1．系統(tǒng)概述：
以工控機為核心，結(jié)合現(xiàn)有使用的控制系統(tǒng)及交流變頻器和伺服電機的種類，針對焊接機器人用數(shù)控焊接變位機的控制問題，應(yīng)用研華三軸運動控制卡PCL-832作為控制核心，建立了機器人用數(shù)控焊接變位機的高精度控制系統(tǒng)。 研究分析了焊接變位機的位置控制精度、速度和運動軌跡的控制過程，給出了負(fù)載變化和速度變化的位置控制結(jié)果，其結(jié)果滿足與弧焊機器人配合使用的精度要求。 2．系統(tǒng)配置：
基于多軸運動控制卡的伺服控制系統(tǒng)硬件組成如圖1所示：
系統(tǒng)包括：
1）PC總線工控機。選用基于ＰＣ總線的工控機IPC-610，該機擁有標(biāo)準(zhǔn)16位數(shù)據(jù)總線及組態(tài)靈活的板塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要配置板卡。
2）三軸交流伺服運動控制卡。三軸交流伺服運動控制卡PCL-832集成了碼盤計數(shù)器和12位的Ｄ/Ａ輸出，使用數(shù)字微分分析技術(shù)DDA(Digital Differential Analysis)，實現(xiàn)了高精度位置控制。特殊設(shè)計的同步信號保證三軸的同步控制，可以完成三軸線性插補或兩軸圓弧插補計算，1ms伺服控制更新，12位模擬量輸出，滿刻度為±10Ｖ。能夠?qū)崿F(xiàn)精確位置控制，而且每軸都有其獨立的位置控制芯片，可以實現(xiàn)三臺交流伺服電機的完全獨立控制。本文的數(shù)控焊接變位機系統(tǒng)僅使用了其中的兩個通道。
3）開關(guān)量輸入/輸出板。開關(guān)量輸入/輸出板包括PCL-724和PCLD-885。本系統(tǒng)選用的PCL- 724是數(shù)字I/O卡，24通道，實現(xiàn)內(nèi)置PLC功能。通過它與機器人通訊，驅(qū)動PCLD-885繼電器輸出板實現(xiàn)繼電輸出功能，主要用于與外部焊接控制器、傳感器的通訊、控制器面板指示燈開滅以及錯誤報警等。
4）伺服驅(qū)動裝置、位置檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)和氣缸定位裝置。 3．控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 位置控制過程
1）數(shù)字微分分析(DDA)
DDA插補控制過程是PCL-832卡工作的核心，見圖2。為了協(xié)調(diào)控制多軸伺服系統(tǒng)，各軸同時從t1時刻開始發(fā)送位置控制給定信號，同時在t2時刻結(jié)束給定信號的發(fā)送。t1與t2之間的時間區(qū)間定義為一個DDA循環(huán)。循環(huán)時間由軟件設(shè)定。
DDA循環(huán)中的每一個脈沖代表伺服電機轉(zhuǎn)動ｎ度，即代表一個位置給定。可以在軟件中動態(tài)地設(shè)定每個DDA循環(huán)中的脈沖數(shù)，每個DDA循環(huán)中的脈沖總數(shù)就反映了在該循環(huán)中位置改變的總量。對交流變頻器連續(xù)的脈沖輸出，在宏觀上表現(xiàn)為平穩(wěn)的位置改變。將脈沖發(fā)往ＣＭＤ+或ＣＭＤ-通道決定了電機的轉(zhuǎn)向，以上的所有工作均由卡上內(nèi)置的運動ＤＳＰ芯片完成，僅需在一個DDA循環(huán)開始前將位置信息寫入運動控制芯片的緩沖區(qū)而已。
DDA循環(huán)時間代表了控制脈沖序列的開始與結(jié)束時間段，為了保證多軸的協(xié)調(diào)控制，所有的軸使用了同一個DDA循環(huán)時間。軟件設(shè)定DDA循環(huán)時間可由以下公式(1)計算：
DDA循環(huán)時間=0.512ms×寄存器中預(yù)設(shè)置 (1)寄存器中的預(yù)設(shè)置可以通過向DDA寄存器的地址中寫入值的方法實現(xiàn)，由于DDA寄存器是12位寄存器，因此寫入的最大值為4095，而最小值規(guī)定為2。根據(jù)式(1)，可知DDA循環(huán)時間的設(shè)置范圍為1～2000ｍｓ。DDA循環(huán)時間越短，則控制軟件的實時性越好，但如果DDA循環(huán)時間取得太小，其ＣＰＵ占用率太高，則其它實時控制模塊無法正常運行，故各實時任務(wù)的執(zhí)行頻率應(yīng)依據(jù)其優(yōu)先級和最壞情況下的運行時間來選取。
