專利名稱：一種四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及錫焊機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
眾所周知，錫焊加工是一種勞動(dòng)條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn)性高的工作，還要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平。同時(shí)焊接工的焊接技能、焊接速度和情緒波動(dòng)對焊接質(zhì)量有一定影響，也無法量化每天使用焊接輔料，因此對工廠來說人工極大的提高了生產(chǎn)成本并延長了焊接時(shí)間,這使新型的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)將成為新世紀(jì)接受市場挑戰(zhàn)的重要方式。一般錫焊加工需要四自由度錫焊機(jī)器人，一臺完整的四自由度錫焊機(jī)器人基本包括電機(jī)、算法和微處理器幾個(gè)部分，但現(xiàn)有的自動(dòng)錫焊機(jī)器人長時(shí)間運(yùn)行存在著很多安全問題:
(I)在錫焊初期，都是人工運(yùn)動(dòng)把錫焊機(jī)器人推到起始位置，僅僅依靠人眼進(jìn)行初始位置的校正，使得精確度大大降低。(2)作為自動(dòng)錫焊機(jī)器人的電源采用的是一般交流電源整流后的直流電源，當(dāng)突然停電時(shí)會(huì)使整個(gè)點(diǎn)焊運(yùn)動(dòng)失敗。(3)作為錫焊機(jī)器人的主控芯片，采用的多是8位的單片機(jī)，計(jì)算能力不夠，導(dǎo)致焊接系統(tǒng)運(yùn)行速度較慢。由于受單片機(jī)容量和算法影響，普通錫焊機(jī)器人對已經(jīng)經(jīng)過的焊接點(diǎn)信息沒有存儲(chǔ)，當(dāng)遇到掉電情況或故障重啟時(shí)所有的信息將消失，這使得整個(gè)錫焊過程要重新開始或者人工更新路徑信息。(4)對于速度響度·較快的基于微處理器和專用運(yùn)動(dòng)控制芯片的控制模式，先有微處理器根據(jù)預(yù)設(shè)位置計(jì)算出電機(jī)需要的各種預(yù)設(shè)，再送給專用芯片進(jìn)行二次計(jì)算生成控制電機(jī)的PWM波信號。雖然這類運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)簡單、可靠性高，但是由于有微處理器軟件參與系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的部分計(jì)算，使得系統(tǒng)計(jì)算速度一般也不是很高，而且由于采用了專用的運(yùn)動(dòng)控制芯片，無法進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，也無法實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制算法。(5)在基于微處理器和專用運(yùn)動(dòng)控制芯片的控制模式中，一般需要一個(gè)專用控制芯片控制一個(gè)電機(jī)，會(huì)占用大量的微處理器口地址，對于多軸運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)來說，要用到復(fù)雜的控制技術(shù)才可以實(shí)現(xiàn)。(6)作為自動(dòng)錫焊機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)常會(huì)遇到丟失脈沖的問題出現(xiàn)，導(dǎo)致對位置的記憶出現(xiàn)錯(cuò)誤。步進(jìn)電機(jī)使得機(jī)體發(fā)熱比較嚴(yán)重，有的時(shí)候需要進(jìn)行散熱。步進(jìn)電機(jī)會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械噪聲大大增加，不利于環(huán)境保護(hù)。步進(jìn)電機(jī)一般都是多相結(jié)構(gòu)，控制電路需要采用多個(gè)功率管，使得控制電路相對比較復(fù)雜，并且增加了控制器價(jià)格。步進(jìn)電機(jī)使得系統(tǒng)一般不適合在高速運(yùn)行，力矩相對較小。容易控制不當(dāng)，導(dǎo)致有的時(shí)候步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生共振。(8)在焊接的時(shí)候雖然可根據(jù)被焊物體的焊點(diǎn)大小來調(diào)整送錫量的大小，但是沒有考慮焊點(diǎn)的溫度，導(dǎo)致焊點(diǎn)不一致。在錫焊過程中，忽略了對烙鐵頭的清洗，經(jīng)常導(dǎo)致因?yàn)闅埩艉稿a而產(chǎn)生焊接不良或焊點(diǎn)污穢的情況發(fā)生。