專利名稱：基于dsp的弧焊機器人擺動電弧跟蹤系統和方法
技術領域：
本發明涉及焊接技術領域，具體涉及的是一種基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤方法及控制系統，包括焊縫中心跟蹤與擺幅實時調整。
背景技術：
隨著機器人技術的發展，焊接機器人已廣泛應用于汽車、航天制造等領域。為了擴展焊接機器人在制造業的應用范圍，不斷提高應用層次，研究開發具有一定感知、判斷決策功能的信息反饋智能型的焊接機器人或發展焊接機器人的 智能化技術，將是焊接自動化的發展方向之一。由于焊接環境等各種因素的影響，實際的焊接條件經常因干擾而發生變化，往往會使焊槍偏離焊縫中心，從而造成焊接質量下降甚至失敗。因此，研制能夠感知外部干擾，實時檢測出焊縫的偏差并及時自動調整焊接路徑的智能化焊接機器人系統成為目前科研與生產的研究熱點。換言之，焊縫跟蹤系統的研制成為實現焊接自動化、智能化和保證焊接質量的重要因素。為了實現焊縫跟蹤，則需要配套適當的傳感器輔助機器人來獲取對外界的感知。目前，應用于焊接機器人上的傳感方式多種多樣，其中電弧傳感技術因其低成本、裝置簡單、實現容易等原因在焊縫跟蹤研究中占有重要地位。電弧傳感又分為機械往復擺動式和旋轉掃描式。雖然，近年來人們的研究重點在旋轉電弧上，但是需要配套附加的旋轉電弧傳感器，價格也比較高。所以，利用機器人自身的往復擺動功能來實現電弧傳感和焊縫跟蹤，則更加具有廣泛的應用性和市場競爭優勢。目前大多數機器人電弧傳感產品為國外技術制造，成本過高；國內也有許多專家學者在進行擺動電弧傳感的研究，例如，中國申請專利號200820053115. 7，名為“熔化極氣體保護焊磁控電弧傳感焊縫實時跟蹤控制裝置”，通過磁控電弧傳感器、由焊槍和焊接電源等組成的焊接系統、控制系統和執行機構進行焊縫自動跟蹤。但是，它主要依托于計算機進行處理和控制，不利于工業上的系統集成和廣泛應用。而且，該發明還需要安裝特殊的磁控裝置才能實現電弧的擺動，在一定程度上提高了成本。

發明內容
本發明針對上述現有技術中的不足和需要，利用焊接機器人自身擺動特性，提出了基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤系統和方法，可實現機器人的焊縫中心的橫向和縱向跟蹤及擺幅實時調整。為了實現上述目的，本發明提出一種基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤系統，包括弧焊機器人，所述弧焊機器人至少包括一焊槍，所述焊槍可在焊接行進方向左右擺動，對工件進行焊接；電弧傳感器，和所述弧焊機器人相連，所述電弧傳感器包括串聯的霍爾電流傳感器和測量電阻；濾波及保護電路，和所述電弧傳感器相連；DSP，通過機器人接口電路，實現與所述弧焊機器人之間的信號傳輸，所述DSP至少包括路徑糾偏模塊和擺幅調整模塊，分別調整所述弧焊機器人焊接的方向和擺幅。
可選的，所述霍爾電流傳感器的匝數比為1 : 2000，所述測量電阻的阻值為10歐姆。可選的，所述濾波及保護電路采用二階巴特沃斯無限增益多路反饋型低通濾波電路進行濾波。可選的，所述濾波及保護電路的最高保護電壓值設定為3伏。為了實現上述目的，本發明還提出一種基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤方法，包括以下步驟初始化所述弧焊機器人和所述DSP ;所述弧焊機器人和所述DSP實現握手通訊；所述弧焊機器人對工件進行焊接，并將焊接電流信號輸入電弧傳感器，轉換成焊接電壓信號；所述焊接電壓信號進入濾波及保護電路去噪，且限定所述焊接電壓信號的最高保護電壓值后，發送給所述DSP ;所述DSP將所述焊接電壓信號轉換成焊接電流信號，且對所述焊接電流信號進行傅里葉變換和計算所述弧焊機器人左右擺動電流累計值，獲得所述弧焊機器人的焊槍橫向和縱向的擺動調整值；所述DSP通過機器人接口電路將所述擺動調整值傳送給所述弧焊機器人；所述弧焊機器人根據所述擺動調整值對焊接行進方向和擺幅進行實時調整。可選的，還包括根據焊接過程中焊縫寬度的變化計算對應的電流變化量，從而計算理論擺動寬度和實際擺動寬度之間的偏差值。可選的，所述電弧傳感器采用霍爾電流傳感器并配合一固定阻值的測量電阻，獲取測量電路的電壓，即將所述焊接電流信號轉換成焊接電壓信號。