专利名称：基于dsp的弧焊机器人摆动电弧跟踪系统和方法
技术领域：
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及的是一种基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪方法及控制系统，包括焊缝中心跟踪与摆幅实时调整。
背景技术：
随着机器人技术的发展，焊接机器人已广泛应用于汽车、航天制造等领域。为了扩展焊接机器人在制造业的应用范围，不断提高应用层次，研究开发具有一定感知、判断决策功能的信息反馈智能型的焊接机器人或发展焊接机器人的 智能化技术，将是焊接自动化的发展方向之一。由于焊接环境等各种因素的影响，实际的焊接条件经常因干扰而发生变化，往往会使焊枪偏离焊缝中心，从而造成焊接质量下降甚至失败。因此，研制能够感知外部干扰，实时检测出焊缝的偏差并及时自动调整焊接路径的智能化焊接机器人系统成为目前科研与生产的研究热点。换言之，焊缝跟踪系统的研制成为实现焊接自动化、智能化和保证焊接质量的重要因素。为了实现焊缝跟踪，则需要配套适当的传感器辅助机器人来获取对外界的感知。目前，应用于焊接机器人上的传感方式多种多样，其中电弧传感技术因其低成本、装置简单、实现容易等原因在焊缝跟踪研究中占有重要地位。电弧传感又分为机械往复摆动式和旋转扫描式。虽然，近年来人们的研究重点在旋转电弧上，但是需要配套附加的旋转电弧传感器，价格也比较高。所以，利用机器人自身的往复摆动功能来实现电弧传感和焊缝跟踪，则更加具有广泛的应用性和市场竞争优势。目前大多数机器人电弧传感产品为国外技术制造，成本过高；国内也有许多专家学者在进行摆动电弧传感的研究，例如，中国申请专利号200820053115. 7，名为“熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制装置”，通过磁控电弧传感器、由焊枪和焊接电源等组成的焊接系统、控制系统和执行机构进行焊缝自动跟踪。但是，它主要依托于计算机进行处理和控制，不利于工业上的系统集成和广泛应用。而且，该发明还需要安装特殊的磁控装置才能实现电弧的摆动，在一定程度上提高了成本。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的不足和需要，利用焊接机器人自身摆动特性，提出了基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪系统和方法，可实现机器人的焊缝中心的横向和纵向跟踪及摆幅实时调整。为了实现上述目的，本发明提出一种基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪系统，包括弧焊机器人，所述弧焊机器人至少包括一焊枪，所述焊枪可在焊接行进方向左右摆动，对工件进行焊接；电弧传感器，和所述弧焊机器人相连，所述电弧传感器包括串联的霍尔电流传感器和测量电阻；滤波及保护电路，和所述电弧传感器相连；DSP，通过机器人接口电路，实现与所述弧焊机器人之间的信号传输，所述DSP至少包括路径纠偏模块和摆幅调整模块，分别调整所述弧焊机器人焊接的方向和摆幅。
可选的，所述霍尔电流传感器的匝数比为1 : 2000，所述测量电阻的阻值为10欧姆。可选的，所述滤波及保护电路采用二阶巴特沃斯无限增益多路反馈型低通滤波电路进行滤波。可选的，所述滤波及保护电路的最高保护电压值设定为3伏。为了实现上述目的，本发明还提出一种基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪方法，包括以下步骤初始化所述弧焊机器人和所述DSP ;所述弧焊机器人和所述DSP实现握手通讯；所述弧焊机器人对工件进行焊接，并将焊接电流信号输入电弧传感器，转换成焊接电压信号；所述焊接电压信号进入滤波及保护电路去噪，且限定所述焊接电压信号的最高保护电压值后，发送给所述DSP ;所述DSP将所述焊接电压信号转换成焊接电流信号，且对所述焊接电流信号进行傅里叶变换和计算所述弧焊机器人左右摆动电流累计值，获得所述弧焊机器人的焊枪横向和纵向的摆动调整值；所述DSP通过机器人接口电路将所述摆动调整值传送给所述弧焊机器人；所述弧焊机器人根据所述摆动调整值对焊接行进方向和摆幅进行实时调整。