2）位置閉環(huán)控制過程 PCL-832卡使用比例閉環(huán)控制獲得可靠的控制效果。卡中內(nèi)建了速度反饋環(huán)和偏移量機制來消除在輸入很小時而產(chǎn)生的靜態(tài)誤差。圖3為PCL- 832運動控制卡的功能模塊示意圖。
DDA發(fā)生器通過ＣＭＤ+和ＣＭＤ-通道產(chǎn)生連續(xù)的給定脈沖。此控制脈沖與編碼盤產(chǎn)生的反饋脈沖在比較器中進(jìn)行比較，其結(jié)果送入比例控制器后，由比例控制器輸出控制脈沖，控制脈沖送入誤差計數(shù)器，誤差計數(shù)器實時驅(qū)動Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換單元，完成閉環(huán)位置控制。當(dāng)DDA循環(huán)發(fā)生器被軟件激活后，在下一個DDA循環(huán)開始的上升沿，PCL-832將產(chǎn)生一個中斷，在中斷程序中，將DDA脈沖緩沖區(qū)中的預(yù)設(shè)值ｎ送入DDA發(fā)生器。數(shù)目為ｎ個脈沖的脈沖序列將在下一個DDA循環(huán)中產(chǎn)生。在控制軟件中，必須在當(dāng)前DDA循環(huán)完成前，將預(yù)設(shè)值送入DDA脈沖緩沖區(qū)，否則在下一個DDA循環(huán)中將沒有脈沖輸出。
DDA發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖與反饋的碼盤脈沖經(jīng)比較器比較后送入誤差計數(shù)器。根據(jù)轉(zhuǎn)動方向的不同，誤差計數(shù)器的輸出上升或下降，由于誤差計數(shù)器直接驅(qū)動Ｄ/Ａ輸出，因此Ｄ/Ａ的輸出隨誤差計數(shù)器的輸出變化而變化，使變頻器驅(qū)動電機做出相應(yīng)的響應(yīng)。當(dāng)整個控制過程完成后，誤差計數(shù)器的值應(yīng)該為零。在非正常情況下，比如碼盤電源掉電，這時反饋信號丟失，那么誤差計數(shù)器中的值將會持續(xù)上升，電機轉(zhuǎn)速會越來越快，最終導(dǎo)致危險的發(fā)生。為了避免這種情況的發(fā)生，誤差計數(shù)器規(guī)定了其最大上限值為4095，如果誤差計數(shù)器中的實際值超過了該上限值，意味著系統(tǒng)工作異常，PCL-832卡產(chǎn)生溢出信號并鎖定任何操作，保證了系統(tǒng)的安全性。 3.2 運動速度的控制
數(shù)控焊接變位機有兩種到位方式。第一種方式為點到點方式，這種方式用于工件位置變換，從位置一到位置二只是精確地控制定位精度，而不管從位置一到位置二按照什么軌跡運行，按照什么速度變化。為了提高生產(chǎn)率，一般先以較高的速度運行，在接近目標(biāo)位置時，經(jīng)1～3級減速，使之慢速趨近目標(biāo)點，減小定位誤差。在此過程中，對運行速度不做控制，僅限定運行速度低于設(shè)計轉(zhuǎn)速即可。
第二種工作方式為軌跡工作方式，這種方式用于焊接狀態(tài)。一般情況下變位機的運動用于將工件上的焊縫變位到水平或船型位置，但在焊接較大的管-板或管-管焊縫時需要多次變位方能焊完一條焊縫，增加了接頭數(shù)量，影響焊縫質(zhì)量。為了實現(xiàn)連續(xù)焊接，這時可讓機器人焊槍不動而讓變位機旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)連續(xù)焊接，這種狀態(tài)下不僅要求具有準(zhǔn)確的定位功能，而且要求運行的速度是可控的，對于不同的工件使用不同的焊接規(guī)范。由于自動焊的焊接速度影響焊接熱輸入和焊接熔深等指標(biāo)，因此運行速度的均勻性對焊縫質(zhì)量有較大的影響，這就要求對速度進(jìn)行高精度的控制。
在DDA循環(huán)中，每次插補結(jié)束后，控制裝置向每一個運動軸輸出基準(zhǔn)脈沖序列，每個脈沖代表了最小位移，脈沖序列的頻率代表了軸的運動速度，而脈沖的數(shù)量表示移動量。
