搜索移動(dòng)焊接機(jī)器人及混合控制
2013-05-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
焊接機(jī)器人是在工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)焊接設(shè)備,由于焊接過(guò)程中,工件有加工誤差、熱變形、定位誤差等各種影響因素,導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降,為保證焊接的可靠性,必須要進(jìn)行焊縫的自動(dòng)跟蹤。核心是開(kāi)發(fā)離性能的傳感器和有效的控制方法,近年來(lái),CCO傳感器和旋轉(zhuǎn)電弧傳感器已成為兩大主流傳感器;模糊控制和及其與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PIO結(jié)合的智能控制方法已成為主要的控制方法。
本文介紹適用于大型水平工件(包括小坡度工件)焊接的輪式爬行機(jī)器人的構(gòu)成及相關(guān)的控制方法。
1、焊接機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成
1.1硬件構(gòu)成
機(jī)器人系統(tǒng)由小車軍體、控制系統(tǒng)、信號(hào)采集及檢測(cè)電路、交直流電源四部份組成,配上直流弧焊電源、送絲機(jī)和保護(hù)氣體后就組成了一個(gè)完整的焊接機(jī)器人系統(tǒng)。
機(jī)器人本體包括移動(dòng)小車、十字滑塊及相應(yīng)的電機(jī)。機(jī)器人本體是一個(gè)基于汽車原理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),同時(shí)承擔(dān)負(fù)重功能。二個(gè)前輪由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向:二個(gè)后輪由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),提供整個(gè)系統(tǒng)前進(jìn)的動(dòng)力;十字滑塊曲直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)且配有限位開(kāi)關(guān)。線性滑軌和滾珠絲桿完成垂直方向和水平方向的精確運(yùn)動(dòng),可元級(jí)調(diào)速,有一定的負(fù)重能力和越位保護(hù)功能,能夠承載20kg的重量,能帶著焊槍快速移動(dòng),最高速度大于100mm/s同時(shí)十字滑快的行程大于60mm,從而保證整個(gè)系統(tǒng)在相當(dāng)區(qū)域內(nèi)有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
控制系統(tǒng)由研祥EVOC工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、GT-400-SVPCI運(yùn)動(dòng)控制卡、maxon直流伺服電機(jī)控制器、松下交流伺服電機(jī)控制器MSOA043A1A、美國(guó)IM483混合式步進(jìn)電機(jī)控制器,恒速旋轉(zhuǎn)控制卡、送絲控制繼電器組成。研祥工控機(jī)為Pentium N2.4.512M內(nèi)存,基于PICMG總線的卡式計(jì)算機(jī),其內(nèi)裝有AC1820AA/D高速數(shù)據(jù)采集卡和GT_400_sv_PCI運(yùn)動(dòng)控制卡。
信號(hào)采集系統(tǒng)及控制接口電路,ISA總線的C1820AA/D采集卡、YOH-HTD-7-300A霍爾電流傳感器組成。
控制電源及變壓器:包括直流5V、12V和交流24V幾個(gè)電壓等級(jí)。
機(jī)器人小車、十字滑塊及各控制卡在工控機(jī)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下,構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體,實(shí)物見(jiàn)圖1。
焊接電源和信號(hào)的檢測(cè)及相關(guān)的控制部件組成電弧傳感系統(tǒng),包括焊炬、直流焊接電源、霍爾電流傳感器、AID采樣器件、濾波和轉(zhuǎn)速控制電路。它是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵,完成測(cè)位、旋轉(zhuǎn)伺服控制和電流采樣的功能。為了確定焊炬旋轉(zhuǎn)時(shí)所處的位置及旋轉(zhuǎn)速度,在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中裝有一個(gè)同鈾的光電碼盤,其外圈有64個(gè)矩形槽、內(nèi)圈有1個(gè)矩形槽,當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),矩形槽交替地阻擋和允許從光電管中的發(fā)光管通往光敏接受管的光路,光敏管輸出脈沖信號(hào),反映旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)位置,用作AID采樣的觸發(fā)脈沖。
