专利名称：双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器及方法
技术领域：
本发明涉及锡焊机器人领域，特别是涉及一种双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器及方法。
背景技术：
众所周知，锡焊加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。焊接与其它工业加工过程不一样，手工焊接时，有经验的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊点位置适时地调整焊枪的位置、姿态和行走的速度，以适应焊点及焊接轨迹的变化。所以，焊接工的工作是个有一定技术含量的工作岗位。对工厂来说，要招聘一个熟练的焊接工，就目前的工人心态以及工厂对员工的成本核算成为了一个正负交错对立的局面，这是手工焊接的一个瓶颈；
人工焊接的工艺，受到焊接工的工艺水平的限制，焊接工的焊接技能及速度参差不齐，情绪波动有一定的因素影响，每天产品的焊接质量和产量随之而受到影响，这是手工焊接的瓶颈之二；
焊接工人的技能及情绪或多或少对焊接时所使用的辅料无法估计，使用多少就到仓库去领取多少，管理员无法去量化每天使用焊接辅料，也就是对焊接辅料成本是一个模糊的概念，对生产产品的成本核算也没有量化。对客户，对自己的成本来说是一种不能明说的项目，这是手工焊接的瓶颈之三；受焊接工的技能影响，每天产品焊接的效率也是无法去量化，工厂每天能生产多少产品，产品质量好不好都无法估计。在高技术迅猛发展的今天，传统的生产方式已日趋落后，随着电子产品的大批量生产，手工采用烙铁工具逐点焊接PCB板上引脚焊点的方法，再也不能适应市场要求、生产效率与产品质量。新型的自动化焊接生产将成为新世纪接受市场挑战的重要方式。由于锡焊机器人是新型自动化的主要工具，直接将机器人变为直接生产力，它在改变传统的生产模式，提高生产效率及对市场的适应能力方面显示出极大的优越性。同时它将人从恶劣危险的工作环境中替换出来，进行文明生产，这对促进经济发展和社会进步都具有重大意义。在一些特殊的锡焊动作中，锡焊机器人不仅需要反复在一条直线上或者一个二维的平面上进行直线或圆弧点焊或者是按照一定的规律对一些位置进行点对点的点焊，而且由于在一个复杂的电路板上器件高度不一致，这个时候机器人需要在相对于电路板二维平面垂直的方向运动一个距离，这个时候一台三自由度锡焊机器人可以很快的完成上述动作。一台完整的三自由度锡焊机器人大致分为以下几个部分:
I)电机:在这个系统中，执行电机有四个，三个电机根据微处理器的指令来执行锡焊机器人在一个三维空间直接行走的相关动作，另外一个电机根据微处理器的指令执行焊接需要出锡量的多少； 2)算法:算法是锡焊机器人的灵魂。锡焊机器人必须采用一定的智能算法才能准确快速的从三维空间里的一点到达另外一点，形成点对点的运动，或者曲线轨迹的运动，并且根据外界不同条件计算出锡量的大小；
3)微处理器:微处理器是锡焊机器人的核心部分，是锡焊机器人的大脑。锡焊机器人所有的信息，包括焊点位置、出锡量多少、电机状态信息以及四个电机相互配合运动等都需要经过微处理器处理并做出相应的判断。三自由度自动锡焊机器人结合了多学科知识，对于提升在校学生的动手能力、团队协作能力和创新能力，促进学生课堂知识的消化和扩展学生的知识面都非常有帮助。自动锡焊机器人技术的发展可以培养大批相关领域的人才，进而促进相关领域的技术发展和产业化进程。但是由于国内研发此机器人的单位较少，相对研发水平比较落后，研发的自动锡焊机器人结构如图1，长时间运行发现存在着很多安全问题，即:
在锡焊初期，都是人工运动锡焊机器人到起始位置，然后仅仅依靠人眼进行初始位置的校正，使得焊接精度大大降低；
作为自动锡焊机器人的电源采用的是一般交流电源整流后的直流电源，当突然停电时会使整个锡焊运动失败；
作为锡焊机器人的主控芯片，采用的多是八位的单片机，计算能力不够，导致焊接系统运行速度较慢；
作为锡焊机器人的执行机构采用的多是步进电机，经常会遇到丢失脉冲造成电机失步现象发生，导致系统对于焊点出锡不一致；
