雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器及方法

2023-06-04 12:21:41 3

專利名稱：雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器及方法
技術領域：
本發明涉及錫焊機器人領域，特別是涉及一種雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器及方法。
背景技術：
眾所周知，錫焊加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經驗、穩定的焊接水平；另一方面，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。焊接與其它工業加工過程不一樣，手工焊接時，有經驗的焊工可以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。所以，焊接工的工作是個有一定技術含量的工作崗位。對工廠來說，要招聘一個熟練的焊接工，就目前的工人心態以及工廠對員工的成本核算成為了一個正負交錯對立的局面，這是手工焊接的一個瓶頸；
人工焊接的工藝，受到焊接工的工藝水平的限制，焊接工的焊接技能及速度參差不齊，情緒波動有一定的因素影響，每天產品的焊接質量和產量隨之而受到影響，這是手工焊接的瓶頸之二；
焊接工人的技能及情緒或多或少對焊接時所使用的輔料無法估計，使用多少就到倉庫去領取多少，管理員無法去量化每天使用焊接輔料，也就是對焊接輔料成本是一個模糊的概念，對生產產品的成本核算也沒有量化。對客戶，對自己的成本來說是一種不能明說的項目，這是手工焊接的瓶頸之三；受焊接工的技能影響，每天產品焊接的效率也是無法去量化，工廠每天能生產多少產品，產品質量好不好都無法估計。在高技術迅猛發展的今天，傳統的生產方式已日趨落後，隨著電子產品的大批量生產，手工採用烙鐵工具逐點焊接PCB板上引腳焊點的方法，再也不能適應市場要求、生產效率與產品質量。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。由於錫焊機器人是新型自動化的主要工具，直接將機器人變為直接生產力，它在改變傳統的生產模式，提高生產效率及對市場的適應能力方面顯示出極大的優越性。同時它將人從惡劣危險的工作環境中替換出來，進行文明生產，這對促進經濟發展和社會進步都具有重大意義。在一些特殊的錫焊動作中，錫焊機器人不僅需要反覆在一條直線上或者一個二維的平面上進行直線或圓弧點焊或者是按照一定的規律對一些位置進行點對點的點焊，而且由於在一個複雜的電路板上器件高度不一致，這個時候機器人需要在相對於電路板二維平面垂直的方向運動一個距離，這個時候一臺三自由度錫焊機器人可以很快的完成上述動作。一臺完整的三自由度錫焊機器人大致分為以下幾個部分:
I)電機:在這個系統中，執行電機有四個，三個電機根據微處理器的指令來執行錫焊機器人在一個三維空間直接行走的相關動作，另外一個電機根據微處理器的指令執行焊接需要出錫量的多少； 2)算法:算法是錫焊機器人的靈魂。錫焊機器人必須採用一定的智能算法才能準確快速的從三維空間裡的一點到達另外一點，形成點對點的運動，或者曲線軌跡的運動，並且根據外界不同條件計算出錫量的大小；
3)微處理器:微處理器是錫焊機器人的核心部分，是錫焊機器人的大腦。錫焊機器人所有的信息，包括焊點位置、出錫量多少、電機狀態信息以及四個電機相互配合運動等都需要經過微處理器處理並做出相應的判斷。三自由度自動錫焊機器人結合了多學科知識，對於提升在校學生的動手能力、團隊協作能力和創新能力，促進學生課堂知識的消化和擴展學生的知識面都非常有幫助。自動錫焊機器人技術的發展可以培養大批相關領域的人才，進而促進相關領域的技術發展和產業化進程。但是由於國內研發此機器人的單位較少，相對研發水平比較落後，研發的自動錫焊機器人結構如圖1，長時間運行發現存在著很多安全問題，即:
在錫焊初期，都是人工運動錫焊機器人到起始位置，然後僅僅依靠人眼進行初始位置的校正，使得焊接精度大大降低；
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；
作為錫焊機器人的主控晶片，採用的多是八位的單片機，計算能力不夠，導致焊接系統運行速度較慢；
作為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不一致；
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；
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；
由於受到周圍環境不穩定因素的幹擾，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；