可選的，選用的霍爾電流傳感器的匝數比為I : 2000，所述測量電阻的阻值為10歐姆。可選的，所述DSP將所述焊接電壓信號轉換成焊接電流信號所用公式為實際的焊接電流=(測得電壓/測量電阻)*匝數比。可選的，所述濾波及保護電路采用二階巴特沃斯無限增益多路反饋型低通濾波電路進行濾波。可選的，所述濾波及保護電路的最高保護電壓值設定為3伏。本發明基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤系統和方法的有益技術效果為本發明基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤系統和方法提供了系統平臺，滿足了焊接機器人局部智能化要求，將擺動焊接過程中的電流信號轉換成電壓信號并對其進行去噪處理和采集，然后再將采集的電壓信號按照如前所述公式轉換為實際的焊接電流信號，通過一系列數字信號處理和通訊的建立，最終能很好地實現焊縫跟蹤和擺幅調整，從而獲得更好的焊接質量。


圖I為基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤系統和方法的系統框圖。圖2為基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤系統和方法的流程示意圖。
具體實施例方式下面，結合附圖對本發明作進一步的詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖I所示，本實施例的基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤方法及控制系統包括焊接機器人、電弧傳感器、濾波及保護電路、DSP、機器人接口電路，其中焊接機器人，末關節安裝GMAW焊焊槍，相對于焊接進行方向左右擺動，對工件進行焊接；給DSP發送開始焊接、停止焊接和左右擺動位置信號；接受DSP發來的偏移信號，更改焊接路徑實現焊縫糾偏和擺幅調整；電弧傳感器，采用霍爾電流傳感器并配合一定阻值的測量電阻，取出測量電阻兩端的電壓，也就是說將焊接電流轉換為電壓形式，傳送到濾波及保護電路；濾波及保護電路，采用二階巴特沃斯MFB型低通濾波電路進行濾波起到去噪的作用；通過保護電路將外接測量電阻轉換出來的最高電壓值限定在3V，并傳送到DSP的A/D模塊；DSP，通過機器人接口電路得到來自機器人的開始焊接或停止焊接信號后，DSP的A/D模塊開始或停止對電流信號的采樣和模數轉換；對采集的電壓信號通過如前所述公式轉換為實際的焊接電流值，進行傅里葉變換、計算左右擺動電流累積值，獲得焊槍橫向和縱向的偏移量或擺幅調整值，并通過機器人接口電路將信號傳送給機器人。機器人接口電路，搭建合適的電路和選用適當的電阻，安全實現機器人信號和DSP信號之間的傳遞；采用光耦隔離將機器人的干擾信號與DSP的干擾信號相隔離。所述焊接機器人包括焊接機器人本體以及安裝在機器人末端關節上的工具，該工具具體可以是焊槍；同時，還配有焊接電源、機器人控制器、保護氣體及冷卻裝置。所述電弧傳感器包括霍爾電流傳感器、測量電阻和±15V直流電源，其中霍爾電流傳感器的匝數比為I : 2000，測量電阻為10歐姆，霍爾電流傳感器的信號輸出端子與測量電阻串聯之后接地，霍爾電流傳感器的正、負兩個端子分別接在直流電源的+15端和-15端上。所述濾波及保護電路包括二階巴特沃斯MFB型低通濾波電路、穩壓二極管。為保護DSP，信號經過濾波電路去噪后，經穩壓二極管穩壓將電壓限定在3V以內。所述DSP包括基于TI公司的TMS320F2812DSP芯片的開發板，含A/D轉換模塊；所述的將采集的電壓信號轉換為實際焊接電流信號所用的公式為實際的焊接電流=(測得電壓/測量電阻)X匝數比。所述機器人接口電路包括TLP521-4光耦隔離、分壓電阻，機器人信號經光耦隔離和分壓電阻發送給DSP。