可选的，还包括根据焊接过程中焊缝宽度的变化计算对应的电流变化量，从而计算理论摆动宽度和实际摆动宽度之间的偏差值。可选的，所述电弧传感器采用霍尔电流传感器并配合一固定阻值的测量电阻，获取测量电路的电压，即将所述焊接电流信号转换成焊接电压信号。可选的，选用的霍尔电流传感器的匝数比为I : 2000，所述测量电阻的阻值为10欧姆。可选的，所述DSP将所述焊接电压信号转换成焊接电流信号所用公式为实际的焊接电流=(测得电压/测量电阻)*匝数比。可选的，所述滤波及保护电路采用二阶巴特沃斯无限增益多路反馈型低通滤波电路进行滤波。可选的，所述滤波及保护电路的最高保护电压值设定为3伏。本发明基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪系统和方法的有益技术效果为本发明基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪系统和方法提供了系统平台，满足了焊接机器人局部智能化要求，将摆动焊接过程中的电流信号转换成电压信号并对其进行去噪处理和采集，然后再将采集的电压信号按照如前所述公式转换为实际的焊接电流信号，通过一系列数字信号处理和通讯的建立，最终能很好地实现焊缝跟踪和摆幅调整，从而获得更好的焊接质量。
图I为基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪系统和方法的系统框图。图2为基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪系统和方法的流程示意图。
具体实施例方式下面，结合附图对本发明作进一步的详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图I所示，本实施例的基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪方法及控制系统包括焊接机器人、电弧传感器、滤波及保护电路、DSP、机器人接口电路，其中焊接机器人，末关节安装GMAW焊焊枪，相对于焊接进行方向左右摆动，对工件进行焊接；给DSP发送开始焊接、停止焊接和左右摆动位置信号；接受DSP发来的偏移信号，更改焊接路径实现焊缝纠偏和摆幅调整；电弧传感器，采用霍尔电流传感器并配合一定阻值的测量电阻，取出测量电阻两端的电压，也就是说将焊接电流转换为电压形式，传送到滤波及保护电路；滤波及保护电路，采用二阶巴特沃斯MFB型低通滤波电路进行滤波起到去噪的作用；通过保护电路将外接测量电阻转换出来的最高电压值限定在3V，并传送到DSP的A/D模块；DSP，通过机器人接口电路得到来自机器人的开始焊接或停止焊接信号后，DSP的A/D模块开始或停止对电流信号的采样和模数转换；对采集的电压信号通过如前所述公式转换为实际的焊接电流值，进行傅里叶变换、计算左右摆动电流累积值，获得焊枪横向和纵向的偏移量或摆幅调整值，并通过机器人接口电路将信号传送给机器人。机器人接口电路，搭建合适的电路和选用适当的电阻，安全实现机器人信号和DSP信号之间的传递；采用光耦隔离将机器人的干扰信号与DSP的干扰信号相隔离。所述焊接机器人包括焊接机器人本体以及安装在机器人末端关节上的工具，该工具具体可以是焊枪；同时，还配有焊接电源、机器人控制器、保护气体及冷却装置。所述电弧传感器包括霍尔电流传感器、测量电阻和±15V直流电源，其中霍尔电流传感器的匝数比为I : 2000，测量电阻为10欧姆，霍尔电流传感器的信号输出端子与测量电阻串联之后接地，霍尔电流传感器的正、负两个端子分别接在直流电源的+15端和-15端上。所述滤波及保护电路包括二阶巴特沃斯MFB型低通滤波电路、稳压二极管。为保护DSP，信号经过滤波电路去噪后，经稳压二极管稳压将电压限定在3V以内。所述DSP包括基于TI公司的TMS320F2812DSP芯片的开发板，含A/D转换模块；所述的将采集的电压信号转换为实际焊接电流信号所用的公式为实际的焊接电流=(测得电压/测量电阻)X匝数比。所述机器人接口电路包括TLP521-4光耦隔离、分压电阻，机器人信号经光耦隔离和分压电阻发送给DSP。