一般錫焊加工需要四自由度錫焊機器人，一臺完整的五自由度錫焊機器人基本包括電機、算法和微處理器幾個部分，但現有的自動錫焊機器人長時間運行存在著很多安全問題:
(O作為自動錫焊機器人的電源採用的是一般交流電源整流後的直流電源，當突然停電時會使整個錫焊運動失敗。(2)作為錫焊機器人的主控晶片，採用的多是8位的單片機，計算能力不夠，導致焊接系統運行速度較慢。由於自動錫焊機器人在焊點間的頻繁點焊，要頻繁的剎車和啟動，加重了單片機的工作量，單一的單片機無法滿足自動錫焊機器人快速啟動和停止的要求。由於受周圍環境不穩定因素幹擾，單片機控制器經常會出現異常，引起錫焊機器人失控，抗幹擾能力較差。( 3)基於微處理器和專用運動控制晶片的控制模式一般先有微處理器根據預設位置計算出電機需要的各種 預設，然後送給專用晶片進行二次計算生成控制電機的PWM波信號，雖然這類運動控制器開發簡單、可靠性高，但是由於有微處理器軟體參與系統伺服系統的部分計算，使得系統計算速度一般也不是很高，而且由於採用了專用的運動控制晶片，無法進行擴展設計，也無法實現各種先進運動控制算法。(4)在基於微處理器和專用運動控制晶片的控制模式中，一般一個專用控制晶片控制一個電機，並且佔用大量的微處理器口地址，對於四自由度錫焊機器人運動系統來說，要用到複雜的控制技術才可以實現。(5)作為自動錫焊機器人的執行機構採用的多是步進電機，經常會遇到丟失脈衝造成電機失步現象發生，導致系統對於焊點出錫量不一致。採用步進電機使得機體發熱比較嚴重，有的時候需要對電機本體進行散熱。採用步進電機使得系統運轉的機械噪聲大大增加，不利於環境保護。由於採用步進電機，其本體一般都是多相結構，控制電路需要採用多個功率管，使得控制電路相對比較複雜，並且增加了控制器價格，並且由於多相之間的來回切換，使得系統的脈動轉矩增大，不利於系統動態性能的提高。(6)由於受單片機容量和算法影響，普通錫焊機器人對已經經過的焊點信息沒有存儲，當遇到掉電情況或故障重啟時所有的信息將消失，這使得整個錫焊過程要重新開始或者人工更新路徑信息。對於四自由度錫焊機器人的點焊過程來說，一般要求控制其軌跡運動的四個電機的PWM控制信號要同步，由於受單片機計算能力的限制，單一單片機伺服系統很難滿足這一條件。(7)在焊接的時候雖然可根據被焊物體的焊點大小來調整送錫量的大小，但是沒有考慮焊點的溫度，導致焊點不一致。在錫焊過程中，忽略了對烙鐵頭的清洗，經常導致因為烙鐵頭上的殘留焊錫而產生焊接不良或焊點汙穢的情況發生。由於大量採用體積較大的插件元器件，使得伺服控制器的體積較大。

發明內容
本發明主要解決的技術問題是提供一種四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統，所述伺服控制系統設計簡單、處理速度快、穩定可靠。為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是:提供一種四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統，包括控制模塊、第一電機、第二電機、第三電機、第四電機、第五電機、動作模塊、出錫模塊和溫度傳感器，所述控制模塊包括數位訊號處理晶片和基於現場可編程門陣列晶片，所述數位訊號處理晶片通過所述溫度傳感器與所述動作模塊上的點焊位置連接，所述基於現場可編程門陣列晶片生成脈衝寬度調製波信號並發送給所述第一電機、所述第二電機、所述第三電機、所述第四電機和所述第五電機，所述第一電機、所述第二電機、所述第三電機和所述第四電機與所述動作模塊連接，所述第五電機與所述出錫模塊連接。在本發明一個較佳實施例中，所述控制模塊採用貼片元器件材料。在本發明一個較佳實施例中，所述數位訊號處理晶片為32位的。在本發明一個較佳 實施例中，所述第一電機、所述第二電機、所述第三電機、所述第四電機和所述第五電機是裝有512線光電編碼盤的永磁直流伺服電機。本發明的有益效果是:本發明的四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統，基於數位訊號處理晶片和基於現場可編程門陣列晶片的控制模塊使伺服控制系統處理速度大大增力口，很好的滿足錫焊系統快速性的要求，設計簡單，能縮短開發周期短，有效地防止了程序的跑飛，抗幹擾能力大大增強。