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；
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；
在錫焊過程中，對烙鐵頭採用人工清洗的方式，由於烙鐵頭的溫度較高，有時候會誤傷到人；
在錫焊過程中，如果發現任何焊點有焊接質量問題，需要開啟人機界面上的暫停點設置，然後人工二次補焊，使得自動化程度大大降低；
對於三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三個電機的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；
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。隨著現代製造工藝的技術發展，伺服控制單元的體積將越來越小、嵌入式的微型伺服控制系統將發揮巨大的作用，伺服控制方式主要由軟體伺服來實現，從而使在伺服系統中使用現代控制理論算法成為可能。這種嵌入式的微型系統拓展了伺服系統的應用範圍，促進了伺服系統多樣化的發展。採用高速微處理器和高性能數位訊號處理器(DSP)作為伺服控制核心的控制策略，逐步取代計算能力較弱的單片機控制方式成為必然。因此，需要對現有的基於單片機控制的三自由度自動錫焊機器人控制器進行重新設計，尋求一種經濟適用的速度相對較高的中速三自由度錫焊機器人伺服系統。

發明內容
本發明主要解決的技術問題是提供一種雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器及方法，採用了基於DSP與LM629雙核控制器的全新控制模式，以LM629為處理核心，能夠實現數位訊號的實時處理，同時把DSP從複雜的工作中解脫出來，能夠實時進行數據交換和調用，實現了部分的信號處理算法和響應中斷，實現了數據通信和存儲實時信號，提聞了系統的錫焊精度。為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是:提供一種雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器，包括:DSP與LM629雙核控制器、用於三自由度錫焊機器人伺服系統的電機U、電機Z和電機X、用於三自由度錫焊機器人出錫系統的電機Y、溫度檢測模塊和圖像採集與處理模塊，所述DSP與LM629雙核控制器連接電機U、電機Z和電機X，所述DSP與LM629雙核控制器還連接電機Y，所述DSP與LM629雙核控制器與溫度檢測模塊相互連接，所述DSP與LM629雙核控制器與圖像採集與處理模塊相互連接。在本發明一個較佳實施例中，所述DSP與LM629雙核控制器包括DSP數位訊號處理晶片和LM629精度運動控制晶片，所述LM629精度運動控制晶片用於控制三自由度錫焊機器人的伺服系統和出錫系統，所述DSP數位訊號處理晶片用於控制人機界面、路徑讀取、軌跡參數預設、溫度檢測、圖像採集、數據存儲或I/O控制。在本發明一個較佳實施例中，所述DSP數位訊號處理晶片為TMS320F2812晶片。在本發明一個較佳實施例中，所述LM629精度運動控制晶片包括運動梯形圖發生器和電機位置解碼器。在本發明一個較佳實施例中，所述電機為直流永磁伺服電機，所述直流永磁伺服電機上裝載有光電編碼盤。為解決上述技術問題，本發明採用的另一個技術方案是:提供一種雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器的方法，包括如下步驟:
(1)、打開電源，自動傳送裝置把安裝在夾具上的加工部件自動傳送到工作區域；
(2)、在打開電源的瞬間DSP會對電源電壓的來源進行判斷:當確定是蓄電池供電時，如果電池電壓是低壓，將禁止所有的LM629工作，電機X、電機Z、電機U和電機Y都不能工作，同時電壓傳感器將工作，控制器發出低壓報警信號；
(3)、啟動三自由度錫焊機器人的自動控制程序，通過控制器的232串口輸入錫焊任 務;
(4)、電機X工作，將執行機構(包括烙鐵和出錫管)自動移動到初始化點，此時圖像採集與處理模塊開啟，自動校正出錫管與起始點的對準位置；
(5)、在點焊信號有效條件下，延時一定時間，使錫焊機器人準備開始工作；
(6)、本控制系統中引入四片LM629，然後通過I/O口與DSP進入實時通訊，由DSP控制其開通和關斷；
(7)、對於基於LM629的系統來說，「忙」狀態的檢測是整個伺服系統設計的首要部分，在每次運動之前先檢測此狀態位，判斷是否為「忙」，如果是「忙」要進行軟體復位，使系統可以進行數據通訊；
(8)、對於基於LM629的系統來說，復位也是LM629伺服系統操作中重要的一個環節，復位後查看LM629的狀態字，如果不等於84H或C4H，說明硬體復位失敗，必須重新復位,否則LM629不可以正常工作；