本发明还提出一种基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪方法，包括以下步骤初始化所述弧焊机器人和所述DSP ;所述弧焊机器人和所述DSP实现握手通讯；所述弧焊机器人对工件进行焊接，并将焊接电流信号输入电弧传感器，转换成焊接电压信号；所述焊接电压信号进入滤波及保护电路去噪，且限定所述焊接电压信号的最高保护电压值后，发送给所述DSP ;所述DSP将所述焊接电压信号转换成焊接电流信号，且对所述焊接电流信号进行傅里叶变换和计算所述弧焊机器人左右摆动电流累计值，获得所述弧焊机器人的焊枪横向和纵向的摆动调整值，根据焊接过程中焊缝宽度的变化计算对应的电流变化量，从而计算理论摆动宽度和实际摆动宽度之间的偏差值；所述DSP通过机器人接口电路将所述摆动调整值传送给所述弧焊机器人；所述弧焊机器人根据所述摆动调整值对焊接行进方向和摆幅进行实时调整。本发明工作时，在硬件系统的基础上还依托一整套软件程序来实现电弧跟踪的过程。因此，本发明针对基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪方法及控制系统，分别对焊接机器人和DSP进行了程序的编写。在这两部分程序的支持下，可实现对电弧信号的采集和处理，进行机器人和DSP之间的通讯，最终完成对机器人的运动纠偏和摆幅调整控制。下面，对焊接机器人和DSP工作过程分别进行阐述。如图2_a所示为焊接机器人程序的流程图，主要包括系统初始化、外部通讯连接、进入中断程序、发送焊接停止信号等步骤，具体说明如下(I)系统初始化对机器人进行系统初始化，进行变量定义；(2)外部通讯连接给DSP发送通讯请求信号；(3)与DSP握手通讯完成当机器人收到DSP的回复信号时，则完成机器人与DSP的握手通讯；(4)判断是否焊接停止焊接开始后，如果焊接没有停止，则每隔一段时间进入中断程序，机器人给DSP发送通讯指令，DSP响应后，机器人会收到来自DSP的控制量，进行运动坐标参数修改，然后再回到机器人的主程序中；(5)发送焊接停止信号机器人焊枪运动到焊缝终止点时，自动熄弧，停止运动；机器人给DSP发送信号，告知焊接停止；(6)结束机器人程序运行结束。DSP软件控制是本发明的软件编程的第二大部分，主要包括DSP的初始化、与机器人通讯、数据采集、数字信号处理及特征提取、控制量的输出等，其运行的流程图如下图2_b所示，具体说明如下(I)初始化DSP :系统开始运行后，首先对DSP内核寄存器进行初始化，配置主频、高速外设和低速外设频率等；接着对通用输入输出口(GPIO)寄存器初始化并设置以何种方式与外部设备通信；初始化外设中断扩展(PIE)模块和中断向量表；最后对系统所使用的如模拟/数字(A/D)模块、事件管理(EV)模块、串行通信接口(SCI)等外设寄存器做初始化；(2)与机器人初始化通讯初始化DSP后，程序不断查询是否有外部机器人通讯信号，当查询到机器人有通讯指令时，DSP进行答复，与机器人完成握手通讯；(3)电弧信号采集当DSP接收到起焊信号后，开始电弧信号的采集，采集方式为定时器中断触发采样，可设置采样频率并保存处理采样结果；(4)数字信号处理并提取特征值对采集的电压信号通过如前所述公式转换为实际的焊接电流值；进行傅里叶变换和左右摆动平均值累加，获得横向和纵向的电流变化量并提取特征值，根据预先设定的阈值确定纠偏量；对采集的信号取左右两侧的两个累加值的平均值与焊接稳定后若干个周期对应的信号的平均值相减，作为焊缝宽度引起的电流变化量3并根据预先设定的阈值确定摆幅调整值；(5)输出控制量计算出的控制量在机器人通讯信号到来后，通过SCI串口通讯按 照通讯协议将控制量和指令的异或校验码(BCC)发送给机器人。(6)判断是否焊接停止没有收到机器人发来的焊接停止信号，则返回到电弧信号采集，重复进行下面的流程；