(9)在所有的錫焊過程中，沒有對點(diǎn)焊過的結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)觀測和補(bǔ)償，有的時(shí)候使得整個(gè)曲線上焊錫量不一致，需要采用人工二次修補(bǔ)。(10)對于四自由度錫焊機(jī)器人的點(diǎn)焊過程來說，一般要求控制其軌跡運(yùn)動(dòng)的四個(gè)電機(jī)的PWM控制信號要同步，由于受單片機(jī)計(jì)算能力的限制，單一單片機(jī)伺服系統(tǒng)很難滿足這一條件。(11)由于大量采用體積較大的插件元器件，使得伺服控制器的體積較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，所述伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、處理速度快、穩(wěn)定可靠。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是:提供一種四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，包括電源模塊、控制模塊、4個(gè)電機(jī)、動(dòng)作模塊和圖像采集模塊，所述電源模塊與所述控制模塊連接，所述控制模塊包括基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片和數(shù)字信號處理芯片，所述基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片生成速度梯形圖，再與所述電源模塊產(chǎn)生的電流結(jié)合生成脈沖寬度調(diào)制波信號并發(fā)送給所述4個(gè)電機(jī)，所述4個(gè)電機(jī)與所述動(dòng)作模塊連接，所述數(shù)字信號處理芯片通過所述圖像采集模塊與所述動(dòng)作模塊上的點(diǎn)焊位置連接。在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述電源模塊為蓄電池或交流電源。在本發(fā)明一個(gè)較佳 實(shí)施例中，所述伺服控制系統(tǒng)還包括第五電機(jī)和出錫模塊,所述第五電機(jī)與所述出錫模塊連接。在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述4個(gè)電機(jī)為永磁直流伺服電機(jī)，所述永磁直流伺服電機(jī)中包括512線光電編碼盤。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，自動(dòng)化程度和運(yùn)算精度大大提高，定位極其精確，能很好的提高機(jī)器人的錫焊效率，滿足了四自由度伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)同步控制的要求以及出錫系統(tǒng)的全數(shù)字控制，減少了專用運(yùn)動(dòng)芯片所占用的空間，有利于向微型化方向發(fā)展。


圖1是本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)中錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)的原理 圖2是本發(fā)明四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)一較佳實(shí)施例的原理 圖3是圖2中所述四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)的程序框 圖4是圖2中所述四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)的速度運(yùn)動(dòng)曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。數(shù)字信號處理芯片(DSP)具有快速的計(jì)算能力，其中TMS320F2812是美國TI公司推出的C2000平臺上的定點(diǎn)32位DSP芯片。DSP運(yùn)行時(shí)鐘可達(dá)150MHz，處理性能可達(dá)150MIPS，每條指令周期6.67ns，IO 口豐富，對用戶的一般應(yīng)用足夠，具有12位的0 3.3v的AD轉(zhuǎn)換、128kX 16位的片內(nèi)FLASH和18KX 16位的SRAM，一般的應(yīng)用系統(tǒng)可以不要外擴(kuò)存儲(chǔ)器。具有獨(dú)立的算術(shù)邏輯單元，擁有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力。此外，大容量的RAM被集成到該芯片內(nèi)，可以極大地簡化外圍電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，也大大提高了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理能力?