(9)、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焊點，並根據這些距離信息由DSP計算得到相對下一個三維空間焊點自動錫焊機器人電機X、電機Z和電機U要運行的距離、速度和加速度，DSP然後與LM629通訊，傳輸這些參數給LM629，然後由LM629生成電機X、電機Z和電機U速度運動梯形圖，這個梯形包含的面積就是錫焊機器人電機X、電機Z和電機U要運行的距離，然後再根據電機電流和光電編碼盤信息，生成控制電機X、電機Z和電機U運行的PWM波和運動方向信號；
(10)、當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行二次確認,然後轉化為出錫系統電機Y需要運行的距離、速度和加速度以及PID等預設參數，DSP把這些參數傳輸給出錫系統的LM629，然後由LM629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，然後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；
(11)、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一般把焊錫絲拉回一個小的距離，並記錄此值，然後電機Y立即自鎖，然後烙鐵和出錫系統一起在電機X的作用下向下一個錫焊點自動移動；
(12)、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，自動錫焊機器人的電機X、電機Z、電機U和出錫系統的電機Y將原地自鎖，防止誤操作；
(13)、裝載在電機X、電機Z、電機U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，LM629內的位置寄存器會根據電機X、電機Z、電機U和電機Y的運行方向加一或者是減一；
(14)、光電編碼盤的位置信號A脈衝、B脈衝和Z脈衝同時為低電平時，就產生一個INDEX信號給LM629寄存器，記錄電機的絕對位置，然後換算成自動錫焊機器人在三維空間裡焊點的具體位置和出錫的實際長度；
(15)、DSP會根據自動錫焊機器人在三維空間裡焊點的具體位置與設定位置對比，經DSP計算後送相應的加速度、速度和位置數據等給LM629的梯形圖發生器作為參考值，由梯形圖計算出自動錫焊機器人需要更新的實際加速度、速度和位置信號； (16)、在錫焊過程中，如果圖像採集與處理模塊發現有任何位置的焊點出現質量問題，存儲器記錄下當前位置信息，然後DSP根據自動錫焊機器人在焊接部件的具體位置計算得到相應的加速度、速度和位置數據等並送給LM629的梯形圖發生器作為參考值，由梯形圖計算出自動錫焊機器人到達更新點需要的實際加速度、速度和位置信號，然後控制電機X、電機Y和電機U到達指定位置，然後DSP根據圖像採集結果控制電機Y對焊點進行修復，修復完成後再回到存儲器當初寄存下的位置，重新繼續原有的工作；
(17)、在錫焊過程中，如果圖像採集與處理模塊發現烙鐵頭存有大量的殘錫，存儲器記錄下當前位置信息，然後DSP根據自動錫焊機器人在焊接部件的具體位置，通過圖像採集與處理模塊幫助錫焊機器人移動到清洗處，然後清洗烙鐵，完畢後調取相應的位置信息，重新回到存儲焊點，重新開始新的工作；
(18)、在整個點焊過程中，由運動梯形圖發生器結合電機位置解碼器決定的數字PID控制器生成功率驅動橋需要的PWM波信號和電機正反轉信號，用來實現自動錫焊機器人系統電機X、電機Z、電機U和出錫系統電機Y的伺服控制；
(19)、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，LM629的中斷命令LPES將會向DSP發出中斷請求，此時DSP會立即控制LM629停止工作並存取下當期的焊點信息；
(20)、系統加入了從人機界面上設置的自動暫停點，如果在焊錫過程中讀到了自動暫停點，DSP會控制LM629以最大的加速度停車使加工過程出現自動暫停並存儲當前信息，直到控制器讀到再次按下「開始」按鈕才可以使LM629重新工作，並調取存儲信息使錫焊機器人從自動暫停點可以繼續工作；
(21)、自動錫焊機器人在運行過程中會時刻檢測電池電壓，當系統出現低壓時，傳感器會通知控制器開啟並發出報警提示，有效地保護了鋰離子電池；
(22)、當完成整個加工部件的錫焊運動後，電機Y會抽回已經移出錫線盒的焊錫，然後控制錫焊機器人走出運動軌跡；
(23)、錫焊機器人根據新的錫焊部件的具體位置重新設定位置零點，等待新的工作。本發明的有益效果是:本發明採用了基於DSP與LM629雙核控制器的全新控制模式，以LM629為處理核心，能夠實現數位訊號的實時處理，同時把DSP從複雜的工作中解脫出來，能夠實時進行數據交換和調用，實現了部分的信號處理算法和響應中斷，實現了數據通信和存儲實時信號，提高了系統的錫焊精度。


