专利名称：数控焊接变位机的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种自动化焊接辅助设备，该设备主要用于配合机器人或自动焊设备实现优质高效自动焊过程。
背景技术：
焊接变位机为两轴结构，包括一个工业控制计算机，旋转轴和倾斜轴，一个交流伺服变频器，一个驱动倾斜轴的交流伺服电机、一个驱动旋转轴的交流伺服电机。
发明内容
本发明是一种数控焊接变位机的控制系统，包括一个工业控制计算机，一个交流伺服变频器，分别驱动倾斜轴和旋转轴的两个交流伺服电机，本发明的控制系统是由工业控制计算机、运动控制卡、输入输出控制卡、接口适配器、继电器输出卡、示教盒、操纵杆、交流伺服变频器、两个光电编码器、两个交流伺服电机、抱闸电源和控制接口组成，其中运动控制卡接收工业控制计算机发送来的粗插补信息，再由运动控制卡进行DDA插补后输出控制信号，通过交流伺服变频器控制两个交流伺服电机。
操纵杆是由四个主令开关组成，输出输入控制卡接受操作杆发来的主令开关的状态信息；工业控制计算机上的键盘定义示教功能对应按键为按“1”键，选择变位机1轴即旋转轴为当前运动轴，按“2”键，选择变位机2轴即倾斜轴为当前运动轴，按“←”键，当前运动轴顺时针旋转，按“→”键，当前运动轴逆时针旋转，按“↑”键，加快示教运动速度，按“↓”键，降低示教运动速度，按“S”键，存储当前示教点位置坐标，
按“L”键，从当前位置返回上一个已记录的示教位置，按“N”键，如当前位置号不是最后一个已记录的位置的示教点号，则变位机运动到下一个已记录的示教位置，否则，示教点号加一，变位机不运动，操作者可在这新的示教点号示教变位机一个新的焊接位置，按“D”键，删除当前位置号已记录的焊接位置示教点，按“l”键，在当前位置号的示教点前增加一个示教点号，原来的当前位置示教点号被加一，操作者可对当前焊接位置编程，相当于增加了一个焊接位置，按“Q”键，退出示教程序，返回主菜单；工业控制计算机的键盘定义示教功能对应按键可以是上述按键以外的按键或按键组合。
在示教状态时，工业控制计算机分别接受并存储示教位置信息、可以由示教盒，操作杆和键盘实现三种方式的示教操作，由工业控制计算机记录示教的位置信息。在再现状态时，由专门设计的指令系统编制变位程序来定义变位顺序，工业控制计算机调出示教位置速度信息，按数字微分分析插补周期计算插补点的位置坐标，送入运动控制卡中的交流伺服电机的控制芯片，使变位机按程序规定的运动顺序和速度进行焊接变位的再现过程。
示教盒包括单片机，液晶显示模块、键盘模块、通信模块，键盘按下时，该键对应的特征信息送入键特征值存储区，由通信模块将该信息经工业控制计算机上的通信接口送入工业控制计算机，同时接受工业控制计算机发来的位置信息，由工业控制计算机将位置信息通过通信接口发送给示教盒中的单片机中，单片机将位置信息数制转换后送入显示缓存区，由液晶显示模块显示位置信息。
根据以上所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是可提供三种方法实现示教功能即键盘示教、操纵杆示教和示教盒示教。
根据以上所述数控焊接变位机的控制系统，其特征是操纵杆示教方式主要由操纵杆带动4个主令开关实现，这4个主令开关可以实现5个状态，4个开关全开表示停止，而4个主令开关中的任意一个闭合都代表一种状态，它们分别是旋转轴顺时针旋转、旋转轴逆时针旋转、倾斜轴顺时针旋转、倾斜轴逆时针旋转。操纵杆与键盘定义的示教功能键组合后可以实现完整的示教功能。在操纵杆示教时，操作杆与键盘组合使用，操作杆代替了上述键盘示教时对应功能按键“1”、“2”、“←”、“→”、“↑”、“↓”的功能，而其它按键功能不变。
根据以上所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是示教盒示教方式主要由示教盒盒完成，示教盒本身是一台专用的计算机，其核心为单片机，在单片机系统的程序中不断地扫描示教盒上的功能键和数字键，并把信息和命令送给控制器，通过串口与工控机进行数据交换，并将变位机的执行信息显示在液晶模块上。
示教盒上的按键主要分为三类示教功能键实现示教、存入、删除修改示教点、检查、回零等功能，为示教编程用。
运动功能键实现变位机倾斜轴和旋转轴的正反转，为操纵机器人示教用。