在DDA控制過程中，影響運行速度主要有兩個因素。一是DDA循環(huán)間隔時間，即粗插補的時間周期;二是每一個DDA控制周期內(nèi)所發(fā)出的控制脈沖數(shù)。根據(jù)控制精度要求，已經(jīng)將粗插補時間周期定為5ms，因此在系統(tǒng)中影響速度的因素主要為每個DDA控制周期內(nèi)所發(fā)出的脈沖數(shù)，每個DDA控制周期內(nèi)所發(fā)出的脈沖數(shù)愈多，則運行速度愈快，只要控制每個DDA循環(huán)的脈沖數(shù)就可控制運行速度。雖然在每一個DDA控制周期內(nèi)仍然是根據(jù)偏差變化的變速控制，但由于DDA粗插補時間周期非常短(ms級)，因此在運動的宏觀表現(xiàn)上是平滑的勻速運動。
4．控制系統(tǒng)運行結(jié)果 4.1 速度控制結(jié)果
圖4ａ和圖4ｂ分別為固定DDA循環(huán)時間5ms條件下，實驗得出的每個DDA循環(huán)中輸出脈沖數(shù)與傾斜軸和旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系。由實驗結(jié)果可以看出，在固定DDA循環(huán)時間內(nèi)，每個DDA循環(huán)中輸出的DDA脈沖數(shù)與轉(zhuǎn)速是嚴(yán)格的線形關(guān)系。在變位機的額定速度范圍內(nèi)，傾斜軸的速度控制相對誤差最大為0.309%。旋轉(zhuǎn)軸的速度控制相對誤差最大為1.827%，完全滿足焊接時對速度均勻性的要求。
4.2 位置控制結(jié)果
精確的位置控制對于焊接機器人用數(shù)控焊接變位機是十分重要的。影響位置控制精度的主要外部因素有負(fù)載變化和運行速度等。為了檢測數(shù)控焊接變位機的位置控制精度，本文在不同條件下對焊接變位機的到位精度進(jìn)行了實測(注：實驗中用光電編碼盤的反饋信號作為到位精度的標(biāo)準(zhǔn)，配合錐銷插孔檢測。光電編碼盤為25000個脈沖/轉(zhuǎn)，系統(tǒng)中的4倍頻后可達(dá)到100000個脈沖/轉(zhuǎn))。
1) 負(fù)載變化。進(jìn)行了從空載到負(fù)載200kg的位控精度實驗。在實驗過程中，讓變位機在各個工作角度示教5個點，然后讓其由第一點依次運動到第五點，這樣的實驗按不同負(fù)載共做了5組。結(jié)果表明，負(fù)載的變化對精度的影響較小，變位機的到位精度控制在±1個脈沖之間。
2)速度變化。粗插補時間周期定為5ms，傾斜和旋轉(zhuǎn)兩軸的每個DDA控制周期內(nèi)所發(fā)出的脈沖數(shù)按照1，5，10，15和20個分為5個組，測量任意兩個示教位置的到位精度，實驗結(jié)果表明，運行速度對位置精度有一定影響，速度越快精度越差，但在變位機設(shè)計速度范圍內(nèi)，到位精度控制在±3個脈沖之間。
綜上所述，數(shù)控焊接變位機的位置控制精度總體可以做到小于或等于3個位置脈沖，由此可知其理論位置控制。
相對誤差為3/100000=0.0003%(變位機運行在360°以內(nèi))。
絕對誤差為3×3.14×1000/100000=0.0942(ｍｍ)(工作臺邊緣，工作臺直徑為1000(ｍｍ)。
可見其定位精度在工作臺邊沿處理論值可達(dá)到±0.1ｍｍ。由于到位誤差通過檢測碼盤反饋而得到，而碼盤反饋檢測不到由于齒輪間隙所造成的誤差，因此這部分誤差是檢測不到的。為了檢測系統(tǒng)的實際到位誤差，進(jìn)行了錐銷插孔檢驗(錐銷和錐孔偏差5個脈沖，錐銷就不能完全插入)，不同位置、速度和負(fù)載進(jìn)行了多次試驗，錐銷均能完全插入，因此可知工作臺邊沿定位精度≤5×3.14×1000/100000=0.157(ｍｍ)。 4.3 焊接實驗
為了驗證整個控制系統(tǒng)的控制精度和可靠性，對典型焊件進(jìn)行了多次焊接試驗，結(jié)果證明該系統(tǒng)滿足與機器人配合工作的位置控制和速度控制精度要求。
5. 結(jié)論 弧焊機器人用數(shù)控焊接變位機控制系統(tǒng)采用研華PCL-832三軸伺服運動控制卡，基于數(shù)字微分分析控制，實現(xiàn)了對弧焊機器人用數(shù)控焊接變位機的位置、速度和運動軌跡的精確控制。由于使用多軸控制卡使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制軟件開發(fā)簡化。實驗表明該控制系統(tǒng)可靠性高，穩(wěn)態(tài)精度好，重復(fù)定位精度達(dá)到±0.1ｍｍ。 研華客戶需索取更多案例，請登陸“用戶俱樂部”  www.advantech.com.cn/userclub
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