圖1是單片機控制的三自由度錫焊機器人的控制原理 圖2是本發明的基於DSP與LM629三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器的原理
圖3是本發明的基於DSP與LM629三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器的程序框
圖4是本發明的基於DSP與LM629三自由度中速全自動錫焊機器人的系統框 附圖中各部件的標記如下:1、DSP與LM629雙核控制器。
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。請參閱圖2至圖4，本發明實施例包括:
一種雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器，包括:DSP與LM629雙核控制器1、用於三自由度錫焊機器人伺服系統的電機U、電機Z和電機X、用於三自由度錫焊機器人出錫系統的電機Y、溫度檢測模塊和圖像採集與處理模塊。其中，所述電機為直流永磁伺服電機，所述直流永磁伺服電機上裝載有光電編碼盤。所述DSP與LM629雙核控制器I連接電機U、電機Z和電機X，所述DSP與LM629雙核控制器還連接電機Y，所述DSP與LM629雙核控制器I與溫度檢測模塊相互連接，所述DSP與LM629雙核控制器I與圖像採集與處理模塊相互連接。所述DSP與LM629雙核控制器I包括DSP數位訊號處理晶片和LM629精度運動控制晶片:
所述LM629精度運動控制晶片用於控制三自由度錫焊機器人的伺服系統和出錫系統，所述DSP數位訊號處理晶片用於控制人機界面、路徑讀取、軌跡參數預設、溫度檢測、圖像採集、數據存儲或I/O控制。隨著微電子技術和 計算機集成晶片製造技術的不斷發展和成熟，DSP數位訊號處理晶片由於其快速的計算能力，不僅廣泛應用於通信與視頻信號處理，也逐漸應用在各種高級的控制系統中。本發明中，所述DSP數位訊號處理晶片為TMS320F2812晶片。TMS320F2812是美國TI公司推出的C2000平臺上的定點32位晶片，適合用於工業控制、電機控制等，用途廣泛。其運行時鐘可達150MHz，處理性能可達150MIPS，每條指令周期6.67ns, I/O 口豐富，能夠滿足用戶一般的應用要求，具有兩個串口和十二位的(Γ3.3V的A/D轉換等。此外，它還具有片內128k*16位的片內FLASH，18k*16位的SRAM，一般的應用系統可以不要外擴存儲器，加上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。LM629是National semiconductor生產的一款用於精密運動控制的專用晶片，有24腳和28腳二種表面安裝式封裝，在一個晶片內集成了數字式運動控制的全部功能，使得設計一個快速、準確的運動控制系統的任務變得輕鬆、容易，它有以下特性:工作頻率為6MHz和8MHz，工作溫度範圍為_40°C +85°C，使用5V電源，使用32位的位置、速度和加速度存器，8位解析度的PWM脈寬調製輸出，16位可編程數字PID控制器，內部的運動梯形圖發生器和電機位置解碼器，該晶片可實時修改速度、目標位置和PID控制參數，實時可編程中斷，可編程微分項採樣間隔，對增量碼盤信號進行四倍頻，可設置於速度或位置伺服兩種工作狀態，這些特點使得LM629特別適合伺服運動控制中。本發明為了克服單一單片機不能滿足三自由度錫焊機器人行走的穩定性和快速性的要求，捨棄了國產自動錫焊機器人所採用的單一單片機工作模式，在吸收國外先進控制思想的前提下，自主發明了基於DSP與LM629的全新控制模式，控制板以LM629為處理核心，實現數位訊號的實時處理，把DSP從複雜的工作中解脫出來，實現部分的信號處理算法和LM629的控制邏輯，並響應中斷，實現數據通信和存儲實時信號。本發明為了提高運算速度，保證自動錫焊機器人的穩定性和可靠性，在基於DSP的控制器中引入了精密運動控制專用晶片LM629，形成基於DSP與LM629的全新控制器，此控制器充分考慮電池在這個系統的作用，把控制系統中工作量最大的三自由度錫焊機器人伺服系統和出錫量伺服系統電機X、電機Z、電機U和電機Y的控制交給LM629處理,充分發揮LM629數據處理速度相對較快的特點，而人機界面、路徑讀取、軌跡參數預設、溫度檢測、圖像採集、數據存儲、I/O控制等功能交給DSP完成，這樣就實現了 DSP與LM629的分工，同時二者之間也可以進行通訊，實時進行數據交換和調用。本發明中，對於包括LM629精度運動控制晶片和DSP數位訊號處理晶片的DSP與LM629雙核控制器I，其控制原理圖如圖2所示，控制過程為:
在電源打開的狀態下，烙鐵先自動加熱到一設定的恆定溫度，自動錫焊機器人進入自鎖狀態，電機X、電機Z和電機U工作將執行機構(包括烙鐵和出錫管)自動移動到初始化點，此時圖像採集與處理模塊開啟，自動校正出錫管與起始點的對準位置。自動錫焊機器人把儲存的實際路徑參數和焊點大小信息傳輸給控制器中的DSP，DSP把這些參數轉化為自動錫焊機器人在指定運動軌跡下電機X、電機Z、電機U和電機Y要運行的距離、速度和加速度，DSP然後與LM629通訊，由LM629根據這些參數再結合電機光電編碼盤處理電機X、電機Z、電機U和電機Y的伺服控制，並把處理數據通訊給DSP，系統時刻監控烙鐵溫度、焊錫機器人運行速度和圖像採集處理結果，更新出錫系統的預設參數。如圖3和圖4所示，本發明具體功能的實現步驟如下:
(1)、打開電源，自動傳送裝置把安裝在夾具上的加工部件自動傳送到工作區域；
(2)、在打開電源的瞬間DSP會對電源電壓的來源進行判斷:當確定是蓄電池供電時，如果電池電壓是低壓，將禁止所有的LM629工作，電機X、電機Z、電機U和電機Y都不能工作，同時電壓傳感器將工作，控制器發出低壓報警信號；
(3)、啟動三自由度錫焊機器人的自動控制程序，通過控制器的232串口輸入錫焊任
務;
(4)、電機X工作，將執行機構(包括烙鐵和出錫管)自動移動到初始化點，此時圖像採集與處理模塊開啟，自動校正出錫管與起始點的對準位置；
(5)、在點焊信號有效條件下，延時一定時間，使錫焊機器人準備開始工作；
(6)、為了能夠驅動單自由度自動錫焊機器人自動運動和自動控制出錫量的多少，本控制系統引入四片LM629，然後通過I/O 口與DSP進入實時通訊，由DSP控制其開通和關斷；
(7)、對於基於LM629的系統來說，「忙」狀態的檢測是整個伺服系統設計的首要部分，在每次運動之前先檢測此狀態位，判斷是否為「忙」，如果是「忙」要進行軟體復位，使系統可以進行數據通訊；
(8)、對於基於LM629的系統來說，復位也是LM629伺服系統操作中重要的一個環節，復位後查看LM629的狀態字，如果不等於84H或C4H，說明硬體復位失敗，必須重新復位,否則LM629不可以正常工作；
(9)、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焊點，並根據這些距離信息由DSP計算得到相對下一個三維空間焊點自動錫焊機器人電機X、電機Z和電機U要運行的距離、速度和加速度，DSP然後與LM629通訊，傳輸這些參數給LM629，然後由LM629生成電機X、電機Z和電機U速度運動梯形圖，這個梯形包含的面積就是錫焊機器人電機X、電機Z和電機U要運行的距離，然後再根據電機電流和光電編碼盤信息，生成控制電機X、電機Z和電機U運行的PWM波和運動方向信號；
(10)、當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行二次確認,然後轉化為出錫系統電機Y需要運行的距離、速度和加速度以及PID等預設參數，DSP把這些參數傳輸給出錫系統的LM629，然後由LM629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，然後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；
(11)、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一般把焊錫絲拉回一個小的距離，並記錄此值，然後電機Y立即自鎖，然後烙鐵和出錫系統一起在電機X的作用下向下一個錫焊點自動移動；
(12)、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，自動錫焊機器人的電機X、電機Z、電機U和出錫系統的電機Y將原地自鎖，防止誤操作；
(13)、裝載在電機X、電機Z、電機U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，LM629內的位置寄存器會根據電機X、電機Z、電機U和電機Y的運行方向加一或者是減一；
(14)、光電編碼盤的位置信號A脈衝、B脈衝和Z脈衝同時為低電平時，就產生一個INDEX信號給LM629寄存器，記錄電機的絕對位置，然後換算成自動錫焊機器人在三維空間裡焊點的具體位置和出錫的實際長度；
(15)、DSP會根據自動錫焊機器人在三維空間裡焊點的具體位置與設定位置對比，經DSP計算後送相應的加速度、速度和位置數據等給LM629的梯形圖發生器作為參考值，由梯形圖計算出自動錫焊機器人需要更新的實際加速度、速度和位置信號；
(16)、在錫焊過程中，如果圖像採集與處理模塊發現有任何位置的焊點出現質量問題，存儲器記錄下當前位置信息，然後DSP根據自動錫焊機器人在焊接部件的具體位置計算得到相應的加速度、速度和位置數據等並送給LM629的梯形圖發生器作為參考值，由梯形圖計算出自動錫焊機器人到達更新點需要的實際加速度、速度和位置信號，然後控制電機X、電機Y和電機U到達指定位置，然後DSP根據圖像採集結果控制電機Y對焊點進行修復，修復完成後再回到存儲器當初寄存下的位置，重新繼續原有的工作；