；诂F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)雖然只是標(biāo)準(zhǔn)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(jù)自己的設(shè)計(jì)需要，通過特定的布局布線工具對其內(nèi)部進(jìn)行重新組合連接，在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出自己的專用集成電路，這樣就減小成本、縮短開發(fā)周期。由于FPGA采用軟件化的設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)，這樣就使得基于FPGA設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的可復(fù)用和修改性。請參閱圖2，本發(fā)明提供一種四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，包括電源模塊、控制模塊、電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U、電機(jī)R、電機(jī)Y、動(dòng)作模塊和圖像采集模塊。所述電源模塊與所述控制模塊連接，所述電源模塊采用蓄電池和交流電源共用。所述控制模塊包括基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片和數(shù)字信號處理芯片，所述基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片生成速度梯形圖，再與所述電源模塊產(chǎn)生的電流結(jié)合生成脈沖寬度調(diào)制波信號并發(fā)送給所述電機(jī)X、所述電機(jī)Z、所述電機(jī)U和所述電機(jī)R，所述電機(jī)X、所述電機(jī)Z、所述電機(jī)U和所述電機(jī)R與所述動(dòng)作模塊連接，所述數(shù)字信號處理芯片通過所述圖像采集模塊與所述動(dòng)作模塊上的點(diǎn)焊位置連接。所述電機(jī)Y與所述出錫模塊連接控制出錫量。所述5個(gè)電機(jī)為永磁直流伺服電機(jī)，所述永磁直流伺服電機(jī)中包括 512線光電編碼盤。請參閱圖3和圖4，所述四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)具體的功能實(shí)現(xiàn)為:
(O打開電源，自動(dòng)傳送裝置把安裝在夾具上的需要點(diǎn)焊部件自動(dòng)傳送到工作區(qū)域。(2)在打開電源瞬間DSP會(huì)對電源電壓來源進(jìn)行判斷，當(dāng)確定是蓄電池供電時(shí)，如果電池電壓低壓的話，將封鎖FPGA的PWM波輸出，此時(shí)電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U、電機(jī)R和電機(jī)Y不能工作，同時(shí)電壓傳感器將工作，雙核控制器會(huì)發(fā)出低壓報(bào)警信號，人機(jī)界面提示更換電池。(3 )啟動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)控制程序，通過控制器的USB接口通過人機(jī)界面輸入任務(wù)。系統(tǒng)自動(dòng)打開烙鐵電源對其加熱至某一個(gè)設(shè)定的恒定溫度，電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R工作將烙鐵頭和出錫管自動(dòng)移動(dòng)到廢錫回收處，打開電機(jī)Y出錫測試?yán)予F溫度，等測試完畢后電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R自動(dòng)移動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)到起始點(diǎn)，此時(shí)圖像采集系統(tǒng)開啟，自動(dòng)校正出錫管與起始點(diǎn)的對準(zhǔn)位置，控制器時(shí)刻檢測烙鐵溫度，防止過高或過低引起焊接不良。(4)在系統(tǒng)正常工作條件下，DSP調(diào)出錫焊機(jī)器人需要行走的路徑參數(shù)和焊點(diǎn)信息，傳輸給FPGA，由FPGA根據(jù)模糊規(guī)則生成錫焊機(jī)器人開始工作的梯形運(yùn)動(dòng)曲線，保證錫焊機(jī)器人根據(jù)外圍的點(diǎn)焊速度平穩(wěn)的加速和平穩(wěn)的減速。(5)由FPGA生成控制四自由度伺服電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R運(yùn)動(dòng)的PWM波，以及出錫系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)Y的PWM波，但是FPGA通過I/O 口與DSP進(jìn)入實(shí)時(shí)通訊，由DSP控制其PWM波形的輸出和封鎖。