本發明還提出一種基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤方法，包括以下步驟初始化所述弧焊機器人和所述DSP ;所述弧焊機器人和所述DSP實現握手通訊；所述弧焊機器人對工件進行焊接，并將焊接電流信號輸入電弧傳感器，轉換成焊接電壓信號；所述焊接電壓信號進入濾波及保護電路去噪，且限定所述焊接電壓信號的最高保護電壓值后，發送給所述DSP ;所述DSP將所述焊接電壓信號轉換成焊接電流信號，且對所述焊接電流信號進行傅里葉變換和計算所述弧焊機器人左右擺動電流累計值，獲得所述弧焊機器人的焊槍橫向和縱向的擺動調整值，根據焊接過程中焊縫寬度的變化計算對應的電流變化量，從而計算理論擺動寬度和實際擺動寬度之間的偏差值；所述DSP通過機器人接口電路將所述擺動調整值傳送給所述弧焊機器人；所述弧焊機器人根據所述擺動調整值對焊接行進方向和擺幅進行實時調整。本發明工作時，在硬件系統的基礎上還依托一整套軟件程序來實現電弧跟蹤的過程。因此，本發明針對基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤方法及控制系統，分別對焊接機器人和DSP進行了程序的編寫。在這兩部分程序的支持下，可實現對電弧信號的采集和處理，進行機器人和DSP之間的通訊，最終完成對機器人的運動糾偏和擺幅調整控制。下面，對焊接機器人和DSP工作過程分別進行闡述。如圖2_a所示為焊接機器人程序的流程圖，主要包括系統初始化、外部通訊連接、進入中斷程序、發送焊接停止信號等步驟，具體說明如下(I)系統初始化對機器人進行系統初始化，進行變量定義；(2)外部通訊連接給DSP發送通訊請求信號；(3)與DSP握手通訊完成當機器人收到DSP的回復信號時，則完成機器人與DSP的握手通訊；(4)判斷是否焊接停止焊接開始后，如果焊接沒有停止，則每隔一段時間進入中斷程序，機器人給DSP發送通訊指令，DSP響應后，機器人會收到來自DSP的控制量，進行運動坐標參數修改，然后再回到機器人的主程序中；(5)發送焊接停止信號機器人焊槍運動到焊縫終止點時，自動熄弧，停止運動；機器人給DSP發送信號，告知焊接停止；(6)結束機器人程序運行結束。DSP軟件控制是本發明的軟件編程的第二大部分，主要包括DSP的初始化、與機器人通訊、數據采集、數字信號處理及特征提取、控制量的輸出等，其運行的流程圖如下圖2_b所示，具體說明如下(I)初始化DSP :系統開始運行后，首先對DSP內核寄存器進行初始化，配置主頻、高速外設和低速外設頻率等；接著對通用輸入輸出口(GPIO)寄存器初始化并設置以何種方式與外部設備通信；初始化外設中斷擴展(PIE)模塊和中斷向量表；最后對系統所使用的如模擬/數字(A/D)模塊、事件管理(EV)模塊、串行通信接口(SCI)等外設寄存器做初始化；(2)與機器人初始化通訊初始化DSP后，程序不斷查詢是否有外部機器人通訊信號，當查詢到機器人有通訊指令時，DSP進行答復，與機器人完成握手通訊；(3)電弧信號采集當DSP接收到起焊信號后，開始電弧信號的采集，采集方式為定時器中斷觸發采樣，可設置采樣頻率并保存處理采樣結果；(4)數字信號處理并提取特征值對采集的電壓信號通過如前所述公式轉換為實際的焊接電流值；進行傅里葉變換和左右擺動平均值累加，獲得橫向和縱向的電流變化量并提取特征值，根據預先設定的閾值確定糾偏量；對采集的信號取左右兩側的兩個累加值的平均值與焊接穩定后若干個周期對應的信號的平均值相減，作為焊縫寬度引起的電流變化量3并根據預先設定的閾值確定擺幅調整值；(5)輸出控制量計算出的控制量在機器人通訊信號到來后，通過SCI串口通訊按 照通訊協議將控制量和指令的異或校驗碼(BCC)發送給機器人。(6)判斷是否焊接停止沒有收到機器人發來的焊接停止信號，則返回到電弧信號采集，重復進行下面的流程；
(7)程序結束當收到焊接停止的信號后，DSP程序自動終止。如上所述，在機器人、電弧傳感器、濾波和保護電路、DSP、機器人接口電路等硬件系統和機器人程序、DSP程序的軟件系統平臺下，可實現對電弧信號的采集和處理，進行機器人和DSP之間的通訊，最終完成對機器人的運動糾偏和擺幅調整控制。本實施例是構建焊接機器人GMAW局部智能化焊接系統的重要基礎平臺，在此基礎平臺上可以在一定程度上抵抗由于工件裝配精度低、工件加工誤差等各種不穩定因素所帶來的干擾，實時調整焊接機器人的路徑偏差和擺幅，提高機器人的“柔性”，從而達到提高焊接質量的目的，對拓展機器人在焊接自動化領域的應用具有重要的作用。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明。本發明所述技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