参数设定键用于设定示教时倾斜、旋转轴的运动速度。
示教盒可以完成全部示教功能。
根据以上所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是位置信息记忆方法是由工控机在每个数字微分分析中断中累加输出的控制脉冲数得到的。
根据以上所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是运动再现过程由专门编制的指令系统完成，指令系统包括轨迹描述指令、I/O控制指令和程序控制指令。
图1是本发明的系统框图，图2是操纵杆主令开关电路图，图3示教装置的结构框图，图4示教盒工作的程序流程图，图5是示教和编程再现程序流程图。工控机为工业控制计算机的简称。
具体实现方式如图1所示，数控焊接变位机的控制系统为两轴结构，包括一个工业控制计算机14，旋转轴和倾斜轴(图中未示出)，一个交流伺服变频器5，一个驱动倾斜轴的交流伺服电机6、一个驱动旋转轴的交流伺服电机7，本发明的控制系统是由一个工业控制计算机14、运动控制卡2、输入输出控制卡12、接口适配器14、继电器输出卡10、示教装置1、操纵杆13、交流伺服变频器5、两个光电编码器3、4、两个交流伺服电机6、7、抱闸电源8和控制接口9组成，其中运动控制卡2接收工业控制计算机14发送来的粗插补信息，再由运动控制卡2进行DDA插补后输出控制信号。
如图2所示，操纵杆13是由四个主令开关组成，输出输入控制卡12接受操纵杆13发来的主令开关的状态信息。
工业控制计算机14上的键盘定义示教功能对应按键为按“1”键，选择变位机1轴即旋转轴为当前运动轴按“2”键，选择变位机2轴即倾斜轴为当前运动轴按“←”键，当前运动轴顺时针旋转按“→”键，当前运动轴逆时针旋转按“↑”键，加快示教运动速度按“↓”键，降低示教运动速度按“S”键，存储当前示教点位置坐标按“L”键，从当前位置返回上一个已记录的示教位置按“N”键，如当前位置号不是最后一个已记录的位置的示教点号，则变位机运动到下一个已记录的示教位置，否则，示教点号加一，变位机不运动，操作者可在这新的示教点号示教变位机一个新的焊接位置按“D”键，删除当前位置号已记录的焊接位置示教点按“l”键，在当前位置号的示教点前增加一个示教点号，原来的当前位置示教点号被加一，操作者可对当前焊接位置编程，相当于增加了一个焊接位置按“Q”键，退出示教程序，返回主菜单如图3所示，示教装置1包括单片机1-2，液晶显示模块1-3、键盘模块1-4、通信模块1-1，键盘按下时，该键对应的特征信息送入键特征值存储区，由通信模块1-1将该信息经工业控制计算机14上的通信接口14-1送入工业控制计算机14，同时接受工业控制计算机14发来的位置信息，由工业控制计算机14将位置信息通过通信接口14-1发送给示教盒1中的单片机1-2中，单片机1-2将位置信息数制转换后送入显示缓存区，由液晶显示模块1-3显示位置信息。
如图4所示，数控焊接变位机的控制系统在示教状态时，接收示教系统送来的各示教点的位置信息，并存入工业控制计算机14的内存中，完成整个示教过程后将各示教点的位置信息存入工业控制计算机14的硬盘中。数控焊接变位机在再现状态时，系统先从硬盘中将各示教点信息调入内存，再从内存中逐点取出其位置坐标值，按数字微分分析(DDA)插补周期，对它进行直线插补，计算出各插补点的位置坐标，生成运动轨迹。然后逐点把各插补点的位置坐标分送给运动控制卡2的各轴DSP控制芯片。DSP控制芯片的任务是进行交流伺服电机6、7的闭环控制，它接受了系统送来的各轴下一步期望到达的位置后，又在DDA控制周期内做进一步的脉冲均匀细分，以求运动轨迹更为平滑。然后将各轴的下一细步期望值还点送给交流伺服电机6、7，同时检测光电编码盘3、4的反馈信号，直到其准确到位。
交流伺服电机6、7的运动是由每个DDA循环中的控制脉冲数决定的，而控制脉冲数是由控制软件在每个DDA循环开始前写入控制脉冲寄存器中的。只要将各轴所有DDA控制过程中所发出的脉冲数累加以后的总脉冲数减去最后运动停止时各轴误差计数器中的值，就得到了各轴从上一点运动到当前点所产生的脉冲总数。如果两示教点之间共有同个DDA控制循环，则可接式1计算两示教点之间的两轴脉冲数差，如果开始点的坐标以绝对零点为参照系则可以确定各示教点的坐标。