(17)、在錫焊過程中，如果圖像採集與處理模塊發現烙鐵頭存有大量的殘錫，存儲器記錄下當前位置信息，然後DSP根據自動錫焊機器人在焊接部件的具體位置，通過圖像採集與處理模塊幫助錫焊機器人移動到清洗處，然後清洗烙鐵，完畢後調取相應的位置信息，重新回到存儲焊點，重新開始新的工作；
(18)、在整個點焊過程中，由運動梯形圖發生器結合電機位置解碼器決定的數字PID控制器生成功率驅動橋需要的PWM波信號和電機正反轉信號，用來實現自動錫焊機器人系統電機X、電機Z、電機U和出錫系統電機Y的伺服控制；
(19)、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，LM629的中斷命令LPES將會向DSP發出中斷請求，此時DSP會立即控制LM629停止工作並存取下當期的焊點信息，不僅有效避免了電池大電流放電的發生，而且也保存了焊點數據，使得控制器排除故障接到重新啟動命令後可以繼續運行其剩餘的工作；
(20)、為了方便錫焊工作，系統加入了從人機界面上設置的自動暫停點，如果在焊錫過程中讀到了自動暫停點，DSP會控制LM629以最大的加速度停車使加工過程出現自動暫停並存儲當前信息，直到控制器讀到再次按下「開始」按鈕才可以使LM629重新工作，並調取存儲信息使錫焊機器人從自動暫停點可以繼續工作；
(21)、自動錫焊機器人在運行過程中會時刻檢測電池電壓，當系統出現低壓時，傳感器會通知控制器開啟並發出報警提示，有效地保護了鋰離子電池；
(22)、當完成整個加工部件的錫焊運動後，電機Y會抽回已經移出錫線盒的焊錫，然後控制錫焊機器人走出運動軌跡；
(23)、錫焊機器人根據新的錫焊部件的具體位置重新設定位置零點，等待新的工作。本發明雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器及方法的有益效果是:
一、由於引入了高速處理晶片DSP，相對於八位的單片機系統，DSP控制錫焊機器人系統的計算能力大大提高；
二、在錫焊開始前，開啟圖像採集與處理模塊，幫助電機X、電機Z和電機U自動移動錫焊機器人到達指定位置並校正，提聞了系統錫焊精度；
三、在運送過程中，充分考慮了電池在這個系統有中的作用，基於DSP與LM629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；
四、由LM629處理錫焊機器人的三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；
五、本發明基本實現全貼片元器件材料，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；
六、在錫焊過程中，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高低採集後傳送給DSP，DSP根據採集溫度、當前點焊運行速度以及圖像採集處理的結果，綜合計算後來調整送錫電機Y運行的速度大小；
七、在錫焊過程中，送錫長度控制自動調節，當錫焊完成一個焊點的焊接後，控制器立即調出存儲器中下一個三維空間裡焊點的信息，DSP可根據被焊物的焊點大小、當前焊錫機器人運行的速度以及圖像採集處理的結果綜合計算後來調整送錫電機Y運行的速度和距離；
八、在錫焊過程中，烙鐵頭恆溫可調，可根據實際工作速度需要以及圖像採集焊點的處理結果來調整烙鐵頭的溫度，工作溫度在200°C — 480°C之間調節，滿足錫焊機器人快速點焊時融化焊錫的要求；
九、在錫焊過程中，如果圖像採集發現烙鐵頭殘留焊錫過多，會自動暫停當前的點焊工作，保存當前信息，圖像採集幫助電機X、電機Z和電機U準確移動到烙鐵清洗處進行殘留焊錫處理，減少了殘留焊錫對焊接的影響；
十、在錫焊過程中，如果圖像採集發現有焊點出現質量問題，將儲存當前信息，然後運動到有質量問題的焊點進行二次處理，如果系統發現處理不了這個問題，將向人機界面輸入再次補焊信息，然後再次進入儲存位置，完成剩餘任務；
十一、為了提高運動速度和精度，錫焊機器人採用了帶有512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，效率也相對較聞;
十二、由於採用直流永磁伺服電機，使得調速範圍比較寬，調速比較平穩；
十三、由於本控制器採用LM629處理大量的數據與算法，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；
十四、控制電機運轉的PWM波，是LM629根據DSP的預設位置、速度和加速度參數以及光電編碼盤信息得到的，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；