圖1是本發明現有技術中錫焊機器人伺服控制系統的原理 圖2是本發明四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統一較佳實施例的原理 圖3是圖2中所述四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統的程序框 圖4是圖2中所述四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統的速度運動曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵能更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍做出更為清楚明確的界定。數位訊號處理晶片(DSP)具有快速的計算能力，其中TMS320F2812是美國TI公司推出的C2000平臺上的定點32位DSP晶片。DSP運行時鐘可達150MHz，處理性能可達150MIPS，每條指令周期6.67ns，IO 口豐富，對用戶的一般應用足夠，具有12位的0 3.3v的AD轉換、128kX 16位的片內FLASH和18KX 16位的SRAM，一般的應用系統可以不要外擴存儲器。具有獨立的算術邏輯單元，擁有強大的數位訊號處理能力。此外，大容量的RAM被集成到該晶片內，可以極大地簡化外圍電路設計，降低系統成本和系統複雜度，也大大提高了數據的存儲處理能力。基於現場可編程門陣列(FPGA)雖然只是標準的單元陣列，沒有一般的集成電路所具有的功能，但用戶可以根據自己的設計需要，通過特定的布局布線工具對其內部進行重新組合連接，在最短的時間內設計出自己的專用集成電路，這樣就減小成本、縮短開發周期。由於FPGA採用軟體化的設計思想實現硬體電路的設計，這樣就使得基於FPGA設計的系統具有良好的可復用和修改性。請參閱圖2，本發明提供一種四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統，包括控制模塊、電機X、電機Z、電機U、電機R、電機Y、動作模塊、出錫模塊和溫度傳感器。所述控制模塊採用貼片元器件材料，所述控制模塊包括數位訊號處理晶片和基於現場可編程門陣列晶片，所述數位訊號處理晶片為32位的，所述數位訊號處理晶片通過所述溫度傳感器與所述動作模塊上的點焊位置連接。所述基於現場可編程門陣列晶片生成脈衝寬度調製波信號並發送給所述電機X、所述電機Z、所述電機U、所述電機R和所述電機Y，所述電機X、所述電機Z、所述電機U和所述電機R與所述動作模塊連接，所述電機Y與所述出錫模塊連接，所述電機X、所述電機Z、所述電機U、所述電機R和所述電機Y是裝有512線光電編碼盤的永磁直流伺服電機。請參閱圖3和圖4，所述四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統具體的功能實現為: (I)操作人員把加工部件安裝在夾具上，打開電源，在打開電源瞬間DSP會對電源電壓
來源進行判斷，當確定是蓄電池供電時，如果電池電壓低壓的話，控制器將封鎖FPGA的PWM波輸出，此時電機X、電機Z、電機U、電機R和電機Y不能工作，同時電壓傳感器將工作，雙核控制器發出低壓報警信號， 人機界面提示更換電池信息。(2 )啟動機器人自動控制程序，通過控制器的USB接口輸入任務。將錫焊機器人移動到起始點上方，調整好位姿。為了能夠驅動四自由度自動錫焊機器人電機X、電機Z、電機U、電機R和出錫系統伺服電機Y的運動，本控制系統引入FPGA，由其生成控制五個電機運動的PWM波，但是通過I/O 口與DSP進入實時通訊，由DSP控制其PWM波形的輸出和封鎖。(3)在自動錫焊機器人運動過程中，DSP會時刻儲存所經過的距離或者是經過的四維空間裡的焊點信息，並根據這些距離信息確定對下一個四維工作點自動錫焊機器人四軸電機X、電機Z、電機U和電機R要運行的距離，DSP與FPGA通訊，傳輸距離參數和當前運行速度給FPGA，由FPGA根據模糊控制原理生成控制電機X、電機Z、電機U、電機R運動的速度梯形圖，梯形圖包含的面積就是自動錫焊機器人電機X、電機Z、電機U和電機R要運行的距離，速度梯形圖再結合電機X、電機Z、電機U和電機R的電流和光電編碼盤信息生成控制電機X、電機Z、電機U和電機R行走的PWM波和方向。(4)當電機X、電機Z、電機U和電機R共同推動錫焊機器人到達預定焊點位置後，烙鐵在設定時間內開始對焊點進行加熱，在加熱期間，DSP會對焊點信息和烙鐵溫度進入二次確認，轉化為出錫系統電機Y需要運行的距離等參數，DSP把這些參數傳輸給FPGA，由FPGA根據模糊控制原理生成出錫系統速度運動梯形圖，這個梯形包含的面積就是錫焊機器人出錫系統電機Y要運行的距離，再根據光電編碼盤信息生成控制電機Y運行的PWM波和運動方向信號。