(6)在自動(dòng)錫焊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，DSP會(huì)時(shí)刻儲(chǔ)存所經(jīng)過的距離或者是經(jīng)過的四維空間焊點(diǎn)信息，并根據(jù)這些信息確定對下一個(gè)四維工作點(diǎn)自動(dòng)錫焊機(jī)器人電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R要運(yùn)行的距離，DSP與FPGA通訊，傳輸距離參數(shù)、焊點(diǎn)信息和需要運(yùn)行速度給FPGA，再由FPGA根據(jù)模糊控制原理生成控制電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R運(yùn)動(dòng)的速度梯形圖，梯形圖包含的面積就是自動(dòng)錫焊機(jī)器人電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R要運(yùn)行的距離，速度梯形圖再結(jié)合電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R的電流和光電編碼盤信息生成控制各個(gè)電機(jī)行走的PWM波和運(yùn)動(dòng)方向。(7)當(dāng)電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R自動(dòng)推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)預(yù)定焊點(diǎn)位置后，烙鐵在設(shè)定時(shí)間內(nèi)開始對焊點(diǎn)進(jìn)行加熱，在加熱期間，DSP會(huì)對焊點(diǎn)信息和烙鐵溫度進(jìn)入二次確認(rèn)，根據(jù)模糊規(guī)則轉(zhuǎn)化為出錫系統(tǒng)電機(jī)Y需要運(yùn)行的距離等參數(shù)，DSP把這些參數(shù)傳輸給FPGA，由FPGA根據(jù)模糊控制原理生成出錫系統(tǒng)電機(jī)Y的速度運(yùn)動(dòng)梯形圖，這個(gè)梯形包含的面積就是錫焊機(jī)器人出錫系統(tǒng)電機(jī)Y要運(yùn)行的距離，然后再根據(jù)電機(jī)Y的電流和光電編碼盤信息生成控制電機(jī)Y運(yùn)行的PWM波和運(yùn)動(dòng)方向信號。(8)當(dāng)完成出錫系統(tǒng)的伺服后，為了防止烙鐵溫度過高引起焊錫的再次融化，電機(jī)Y—般把焊錫絲拉回一個(gè)小的距離，并記錄此值，然后立即自鎖。烙鐵和出錫系統(tǒng)一起在電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R的作用下向下一個(gè)四維空間里的錫焊點(diǎn)移動(dòng)。(9)在運(yùn)動(dòng)過程中如果自動(dòng)錫焊機(jī)器人發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)距離或者是出錫伺服系統(tǒng)求解出現(xiàn)死循環(huán)將向DSP發(fā)出中斷請求，DSP會(huì)對中斷做第一時(shí)間響應(yīng)，如果DSP的中斷響應(yīng)沒有來得及處理，自動(dòng)錫焊機(jī)器人的電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U、電機(jī)R和出錫系統(tǒng)的電機(jī)Y將原地自鎖，防止誤操作。(10)裝在電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U、電機(jī)R和電機(jī)Y上的光電編碼盤會(huì)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脈沖和B脈沖邏輯狀態(tài)每變化一次，F(xiàn)PGA內(nèi)的位置寄存器會(huì)根據(jù)電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U、電機(jī)R和電機(jī)Y的運(yùn)行方向加I或者是減I。光電編碼盤的位置信號A脈沖和B脈沖和Z脈沖同時(shí)為低電平時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)INDEX信號給FPGA寄存器，記錄電機(jī)的絕對位置，換算成自動(dòng)錫焊機(jī)器人在四維空間里焊點(diǎn)的具體位置和出錫的實(shí)際長度。