counti倾斜＝∑DDA倾斜_pulsej-err_count倾斜 式中counti倾斜、counti旋转分别为倾斜轴和旋转轴从第i-1个示教点到第i个示教点之间的各轴脉冲数差，也就是第i-1个示教点到第i个示教点之间的坐标差。
DDA倾斜_pulsej、DDA旋转_pulsej分别为倾斜轴和旋转轴在第j个DDA控制循环中所发出的脉冲数。
err_count倾斜、err_count旋转分别为倾斜轴和旋转轴在运动结束后，各个轴的误差计数器中的值。
数控焊接变位机的控制系统中设计采用了三种不同形式的示教手段键盘示教、操纵杆示教和示教装置示教。
键盘示教是在工业控制计算机14的键盘上定义一些功能键，分别代表各个示教功能，由主控程序扫描键盘，当发现有键按下时，通过键盘扫描码获得键值，调用相应的程序完成该键所定义的功能；操纵杆作为辅助的示教工具，操纵杆安装在控制柜上。操纵杆实际上是组合在一起的四个主令开关，操纵杆向不同的方向换档就会带动不同的开关开合，将这四个开关的状态送人输入输出控制卡，由程序判断操纵杆特征值。
示教盒示教是数控焊接变位机的控制系统示教的主要方式。它是专门设计的以单片机为核心的下位机，示教功能完备。如图3、图4所示，示教盒工作时，程序不断地扫描示教盒的功能键和数字键，如果有键按下，产生中断过程，在键盘中断处理程序中将该键对应的特征值送入按键特征值存储变量中。在主循环中将显示特征值存储器中的内容送入液晶显示模块。程序中设计了定时中断，在定时中断处理程序中执行串口通讯过程，在该过程中将按键特征值存储变量中将内容发送给工业控制计算机14，同时接受工业控制计算机14发来的位置和速度信息，将位置和速度作息存储在显示特征值存储器中。工业控制计算机14根据接收的特征值控制数控焊接变位机实现要求的运动过程，并将位置速度信息通过串口实时发送给示教盒。
实现运动再现过程需要有运动控制指令系统的支持。该数控焊接变位机的控制系统的运动控制指令其编程指令主要分为三类程序控制指令，轨迹描述指令和I/O控制指令。程序控制指令的主要任务是定义数控焊接变位机运动程序的开始与结束；轨迹描述指令用于定义数控焊接变位机的运动轨迹、焊接顺序及定义焊接速度；I/O控制指个主要对I/O口的操作，并控制数控焊接变位机与机器人或自动焊设备的通讯。
要实现操作者编程控制数控焊接变位机的运动，主要要完成两个过程-示教和编程再现。示教主要完成各位置点的位置示教功能，并把各点的位置坐标记录到文件中去。编程主要实现对数控焊接变位机各位置示教点运动描述，通过I/O控制实现与机器人的运动协调工作。示教实际上是对数控焊接变位机运动坐标的描述，而运动控制程序是对数控焊接变位机运动过程的描述，二者缺一不可。
数控焊接变位机运动控制程序解释器将位置示教点的信息文件和运动控制程序的信息文件链接后，形成运动参数，转变成计算机内部指令执行后实现数控焊接变位机的编程运动，其过程如图5所示。
权利要求
1.一种数控焊接变位机的控制系统，包括一个工业控制计算机14，一个交流伺服变频器5，一个驱动倾斜轴的交流伺服电机6、一个驱动旋转轴的交流伺服电机7，本发明的特征是其控制系统是由工业控制计算机14、运动控制卡2、输入输出控制卡12、接口适配器11、继电器输出卡10、示教盒1、操纵杆13、交流伺服变频器5、光电编码器3、4、交流伺服电机6、7、抱闸电源8和控制接口9组成，其中运动控制卡2接收工业控制计算机14发送来的粗插补信息，再由运动控制卡2进行DDA插补后输出控制信号，通过交流伺服变频器5控制交流伺服电机6、7；操纵杆是由四个主令开关组成，输出输入控制卡12接受操作杆发来的主令开关的状态信息；工业控制计算机14上的键盘定义示教功能对应按键为按“1”键，选择变位机1轴即旋转轴为当前运动轴，按“2”键，选择变位机2轴即倾斜轴为当前运动轴，按“←”键，当前运动轴顺时针旋转，按“→”键，当前运动轴逆时针旋转，按“↑”键，加快示教运动速度，按“↓”键，降低示教运动速度，按“S”键，存储当前示教点位置坐标，按L”键，从当前位置返回上一个已记录的示教位置，按“N”键，如当前位置号不是最后一个已记录的位置的示教点号，则变位机运动到下一个已记录的示教位置，否则，示教点号加一，变位机不运动，操作者可在这新的示教点号示教变位机一个新的焊接位置，按“D”键，删除当前位置号已记录的焊接位置示教点，按“I”键，在当前位置号的示教点前增加一个示教点号，原来的当前位置示教点号被加一，操作者可对当前焊接位置编程，相当于增加了一个焊接位置，按“Q”键，退出示教程序，返回主菜单；工业控制计算机14的键盘定义示教功能对应按键可以是上述按键以外的按键或按键组合；在示教状态时，工业控制计算机14分别接受并存储示教位置信息、可以由示教盒1，操作杆13和键盘实现三种方式的示教操作，由工业控制计算机14记录示教的位置信息。