旋轉(zhuǎn)電機(jī)的控制一般采用PWM方式,具體的實(shí)現(xiàn)分為數(shù)字式和模擬式兩種。通過(guò)OSP進(jìn)行數(shù)字處理,計(jì)算出相應(yīng)的控制量后輸出到OAC7625,A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果經(jīng)過(guò)隔離放大后控制PWM模塊SG3525,這是一種數(shù)字式的控制方法,此外也有采用單片機(jī)的HSO或EPA的高速輸出功能,通過(guò)驅(qū)動(dòng)及光電隔離電路完成電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換后對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。
我們采用的是圖2所示的模擬電路的方法,原理是:焊炬旋轉(zhuǎn)的速度信號(hào)經(jīng)隔離放大后,送入LM2907進(jìn)行頻率/電壓轉(zhuǎn)換,其輸出為一個(gè)與轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的鋸齒波。此信號(hào)和調(diào)速旋鈕來(lái)的設(shè)定值分別輸入放大器的負(fù)、正輸入端,輸出的是PWM電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管IRE540的控制。
1.2焊縫跟蹤的實(shí)現(xiàn)
旋轉(zhuǎn)電弧傳感器將一周的焊炬運(yùn)動(dòng)離散為64個(gè)點(diǎn),經(jīng)過(guò)霍爾傳感器的采集之后送給島。轉(zhuǎn)換器件以提取各個(gè)點(diǎn)處的電流值。對(duì)這些電流值的分析得到當(dāng)前焊槍下的焊道的信息。當(dāng)焊縫的左右偏差和高低變化的數(shù)值計(jì)算出來(lái)后,通過(guò)固高公司的四軸運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)控制小車車體和十字滑塊的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)控制器的核心是ADSP2181數(shù)字信號(hào)處理器,實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算,包括實(shí)時(shí)軌跡規(guī)劃、位置、速度或加速度控制、主機(jī)命令處理和本身的I/O管理,實(shí)現(xiàn)焊縫的精確跟蹤。
2、控制設(shè)計(jì)
2.1控制方法
整個(gè)控制系統(tǒng)采用模糊控制、PI控制、bang-bang控制相結(jié)合的方法:設(shè)置二個(gè)不同的閥值,在誤差超過(guò)大闕值時(shí)用bang-bang控制;小于大闊值而大于小闕值時(shí)用FUZZY,在誤差接近O時(shí)采用PI方法,加入積分以最終消除誤差。
2.1.1模糊控制
當(dāng)小于大闕值而大于小闕值的時(shí)候,我們采用模糊控制,取偏差e和偏差的變化ec作為模糊控制的輸入量,經(jīng)模糊推理后得到輸出的控制量。
根據(jù)模糊控制規(guī)則表,制定出合適的論域,然后我們就可以用重心法解模糊求出控制量U。
2.1.2PI控制
當(dāng)系統(tǒng)的偏差很小時(shí)采用PI控制,取偏差e做為輸入量,則根據(jù)PI控制算法得到控制量U,控制量U的計(jì)算公式如下:
2.1.3bang-bang控制
當(dāng)系統(tǒng)的偏差很大時(shí)采用bang-bang控制,取偏差e和偏差的變化ec做為輸入量,根據(jù)bang-bang控制的算法,我們可以得到控制量U。
2.2控制器設(shè)計(jì)
2.2.1控制策略
由上述的測(cè)試數(shù)據(jù)可知:小車的反應(yīng)速度較慢,所以主要靠十字滑塊來(lái)進(jìn)行焊縫的精確、快速跟蹤,而利用小車進(jìn)行彎曲的焊縫跟蹤。根據(jù)引言中的分析,整個(gè)控制系統(tǒng)采用模糊控制、PI控制、bang-bang控制相結(jié)合的方法:設(shè)置二個(gè)不同的闕值,在誤差超過(guò)大闕值時(shí)用bang-bang控制;小于大闕值而大于小闕值時(shí)用FUZZY,在誤差接近O時(shí)采用PI方法,加入積分以最終消除誤差。流程圖如圖3。
2.2.2控制器結(jié)構(gòu)
3、結(jié)束語(yǔ)
設(shè)計(jì)了FUZZY、FUZZY-P及FUZZY-PI等多種控制方法,在水平直線V字焊縫,Z型V字焊縫上進(jìn)行了多次試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器能夠較好地進(jìn)行彎曲焊縫的跟蹤,試驗(yàn)說(shuō)明了此類機(jī)器人工作是可靠、靈活的,有較好的應(yīng)用前景。
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