(11)在運(yùn)動(dòng)過程中，如果DSP收到了高速點(diǎn)焊命令，DSP會(huì)第一時(shí)間響應(yīng)，控制器根據(jù)高速點(diǎn)焊的速度計(jì)算后立即提升烙鐵溫度到達(dá)某一個(gè)恒定溫度，再根據(jù)自動(dòng)錫焊機(jī)器人在四維點(diǎn)焊部件的具體位置和應(yīng)該存在的位置，送相應(yīng)的位置數(shù)據(jù)等給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)外圍傳感信號自動(dòng)調(diào)取其內(nèi)部相應(yīng)的PID調(diào)節(jié)模式，由FPGA根據(jù)模糊控制原理計(jì)算出自動(dòng)錫焊機(jī)器人電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)R和出錫系統(tǒng)電機(jī)Y需要更新的PWM控制信號，控制機(jī)器人高速點(diǎn)焊狀態(tài)，并加大烙鐵溫度，溫度檢測時(shí)刻檢測其數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償，保證高速點(diǎn)焊溫度的要求。(12)在點(diǎn)焊過程中，如果圖像采集系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有任何位置的焊點(diǎn)出現(xiàn)問題，存儲(chǔ)器會(huì)記錄下當(dāng)前焊點(diǎn)在四維空間里的位置信息，DSP根據(jù)自動(dòng)錫焊機(jī)器人在焊接部件的具體位置，送相應(yīng)的位置數(shù)據(jù)等信息給FPGA，由FPGA結(jié)合各個(gè)外圍傳感器參數(shù)根據(jù)模糊控制規(guī)則生成自動(dòng)錫焊機(jī)器人到達(dá)更新點(diǎn)需要的實(shí)際加速度、速度和位置信號，控制電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)R和電機(jī)U到達(dá)指定位置，開啟圖像采集利用電機(jī)Y對焊點(diǎn)進(jìn)行二次點(diǎn)焊補(bǔ)償，再回到存儲(chǔ)器當(dāng)初寄存下 的四維控制位置，重新繼續(xù)原有的工作。
(13)如果自動(dòng)錫焊機(jī)器人在運(yùn)行過程中遇到突然斷電，蓄電池會(huì)自動(dòng)開啟立即對錫焊機(jī)器人進(jìn)行供電，當(dāng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)電流超過設(shè)定值時(shí)，此時(shí)控制器會(huì)立即封鎖FPGA的PWM波輸出，電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U、電機(jī)R和電機(jī)Y停止工作，從而有效地避免了電池大電流放電的發(fā)生。(14)為了方便點(diǎn)焊工作系統(tǒng)加入了自動(dòng)暫停點(diǎn)，如果在錫焊過程中讀到了自動(dòng)暫停點(diǎn)，DSP會(huì)通知FPGA生成的PWM波使機(jī)器人伺服電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R以最大的加速度停車，而電機(jī)Y自鎖，并存儲(chǔ)當(dāng)前信息，直到控制器讀到再次按下“開始”按鈕信息才可以使FPGA重新工作，并調(diào)取存儲(chǔ)信息使錫焊機(jī)器人從自動(dòng)暫停點(diǎn)可以繼續(xù)工作。(15)在錫焊過程中，如果圖像采集系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)烙鐵頭存有大量的殘留焊錫，DSP會(huì)通知FPGA生成的PWM波使機(jī)器人伺服電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R停車，而電機(jī)Y自鎖，存儲(chǔ)器記錄下當(dāng)前位置信息，DSP會(huì)根據(jù)自動(dòng)錫焊機(jī)器人在焊接部件的具體位置，通過圖像采集裝置幫助電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R自動(dòng)移動(dòng)錫焊機(jī)器人到清洗處，清洗烙鐵，完畢后調(diào)取存儲(chǔ)的四維空間里相應(yīng)的位置信息，重新回到存儲(chǔ)焊點(diǎn)，開始新的工作。(16)在運(yùn)動(dòng)過程中，如果檢測到任何一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)脈動(dòng)，F(xiàn)PGA會(huì)自動(dòng)對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，減少了電機(jī)轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)對錫焊過程的影響。