(5)當完成出錫系統的伺服後，為了防止烙鐵溫度過高引起焊錫的再次融化，電機Y—般把焊錫絲拉回一個小的距離，並記錄此值，電機Y立即自鎖。DSP調出下一個四維焊點信息，烙鐵和出錫系統一起在電機X、電機Z、電機U和電機R的作用下向下一個四維空間裡的錫焊點自動移動。(6)在運動過程中如果自動錫焊機器人發現焊點距離或者是出錫伺服系統求解出現死循環將向DSP發出中斷請求，DSP會對中斷做第一時間響應，如果DSP的中斷響應沒有來得及處理，四自由度自動錫焊機器人的電機X、電機Z、電機U、電機R和出錫系統的電機Y將原地自鎖，防止誤操作，並通過DSP發出警報，然後人工排除故障。(7)裝在電機X、電機Z、電機U、電機R和電機Y上的光電編碼盤會輸出其位置信號A和位置信號B，光電編碼盤的位置信號A脈衝和B脈衝邏輯狀態每變化一次，FPGA內的位置寄存器會根據電機X、電機Z、電機U、電機R和電機Y的運行方向加I或者是減1，光電編碼盤的位置信號A脈衝和B脈衝和Z脈衝同時為低電平時，就產生一個INDEX信號給FPGA寄存器，記錄電機的絕對位置，再換算成自動錫焊機器人在四維空間裡焊點的具體位置和出錫伺服系統出錫的實際長度。(8)在運動過程中，如果DSP收到了高速點焊命令，DSP會第一時間響應，控制器根據高速點焊的速度計算後立即提升烙鐵溫度到達某一個恆定溫度，再根據自動錫焊機器人在四維點焊部件的具體位置和應該存在的位置，送相應的位置數據等給FPGA，FPGA根據外圍傳感信號自動調取其內部相應的PID調節模式，由FPGA根據模糊控制原理計算出自動錫焊機器人電機X、電機Z、電機U、電機R和出錫系統電機Y需要 更新的PWM控制信號，控制機器人進入聞速點焊狀態。(9)如果自動錫焊機器人在運行過程中遇到突然斷電時，蓄電池會自動開啟立即對錫焊機器人進行供電，當電機的運動電流超過設定值時，此時控制器會立即封鎖FPGA的PWM波輸出，電機X、電機Z、電機U、電機R和電機Y停止工作，從而有效地避免了電池大電流放電的發生。(10)為了能夠目測焊點質量和清洗烙鐵頭上的殘留焊錫，系統在人機界面上加入了自動暫停功能，如果在錫焊過程中讀到了人機界面上設置的自動暫停點，FPGA會控制電機X、電機Z、電機U、電機R以最大的加速度停車，而電機Y立即自鎖，並存儲當前信息，控制器立即封鎖電機X、電機Z、電機U和電機R的P麗波輸出，直到控制器讀到再次按下「開始」按鈕信息才可以使FPGA重新開啟電機X、電機Z、電機U和電機R的PWM輸出，並調取存儲信息使錫焊機器人從暫停點可以繼續工作。(11)在運動過程中，如果檢測到任何一個電機的轉矩出現脈動，FPGA會自動對轉矩進行補償，減少了電機轉矩抖動對錫焊過程的影響。自動錫焊機器人在運行過程會時刻檢測電池電壓，當系統出現低壓時，傳感器會通知DSP開啟並發出報警提示，有效地保護了鋰離子電池。(12)當完成整個加工部件的錫焊運動後，電機Y—般把焊錫絲拉回一個小的距離，並記錄此值，然後立即自鎖，然後經過一個小的延時，走出運動軌跡。錫焊機器人重新設定位置零點，等待下一周期的任務。
本發明揭示的四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統具有的有益效果為:
(I)由於採用高性能的32位DSP，使得系統處理速度大大增加，可以很好滿足錫焊系統快速性的要求。由FPGA處理錫焊機器人的四自由度錫焊機器人伺服和出錫系統的伺服控制，一方面把DSP從複雜的伺服算法中解脫出來，大大提高了運算速度，另外一方面也使得控制器設計比較簡單，縮短了開發周期短。採用FPGA處理四自由度錫焊機器人和出錫系統伺服控制的數據與算法，把DSP從繁重的工作量中解脫出來，有效地防止了程序的「跑飛」，抗幹擾能力大大增強。(2)在運動過程中，充分考慮了電池在這個系統中的作用，基於DSP+FPGA控制器時刻都在對錫焊機器人的運行狀態進行監測和運算，當遇到交流電源斷電時，鋰離子電池會立即提供能源，避免了錫焊系統伺服系統運動的失敗，並且在電池提供電源的過程中，時刻對電池的電流進行觀測並保護，避免了大電流的產生，所以從根本上解決了大電流對鋰離子電池的衝擊。(3)採用全貼片元器件材料，實現了單板控制，不僅節省了控制板佔用空間，而且有利於錫焊機器人體積和重量的減輕。(4)在錫焊過程，送錫速度控制可以自動調節，溫度傳感器把烙鐵頭的工作溫度採集後傳送給DSP，DSP再把溫度、當前點焊運行的速度送給FPGA，然後由FPGA來完成送錫電機Y的速度閉環控制。 (5)在錫焊過程，送錫長度控制可以自動調節，當錫焊機器人完成一個焊點的焊接後，控制器立即調出存儲器中下一個焊點的信息，DSP把被焊物的焊點大小、當前焊錫機器人運行的速度送給FPGA，然後由FPGA來完成送錫電機Y的伺服閉環控制。(6)在錫焊過程中，烙鐵頭恆溫可調，可根據實際工作速度需要，工作溫度在2000C _480°C之間調節，滿足高速運轉融化焊錫需要。在整個錫焊過程中，充分考慮了錫焊機器人的運行速度和烙鐵頭溫度對出錫系統參數的影響，保證了焊接過程的完成。(7)為了提高運動速度和精度，本錫焊機器人採用了帶有1024線光電編碼盤的直流永磁伺服電機替代了傳統系統中常用的步進電機，使得運算精度大大提高，效率也相對較高。直流永磁伺服電機使得調速範圍比較寬，調速比較平穩。(8) FPGA根據DSP發出的位置信息，結合永磁直流伺服電機的電流和光電編碼盤信號生成控制電機運轉PWM波，不僅簡化了接口電路，而且省去了 DSP編寫位置、速度控制程序，以及各種PID算法的麻煩，使得系統的調試簡單。在控制中，FPGA根據機器人外圍運行情況適時調整其內部的PID參數，輕鬆實現分段P、PD、PID控制和非線性PID控制，使系統滿足快速運行時速度的切換。(9)由於具有存儲功能，這使得錫焊機器人掉電後或遇到故障重啟時系統可以輕易的調取已經塗膠好的路徑信息，也可以輕易的從故障點二次點焊完成未完成的任務。(10)由於FPGA內集成了五路伺服系統PWM生成電路，不僅滿足了四自由度伺服電機同步控制的要求，而且也減少了專用運動晶片所佔用的空間，有利於控制器向微型化方向的發展。(11)在整個錫焊過程中，加入了暫停點設定，這樣有利於在運動過程中目測已經焊接好的焊點提前發現焊接問題，或者存儲器記錄下當前信息後清洗烙鐵頭機構，減少因為烙鐵頭上的殘留焊錫而產生焊接不良或是焊點汙穢的問題發生。
(12)為了能夠使電機平穩啟動和停車，系統在實現其速度梯形圖算法時引入了模糊控制原理，使系統性能更優。以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包 括在本發明的專利保護範圍內。
權利要求
1.一種四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統，其特徵在於，包括控制模塊、第一電機、第二電機、第三電機、第四電機、第五電機、動作模塊、出錫模塊和溫度傳感器，所述控制模塊包括數位訊號處理晶片和基於現場可編程門陣列晶片，所述數位訊號處理晶片通過所述溫度傳感器與所述動作模塊上的點焊位置連接，所述基於現場可編程門陣列晶片生成脈衝寬度調製波信號並發送給所述第一電機、所述第二電機、所述第三電機、所述第四電機和所述第五電機，所述第一電機、所述第二電機、所述第三電機和所述第四電機與所述動作模塊連接，所述第五電機與所述出錫模塊連接。
2.根據權利要求1所述的四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統，其特徵在於，所述控制模塊採用貼片元器件材料。
3.根據權利要求1所述的四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統，其特徵在於，所述數位訊號處理晶片為32位的。
4.根據權利要求1所述的四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統，其特徵在於，所述第一電機、所述第二電機、所述第三電機、所述第四電機和所述第五電機是裝有512線光電編碼盤的永磁直 流伺服電機。
全文摘要
本發明公開了一種四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統，包括控制模塊、第一電機、5個電機、動作模塊、出錫模塊和溫度傳感器，控制模塊包括數位訊號處理晶片和基於現場可編程門陣列晶片，數位訊號處理晶片通過溫度傳感器與動作模塊上的點焊位置連接，基於現場可編程門陣列晶片生成脈衝寬度調製波信號並發送給5個電機，4個電極分別與動作模塊連接，第五電機與出錫模塊連接。通過上述方式，本發明提供的一種四軸全自動錫焊機器人伺服控制系統，基於數位訊號處理晶片和基於現場可編程門陣列晶片的控制模塊使伺服控制系統處理速度大大增加，很好的滿足錫焊系統快速性的要求，設計簡單，能縮短開發周期短，有效地防止了程序的跑飛，抗幹擾能力大大增強。
文檔編號B25J9/18GK103223672SQ20131018315
公開日2013年7月31日 申請日期2013年5月17日 優先權日2013年5月17日
發明者張好明, 王應海 申請人:蘇州工業園區職業技術學院