在再现状态时，由专门设计的指令系统编制变位程序来定义变位顺序，工业控制计算机14调出示教位置速度信息，按数字微分分析插补周期计算插补点的位置坐标，送入运动控制卡2中的交流伺服电机的控制芯片，使变位机按程序规定的运动顺序和速度进行焊接变位的再现过程；示教盒1包括单片机1-2，液晶显示模块1-3、键盘模块1-4、通信模块1-1，键盘按下时，该键对应的特征信息送入键特征值存储区，由通信模块1-1将该信息经工业控制计算机14上的通信接口14-1送入工业控制计算机14，同时接受工业控制计算机14发来的位置信息，由工业控制计算机14将位置信息通过通信接口14-1发送给示教盒1中的单片机1-2中，单片机1-2将位置信息数制转换后送入显示缓存区，由液晶显示模块1-3显示位置信息。
2.根据权利要求1所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是可提供三种方法实现示教功能即键盘示教、操纵杆示教和示教盒示教。
3.根据权利要求1、2所述数控焊接变位机的控制系统，其特征是操纵杆示教方式主要由操纵杆带动4个主令开关实现，这4个主令开关可以实现5个状态，4个开关全开表示停止，而4个主令开关中的任意一个闭合都代表一种状态，它们分别是旋转轴顺时针旋转、旋转轴逆时针旋转、倾斜轴顺时针旋转、倾斜轴逆时针旋转。操纵杆与键盘定义的示教功能键组合后可以实现完整的示教功能。在操纵杆示教时，操作杆与键盘组合使用，操作杆代替了权利要求1中所述键盘示教时对应功能按键“1”、“2”、“←”、“→”、“↑”、“↓”的功能，而其它按键功能不变。
4.根据权利要求1、2所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是示教盒示教方式主要由示教盒盒完成，示教盒本身是一台专用的计算机，其核心为单片机，在单片机系统的程序中不断地扫描示教盒上的功能键和数字键，并把信息和命令送给控制器，通过串口与工控机进行数据交换，并将变位机的执行信息显示在液晶模块上。示教盒上的按键主要分为三类示教功能键实现示教、存入、删除修改示教点、检查、回零等功能，为示教编程用。运动功能键实现变位机倾斜轴和旋转轴的正反转，为操纵机器人示教用。参数设定键用于设定示教时倾斜、旋转轴的运动速度。示教盒可以完成全部示教功能。
5.根据权利要求1所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是位置信息记忆方法是由工控机在每个数字微分分析中断中累加输出的控制脉冲数得到的。
6.根据权利要求1所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是运动再现过程由专门编制的指令系统完成，指令系统包括轨迹描述指令、I/O控制指令和程序控制指令。
全文摘要
本发明是由工业控制计算机、运动控制卡、输入输出控制卡、接口适配器、继电器输出卡、示教盒、操纵杆、交流伺服变频器、光电编码器、两个交流伺服电机、抱闸电源和控制接口组成，操纵杆是由四个主令开关组成，工业控制计算机的键盘定义示教功能对应一系列按键。在示教状态时，工业控制计算机分别接受并存储示教位置信息、可以由示教盒、操作杆和键盘实现三种方式的示教操作。在再现状态时，由专门设计的指令系统编制变位程序来定义变位顺序，工业控制计算机调出示教位置速度信息，按数字微分分析插补周期计算插补点的位置坐标，送入运动控制卡中的交流伺服电机的控制芯片，使变位机按程序规定的运动顺序和速度进行焊接变位的再现过程。
文档编号B23K37/047GK1439474SQ02114630
公开日2003年9月3日 申请日期2002年6月6日 优先权日2002年6月6日
发明者樊丁, 石玗, 王政, 乔及森 申请人:甘肃工业大学