(17)自動(dòng)錫焊機(jī)器人在運(yùn)行過程會(huì)時(shí)刻檢測電池電壓，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)低壓時(shí)，傳感器會(huì)通知DSP開啟并發(fā)出報(bào)警提示，有效地保護(hù)了鋰離子電池。(18)當(dāng)完成整個(gè)加工部件的錫焊運(yùn)動(dòng)后，電機(jī)Y—般把焊錫絲拉回一個(gè)小的距離，并記錄此值，再立即自鎖，經(jīng)過一個(gè)小的延時(shí)，電機(jī)X、電機(jī)Z、電機(jī)U和電機(jī)R幫助錫焊機(jī)器人走出運(yùn)動(dòng)軌跡。錫焊機(jī)器人重新設(shè)定位置零點(diǎn)，等待下一周期的任務(wù)。本發(fā)明揭示的四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)具有的有益效果為:
(I)加入了圖形采集處理模塊，可以幫助自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)初始化定位和發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，自動(dòng)化程度大大提高。在初期運(yùn)動(dòng)過程中，由自動(dòng)裝置把錫焊機(jī)器人推到初始位置，然后圖像采集系統(tǒng)開啟，幫助出錫管對準(zhǔn)初始位置，使得初始位置定位極其精確。(2)由于采用高性能的DSP，使得系統(tǒng)處理速度大大增加，可以很好滿足點(diǎn)焊系統(tǒng)快速性的要求。由FPGA處理錫焊機(jī)器人的兩自由度錫焊機(jī)器人伺服和出錫系統(tǒng)的伺服控制，一方面把DSP從復(fù)雜的伺服算法中解脫出來，大大提高了運(yùn)算速度，另外一方面也使得控制器設(shè)計(jì)比較簡單，縮短了開發(fā)周期短。(3)在運(yùn)動(dòng)過程中，充分考慮了電池在這個(gè)系統(tǒng)中的作用，基于DSP和FPGA雙核控制器時(shí)刻都在對自動(dòng)錫焊機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和運(yùn)算，當(dāng)遇到交流電源斷電時(shí)，鋰離子電池會(huì)立即提供能源，避免了自動(dòng)錫焊系統(tǒng)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的失敗，并且在電池提供電源的過程中，時(shí)刻對電池的電流進(jìn)行觀測并保護(hù)，避免了大電流的產(chǎn)生，所以從根本上解決了大電流對鋰離子電池的沖擊。(4)采用全貼片元器件材料，實(shí)現(xiàn)了單板控制，不僅節(jié)省了控制板占用空間，而且有利于錫焊機(jī)器人體積和重量的減輕。(5)在錫焊過程，送錫速度控制可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，溫度傳感器把烙鐵頭的工作溫度采集后傳送給DSP，DSP再把溫度、當(dāng)前點(diǎn)焊運(yùn)行的速度送給FPGA，由FPGA來完成送錫電機(jī)Y的速度閉環(huán)控制。 (6)在錫焊過程，送錫長度控制可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)錫焊機(jī)器人完成一個(gè)焊點(diǎn)的焊接后，控制器立即調(diào)出存儲(chǔ)器中下一個(gè)焊點(diǎn)的信息，DSP把被焊物的焊點(diǎn)大小、當(dāng)前焊錫機(jī)器人運(yùn)行的速度送給FPGA，然后由FPGA來完成送錫電機(jī)Y的伺服閉環(huán)控制。(7)在錫焊過程中，烙鐵頭恒溫可調(diào)，可根據(jù)實(shí)際工作速度需要，工作溫度在200 0C -480 0C之間調(diào)節(jié)，滿足高速運(yùn)轉(zhuǎn)融化焊錫需要。(8)采用了帶有1024線光電編碼盤的直流永磁伺服電機(jī)替代了傳統(tǒng)系統(tǒng)中常用的步進(jìn)電機(jī)，使得運(yùn)算精度大大提聞，效率也相對較聞。直流永磁伺服電機(jī)使得調(diào)速范圍比較寬，調(diào)速比較平穩(wěn)。(9) FPGA根據(jù)DSP發(fā)出的位置信息，結(jié)合永磁直流伺服電機(jī)的電流和光電編碼盤信號生成控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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(tǒng)的調(diào)試簡單。在控制中，F(xiàn)PGA根據(jù)機(jī)器人外圍運(yùn)行情況適時(shí)調(diào)整其內(nèi)部的PID參數(shù)，輕松實(shí)現(xiàn)分段P、PD、PID控制和非線性PID控制，使系統(tǒng)滿足快速運(yùn)行時(shí)速度的切換。