權利要求
1.一種基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤系統，其特征在于，包括 弧焊機器人，所述弧焊機器人至少包括一焊槍，所述焊槍可在焊接行進方向左右擺動，對工件進行焊接； 電弧傳感器，和所述弧焊機器人相連，所述電弧傳感器包括串聯的霍爾電流傳感器和測量電阻； 濾波及保護電路，和所述電弧傳感器相連； DSP,通過機器人接口電路，實現與所述弧焊機器人之間的信號傳輸，所述DSP至少包括路徑糾偏模塊和擺幅調整模塊，分別調整所述弧焊機器人焊接的方向和擺幅。
2.根據權利要求I所述的弧焊機器人擺動電弧跟蹤系統，其特征在于所述霍爾電流傳感器的匝數比為I : 2000，所述測量電阻的阻值為10歐姆。
3.根據權利要求I所述的弧焊機器人擺動電弧跟蹤系統，其特征在于所述濾波及保護電路采用二階巴特沃斯無限增益多路反饋型低通濾波電路進行濾波。
4.根據權利要求I或4所述的弧焊機器人擺動電弧跟蹤系統，其特征在于所述濾波及保護電路的最高保護電壓值設定為3伏。
5.一種基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟 初始化所述弧焊機器人和所述DSP ； 所述弧焊機器人和所述DSP實現握手通訊； 所述弧焊機器人對工件進行焊接，并將焊接電流信號輸入電弧傳感器，轉換成焊接電壓信號； 所述焊接電壓信號進入濾波及保護電路去噪，且限定所述焊接電壓信號的最高保護電壓值后，發送給所述DSP; 所述DSP將所述焊接電壓信號轉換成焊接電流信號，且對所述焊接電流信號進行傅里葉變換和計算所述弧焊機器人左右擺動電流累計值，獲得所述弧焊機器人的焊槍橫向和縱向的擺動調整值； 所述DSP通過機器人接口電路將所述擺動調整值傳送給所述弧焊機器人； 所述弧焊機器人根據所述擺動調整值對焊接行進方向和擺幅進行實時調整。
6.根據權利要求5所述的弧焊機器人擺動電弧跟蹤方法，其特征在于還包括根據焊接過程中焊縫寬度的變化計算對應的電流變化量，從而計算理論擺動寬度和實際擺動寬度之間的偏差值。
7.根據權利要求5所述的弧焊機器人擺動電弧跟蹤方法，其特征在于所述電弧傳感器采用霍爾電流傳感器并配合一固定阻值的測量電阻，獲取測量電路的電壓，即將所述焊接電流信號轉換成焊接電壓信號。
8.根據權利要求7所述的弧焊機器人擺動電弧跟蹤方法，其特征在于選用的霍爾電流傳感器的匝數比為I : 2000，所述測量電阻的阻值為10歐姆。
9.根據權利要求7所述的弧焊機器人擺動電弧跟蹤方法，其特征在于所述DSP將所述焊接電壓信號轉換成焊接電流信號所用公式為實際的焊接電流=(測得電壓/測量電阻)*匝數比。
10.根據權利要求7所述的弧焊機器人擺動電弧跟蹤方法，其特征在于所述濾波及保護電路采用二階巴特沃斯無限增益多路反饋型低通濾波電路進行濾波。
11.根據權利要求5或10所述的弧焊機器人擺動電弧跟蹤方法，其特征在于所述濾波及保護電路的最高保護電壓值設定為3伏。
全文摘要
本發明提供一種基于DSP的弧焊機器人擺動電弧跟蹤系統和方法，所述系統包括弧焊機器人，所述弧焊機器人至少包括一焊槍，所述焊槍可在焊接行進方向左右擺動，對工件進行焊接；電弧傳感器，和所述弧焊機器人相連，所述電弧傳感器包括串聯的霍爾電流傳感器和測量電阻；濾波及保護電路，和所述電弧傳感器相連；DSP，通過機器人接口電路，實現與所述弧焊機器人之間的信號傳輸，所述DSP至少包括路徑糾偏模塊和擺幅調整模塊，分別調整所述弧焊機器人焊接的方向和擺幅。本發明通過電弧跟蹤系統，可以實現焊縫的橫向和縱向跟蹤以及對擺幅的調整，提高了機器人的“柔性”，利于機器人在實際工業生產中的智能化應用。
文檔編號B23K9/127GK102615389SQ20121009196
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月31日 優先權日2012年3月31日
發明者葉震, 張巧琳, 施楨, 李忠杰, 李 杰, 沙萬華, 詹超, 陳華斌, 陳善本, 馬超 申請人:上海交通大學, 上海鍋爐廠有限公司