十五、在控制過程中，DSP根據錫焊機器人外圍運行情況適時調整LM629內部的PID參數，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；
十六、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調取已經點焊好的路徑信息，然後可以輕易地從故障點二次點焊完成未完成的任務；
十七、LM629的PID控制機運動控制類指令採用雙緩衝結構，數據首先由DSP寫入主寄存器，只有在寫入相關命令後主寄存器的數據才能進一步裝入工作寄存器，這樣很容易實現三自由度伺服運動的任意控制；
十八、在整個錫焊過程中，控制器時刻在計算錫焊機器人運行速度、烙鐵頭溫度對出錫系統參數的影響，保證了出錫系統的可靠工作。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
1.一種雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器，其特徵在於，包括:DSP與LM629雙核控制器、用於三自由度錫焊機器人伺服系統的電機U、電機Z和電機X、用於三自由度錫焊機器人出錫系統的電機Y、溫度檢測模塊和圖像採集與處理模塊，所述DSP與LM629雙核控制器連接電機U、電機Z和電機X，所述DSP與LM629雙核控制器還連接電機Y，所述DSP與LM629雙核控制器與溫度檢測模塊相互連接，所述DSP與LM629雙核控制器與圖像採集與處理模塊相互連接。
2.根據權利要求1所述的雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器，其特徵在於，所述DSP與LM629雙核控制器包括DSP數位訊號處理晶片和LM629精度運動控制晶片，所述LM629精度運動控制晶片用於控制三自由度錫焊機器人的伺服系統和出錫系統，所述DSP數位訊號處理晶片用於控制人機界面、路徑讀取、軌跡參數預設、溫度檢測、圖像採集、數據存儲或I/o控制。
3.根據權利要求2所述的基雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器，其特徵在於，所述DSP數位訊號處理晶片為TMS320F2812晶片。
4.根據權利要求2所述的雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器，其特徵在於，所述LM629精度運動控制晶片包括運動梯形圖發生器和電機位置解碼器。
5.根據權利要求1所述的雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器，其特徵在於，所述電機為直流永磁伺服電機，所述直流永磁伺服電機上裝載有光電編碼盤。
6.一種雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器的方法，其特徵在於，包括如下步驟: (1)、打開電源，自動傳送裝 置把安裝在夾具上的加工部件自動傳送到工作區域； (2)、在打開電源的瞬間DSP會對電源電壓的來源進行判斷:當確定是蓄電池供電時，如果電池電壓是低壓，將禁止所有的LM629工作，電機X、電機Z、電機U和電機Y都不能工作，同時電壓傳感器將工作，控制器發出低壓報警信號； (3)、啟動三自由度錫焊機器人的自動控制程序，通過控制器的232串口輸入錫焊任務; (4)、電機X工作，將執行機構(包括烙鐵和出錫管)自動移動到初始化點，此時圖像採集與處理模塊開啟，自動校正出錫管與起始點的對準位置； (5)、在點焊信號有效條件下，延時一定時間，使錫焊機器人準備開始工作； (6)、本控制系統中引入四片LM629，然後通過I/O口與DSP進入實時通訊，由DSP控制其開通和關斷； (7)、對於基於LM629的系統來說，「忙」狀態的檢測是整個伺服系統設計的首要部分，在每次運動之前先檢測此狀態位，判斷是否為「忙」，如果是「忙」要進行軟體復位，使系統可以進行數據通訊； (8)、對於基於LM629的系統來說，復位也是LM629伺服系統操作中重要的一個環節，復位後查看LM629的狀態字，如果不等於84H或C4H，說明硬體復位失敗，必須重新復位,否則LM629不可以正常工作； (9)、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焊點，並根據這些距離信息由DSP計算得到相對下一個三維空間焊點自動錫焊機器人電機X、電機Z和電機U要運行的距離、速度和加速度，DSP然後與LM629通訊，傳輸這些參數給LM629，然後由LM629生成電機X、電機Z和電機U速度運動梯形圖，這個梯形包含的面積就是錫焊機器人電機X、電機Z和電機U要運行的距離，然後再根據電機電流和光電編碼盤信息，生成控制電機X、電機Z和電機U運行的PWM波和運動方向信號； (10)、當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行二次