(10)由于具有存儲(chǔ)功能，這使得錫焊機(jī)器人掉電后或遇到故障重啟時(shí)系統(tǒng)可以輕易的調(diào)取已經(jīng)點(diǎn)焊好的路徑信息，也可以輕易的從故障點(diǎn)二次點(diǎn)焊完成未完成的任務(wù)。(11)由于FPGA內(nèi)集成了五路伺服系統(tǒng)PWM生成電路，不僅滿足了四軸伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)同步控制的要求以及出錫系統(tǒng)的全數(shù)字控制，而且也減少了專用運(yùn)動(dòng)芯片所占用的空間，有利于控制器微型化方向發(fā)展。為了能夠使電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)和停車，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)其速度梯形圖算法時(shí)引入了模糊控制原理，使系統(tǒng)性能更優(yōu)
(12)在整個(gè)錫焊過程中，加入了暫停點(diǎn)設(shè)定，這樣有利于在運(yùn)動(dòng)過程中清洗烙鐵頭機(jī)構(gòu)，減少因?yàn)槔予F頭上的殘留焊錫而產(chǎn)生焊接不良或是焊點(diǎn)污穢的問題發(fā)生。(13)在整個(gè)錫焊過程中，充分考慮了錫焊機(jī)器人的運(yùn)行速度和烙鐵頭溫度對出錫系統(tǒng)參數(shù)的影響，保證了焊接過程的完成。如果圖像采集系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有任何位置或任何錫焊點(diǎn)出現(xiàn)問題，控制器會(huì)對上述位置或焊點(diǎn)進(jìn)行二次修補(bǔ)。以上所述 僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，包括電源模塊、控制模塊、4個(gè)電機(jī)、動(dòng)作模塊和圖像采集模塊，所述電源模塊與所述控制模塊連接，所述控制模塊包括基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片和數(shù)字信號處理芯片，所述基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片生成速度梯形圖，再與所述電源模塊產(chǎn)生的電流結(jié)合生成脈沖寬度調(diào)制波信號并發(fā)送給所述4個(gè)電機(jī)，所述4個(gè)電機(jī)與所述動(dòng)作模塊連接，所述數(shù)字信號處理芯片通過所述圖像采集模塊與所述動(dòng)作模塊上的點(diǎn)焊位置連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電源模塊為蓄電池或交流電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，所述伺服控制系統(tǒng)還包括第五電機(jī)和出錫模塊，所述第五電機(jī)與所述出錫模塊連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，所述4個(gè)電機(jī)為永磁直流 伺服電機(jī)，所述永磁直流伺服電機(jī)中包括512線光電編碼盤。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，包括電源模塊、控制模塊、4個(gè)電機(jī)、動(dòng)作模塊和圖像采集模塊，電源模塊與控制模塊連接，控制模塊包括基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片和數(shù)字信號處理芯片，基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片生成速度梯形圖，再與電源模塊產(chǎn)生的電流結(jié)合生成脈沖寬度調(diào)制波信號并發(fā)送給4個(gè)電機(jī)，4個(gè)電機(jī)與動(dòng)作模塊連接，數(shù)字信號處理芯片通過圖像采集模塊與動(dòng)作模塊上的點(diǎn)焊位置連接。通過上述方式，本發(fā)明提供的一種四自由度高速錫焊機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，自動(dòng)化程度和運(yùn)算精度大大提高，定位極其精確，能很好的提高機(jī)器人的錫焊效率，滿足了控制要求及出錫系統(tǒng)的全數(shù)字控制，有利于向微型化方向發(fā)展。
文檔編號B25J9/18GK103240741SQ20131018322
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月17日
發(fā)明者張好明, 王應(yīng)海 申請人:蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院