(7)程序结束当收到焊接停止的信号后，DSP程序自动终止。如上所述，在机器人、电弧传感器、滤波和保护电路、DSP、机器人接口电路等硬件系统和机器人程序、DSP程序的软件系统平台下，可实现对电弧信号的采集和处理，进行机器人和DSP之间的通讯，最终完成对机器人的运动纠偏和摆幅调整控制。本实施例是构建焊接机器人GMAW局部智能化焊接系统的重要基础平台，在此基础平台上可以在一定程度上抵抗由于工件装配精度低、工件加工误差等各种不稳定因素所带来的干扰，实时调整焊接机器人的路径偏差和摆幅，提高机器人的“柔性”，从而达到提高焊接质量的目的，对拓展机器人在焊接自动化领域的应用具有重要的作用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所述技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.一种基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪系统，其特征在于，包括 弧焊机器人，所述弧焊机器人至少包括一焊枪，所述焊枪可在焊接行进方向左右摆动，对工件进行焊接； 电弧传感器，和所述弧焊机器人相连，所述电弧传感器包括串联的霍尔电流传感器和测量电阻； 滤波及保护电路，和所述电弧传感器相连； DSP,通过机器人接口电路，实现与所述弧焊机器人之间的信号传输，所述DSP至少包括路径纠偏模块和摆幅调整模块，分别调整所述弧焊机器人焊接的方向和摆幅。
2.根据权利要求I所述的弧焊机器人摆动电弧跟踪系统，其特征在于所述霍尔电流传感器的匝数比为I : 2000，所述测量电阻的阻值为10欧姆。
3.根据权利要求I所述的弧焊机器人摆动电弧跟踪系统，其特征在于所述滤波及保护电路采用二阶巴特沃斯无限增益多路反馈型低通滤波电路进行滤波。
4.根据权利要求I或4所述的弧焊机器人摆动电弧跟踪系统，其特征在于所述滤波及保护电路的最高保护电压值设定为3伏。
5.一种基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤 初始化所述弧焊机器人和所述DSP ； 所述弧焊机器人和所述DSP实现握手通讯； 所述弧焊机器人对工件进行焊接，并将焊接电流信号输入电弧传感器，转换成焊接电压信号； 所述焊接电压信号进入滤波及保护电路去噪，且限定所述焊接电压信号的最高保护电压值后，发送给所述DSP; 所述DSP将所述焊接电压信号转换成焊接电流信号，且对所述焊接电流信号进行傅里叶变换和计算所述弧焊机器人左右摆动电流累计值，获得所述弧焊机器人的焊枪横向和纵向的摆动调整值； 所述DSP通过机器人接口电路将所述摆动调整值传送给所述弧焊机器人； 所述弧焊机器人根据所述摆动调整值对焊接行进方向和摆幅进行实时调整。
6.根据权利要求5所述的弧焊机器人摆动电弧跟踪方法，其特征在于还包括根据焊接过程中焊缝宽度的变化计算对应的电流变化量，从而计算理论摆动宽度和实际摆动宽度之间的偏差值。
7.根据权利要求5所述的弧焊机器人摆动电弧跟踪方法，其特征在于所述电弧传感器采用霍尔电流传感器并配合一固定阻值的测量电阻，获取测量电路的电压，即将所述焊接电流信号转换成焊接电压信号。
8.根据权利要求7所述的弧焊机器人摆动电弧跟踪方法，其特征在于选用的霍尔电流传感器的匝数比为I : 2000，所述测量电阻的阻值为10欧姆。
9.根据权利要求7所述的弧焊机器人摆动电弧跟踪方法，其特征在于所述DSP将所述焊接电压信号转换成焊接电流信号所用公式为实际的焊接电流=(测得电压/测量电阻)*匝数比。
10.根据权利要求7所述的弧焊机器人摆动电弧跟踪方法，其特征在于所述滤波及保护电路采用二阶巴特沃斯无限增益多路反馈型低通滤波电路进行滤波。
11.根据权利要求5或10所述的弧焊机器人摆动电弧跟踪方法，其特征在于所述滤波及保护电路的最高保护电压值设定为3伏。
全文摘要
本发明提供一种基于DSP的弧焊机器人摆动电弧跟踪系统和方法，所述系统包括弧焊机器人，所述弧焊机器人至少包括一焊枪，所述焊枪可在焊接行进方向左右摆动，对工件进行焊接；电弧传感器，和所述弧焊机器人相连，所述电弧传感器包括串联的霍尔电流传感器和测量电阻；滤波及保护电路，和所述电弧传感器相连；DSP，通过机器人接口电路，实现与所述弧焊机器人之间的信号传输，所述DSP至少包括路径纠偏模块和摆幅调整模块，分别调整所述弧焊机器人焊接的方向和摆幅。本发明通过电弧跟踪系统，可以实现焊缝的横向和纵向跟踪以及对摆幅的调整，提高了机器人的“柔性”，利于机器人在实际工业生产中的智能化应用。
文档编号B23K9/127GK102615389SQ20121009196
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者叶震, 张巧琳, 施桢, 李忠杰, 李 杰, 沙万华, 詹超, 陈华斌, 陈善本, 马超 申请人:上海交通大学, 上海锅炉厂有限公司