確認,然後轉化為出錫系統電機Y需要運行的距離、速度和加速度以及PID等預設參數，DSP把這些參數傳輸給出錫系統的LM629，然後由LM629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，然後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； (11)、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一般把焊錫絲拉回一個小的距離，並記錄此值，然後電機Y立即自鎖，然後烙鐵和出錫系統一起在電機X的作用下向下一個錫焊點自動移動； (12)、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，自動錫焊機器人的電機X、電機Z、電機U和出錫系統的電機Y將原地自鎖，防止誤操作； (13)、裝載在電機X、電機Z、電機U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，LM629內的位置寄存器會根據電機X、電機Z、電機U和電機Y的運行方向加一或者是減一； (14)、光電編碼盤的位置信號A脈衝、B脈衝和Z脈衝同時為低電平時，就產生一個INDEX信號給LM629寄存器，記錄電機的絕對位置，然後換算成自動錫焊機器人在三維空間裡焊點的具體位置和出錫的實際長度； (15)、DSP會根據自動錫焊機器人在三維空間裡焊點的具體位置與設定位置對比，經DSP計算後送相應的加速度、速度和位置數據等給LM629的梯形圖發生器作為參考值，由梯形圖計算出自動錫焊機器人需要更新的實際加速度、速度和位置信號； (16)、在錫焊過程中，如果圖像採集與處理模塊發現有任何位置的焊點出現質量問題，存儲器記錄下當前位置信息，然後DSP根據自動錫焊機器人在焊接部件的具體位置計算得到相應的加速度、速度和位置數據等並送給LM629的梯形圖發生器作為參考值，由梯形圖計算出自動錫焊機器人到達更新點需要的實際加速度、速度和位置信號，然後控制電機X、電機Y和電機U到達指定位置，然後DSP根據圖像採集結果控制電機Y對焊點進行修復，修復完成後再回到存儲器當初寄存下的位置，重新繼續原有的工作； (17)、在錫焊過程中，如果圖像採集與處理模塊發現烙鐵頭存有大量的殘錫，存儲器記錄下當前位置信息，然後DSP根據自動錫焊機器人在焊接部件的具體位置，通過圖像採集與處理模塊幫助錫焊機器人移動到清洗處，然後清洗烙鐵，完畢後調取相應的位置信息，重新回到存儲焊點，重新開始新的工作； (18)、在整個點焊過程中，由運動梯形圖發生器結合電機位置解碼器決定的數字PID控制器生成功率驅動橋需要的PWM波信號和電機正反轉信號，用來實現自動錫焊機器人系統電機X、電機Z、電機U和出錫系統電機Y的伺服控制； (19)、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，LM629的中斷命令LPES將會向DSP發出中斷請求，此時DSP會立即控制LM629停止工作並存取下當期的焊點信息； (20)、系統加入了從人機界面上設置的自動暫停點，如果在焊錫過程中讀到了自動暫停點，DSP會控制LM629以最大的加速度停車使加工過程出現自動暫停並存儲當前信息，直到控制器讀到再次按下「開始」按鈕才可以使LM629重新工作，並調取存儲信息使錫焊機器人從自動暫停點可以繼續工作； (21)、自動錫焊機器人在運行過程中會時刻檢測電池電壓，當系統出現低壓時，傳感器會通知控制器開啟並發出報警提示，有效地保護了鋰離子電池； (22)、當完成整個加工部件的錫焊運動後，電機Y會抽回已經移出錫線盒的焊錫，然後控制錫焊機器人走出運動軌跡； (23)、錫焊機器人根據新的錫焊部件的具體位置重新設定位置零點，等待新的工作。
全文摘要
本發明公開了一種雙核三自由度中速全自動錫焊機器人伺服控器及方法，在基於DSP的控制器中引入了精密運動控制專用晶片LM629，形成基於DSP與LM629的全新控制器，把控制系統中工作量最大的三自由度錫焊機器人伺服系統和出錫量伺服系統電機X、電機Z、電機U和電機Y的控制交給LM629處理，而人機界面、路徑讀取、軌跡參數預設、溫度檢測、圖像採集、數據存儲、I/O控制等功能交給DSP完成。通過上述方式，本發明能夠實現數位訊號的實時處理，同時把DSP從複雜的工作中解脫出來，能夠實時進行數據交換和調用，實現了部分的信號處理算法和響應中斷，實現了數據通信和存儲實時信號，提高了系統的錫焊精度。
文檔編號G05B19/19GK103197600SQ20131012903
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月15日 優先權日2013年4月15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