由于采用步进电机，其本体一般都是多相结构，控制电路需要采用多个功率管，使得控制电路相对比较复杂，并且增加了控制器价格，并且由于多相之间的来回切换，使得系统的脉动转矩增大，不利于系统动态性能的提高；
由于自动锡焊机器人在焊点间的频繁点焊，要频繁的刹车和启动，加重了单片机的工作量，单一的单片机无法满足自动锡焊机器人快速启动和停止的要求；
由于受到周围环境不稳定因素的干扰，单片机控制器经常会出现异常，引起锡焊机器人失控，抗干扰能力较差；
由于受单片机容量和算法影响，普通锡焊机器人对已经经过的焊点信息没有存储，当遇到掉电情况或故障重启时所有的信息将消失，这使得整个锡焊过程要重新开始或者人工更新路径信息；
在焊接的时候虽然可根据被焊物体的焊点大小来调整送锡量的大小，但是没有考虑焊点的温度，导致焊点不一致；
在锡焊过程中，忽略了对烙铁头的清洗，经常导致因为烙铁头上的残留焊锡而产生焊接不良或焊点污秽的情况发生；
在锡焊过程中，对烙铁头采用人工清洗的方式，由于烙铁头的温度较高，有时候会误伤到人；
在锡焊过程中，如果发现任何焊点有焊接质量问题，需要开启人机界面上的暂停点设置，然后人工二次补焊，使得自动化程度大大降低；
对于三自由度锡焊机器人的点焊过程来说，一般要求控制其轨迹运动的三个电机的PWM控制信号要同步，由于受单片机计算能力的限制，单一单片机伺服系统很难满足这一条件；
由于大量采用体积较大的插件元器件，使得伺服控制器的体积较大。随着现代制造工艺的技术发展，伺服控制单元的体积将越来越小、嵌入式的微型伺服控制系统将发挥巨大的作用，伺服控制方式主要由软件伺服来实现，从而使在伺服系统中使用现代控制理论算法成为可能。这种嵌入式的微型系统拓展了伺服系统的应用范围，促进了伺服系统多样化的发展。采用高速微处理器和高性能数字信号处理器(DSP)作为伺服控制核心的控制策略，逐步取代计算能力较弱的单片机控制方式成为必然。因此，需要对现有的基于单片机控制的三自由度自动锡焊机器人控制器进行重新设计，寻求一种经济适用的速度相对较高的中速三自由度锡焊机器人伺服系统。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器及方法，采用了基于DSP与LM629双核控制器的全新控制模式，以LM629为处理核心，能够实现数字信号的实时处理，同时把DSP从复杂的工作中解脱出来，能够实时进行数据交换和调用，实现了部分的信号处理算法和响应中断，实现了数据通信和存储实时信号，提闻了系统的锡焊精度。为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器，包括:DSP与LM629双核控制器、用于三自由度锡焊机器人伺服系统的电机U、电机Z和电机X、用于三自由度锡焊机器人出锡系统的电机Y、温度检测模块和图像采集与处理模块，所述DSP与LM629双核控制器连接电机U、电机Z和电机X，所述DSP与LM629双核控制器还连接电机Y，所述DSP与LM629双核控制器与温度检测模块相互连接，所述DSP与LM629双核控制器与图像采集与处理模块相互连接。在本发明一个较佳实施例中，所述DSP与LM629双核控制器包括DSP数字信号处理芯片和LM629精度运动控制芯片，所述LM629精度运动控制芯片用于控制三自由度锡焊机器人的伺服系统和出锡系统，所述DSP数字信号处理芯片用于控制人机界面、路径读取、轨迹参数预设、温度检测、图像采集、数据存储或I/O控制。在本发明一个较佳实施例中，所述DSP数字信号处理芯片为TMS320F2812芯片。在本发明一个较佳实施例中，所述LM629精度运动控制芯片包括运动梯形图发生器和电机位置解码器。在本发明一个较佳实施例中，所述电机为直流永磁伺服电机，所述直流永磁伺服电机上装载有光电编码盘。为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是:提供一种双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器的方法，包括如下步骤:
(1)、打开电源，自动传送装置把安装在夹具上的加工部件自动传送到工作区域；
(2)、在打开电源的瞬间DSP会对电源电压的来源进行判断:当确定是蓄电池供电时，如果电池电压是低压，将禁止所有的LM629工作，电机X、电机Z、电机U和电机Y都不能工作，同时电压传感器将工作，控制器发出低压报警信号；
(3)、启动三自由度锡焊机器人的自动控制程序，通过控制器的232串口输入锡焊任 务;
(4)、电机X工作，将执行机构(包括烙铁和出锡管)自动移动到初始化点，此时图像采集与处理模块开启，自动校正出锡管与起始点的对准位置；
(5)、在点焊信号有效条件下，延时一定时间，使锡焊机器人准备开始工作；
(6)、本控制系统中引入四片LM629，然后通过I/O口与DSP进入实时通讯，由DSP控制其开通和关断；
(7)、对于基于LM629的系统来说，“忙”状态的检测是整个伺服系统设计的首要部分，在每次运动之前先检测此状态位，判断是否为“忙”，如果是“忙”要进行软件复位，使系统可以进行数据通讯；
(8)、对于基于LM629的系统来说，复位也是LM629伺服系统操作中重要的一个环节，复位后查看LM629的状态字，如果不等于84H或C4H，说明硬件复位失败，必须重新复位,否则LM629不可以正常工作；
(9)、在自动锡焊机器人运动过程中，DSP会时刻储存所经过的距离或者是经过的焊点，并根据这些距离信息由DSP计算得到相对下一个三维空间焊点自动锡焊机器人电机X、电机Z和电机U要运行的距离、速度和加速度，DSP然后与LM629通讯，传输这些参数给LM629，然后由LM629生成电机X、电机Z和电机U速度运动梯形图，这个梯形包含的面积就是锡焊机器人电机X、电机Z和电机U要运行的距离，然后再根据电机电流和光电编码盘信息，生成控制电机X、电机Z和电机U运行的PWM波和运动方向信号；
(10)、当到达预定焊点位置后，烙铁在设定时间内开始对焊点进行加热，在加热期间，DSP会对焊点信息和烙铁温度进行二次确认,然后转化为出锡系统电机Y需要运行的距离、速度和加速度以及PID等预设参数，DSP把这些参数传输给出锡系统的LM629，然后由LM629生成出锡系统速度运动梯形图，这个梯形包含的面积就是锡焊机器人出锡系统电机Y要运行的距离，然后再根据光电编码盘信息生成控制电机Y运行的PWM波和运动方向信号；
(11)、当完成出锡系统的伺服后，为了防止烙铁温度过高引起焊锡的再次融化，电机Y一般把焊锡丝拉回一个小的距离，并记录此值，然后电机Y立即自锁，然后烙铁和出锡系统一起在电机X的作用下向下一个锡焊点自动移动；
(12)、在运动过程中，如果自动锡焊机器人发现焊点距离或者是出锡伺服系统求解出现死循环将向DSP发出中断请求，DSP会对中断做第一时间响应，如果DSP的中断响应没有来得及处理，自动锡焊机器人的电机X、电机Z、电机U和出锡系统的电机Y将原地自锁，防止误操作；
(13)、装载在电机X、电机Z、电机U和电机Y上的光电编码盘会输出其位置信号A和位置信号B，光电编码盘的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，LM629内的位置寄存器会根据电机X、电机Z、电机U和电机Y的运行方向加一或者是减一；
(14)、光电编码盘的位置信号A脉冲、B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就产生一个INDEX信号给LM629寄存器，记录电机的绝对位置，然后换算成自动锡焊机器人在三维空间里焊点的具体位置和出锡的实际长度；
(15)、DSP会根据自动锡焊机器人在三维空间里焊点的具体位置与设定位置对比，经DSP计算后送相应的加速度、速度和位置数据等给LM629的梯形图发生器作为参考值，由梯形图计算出自动锡焊机器人需要更新的实际加速度、速度和位置信号； (16)、在锡焊过程中，如果图像采集与处理模块发现有任何位置的焊点出现质量问题，存储器记录下当前位置信息，然后DSP根据自动锡焊机器人在焊接部件的具体位置计算得到相应的加速度、速度和位置数据等并送给LM629的梯形图发生器作为参考值，由梯形图计算出自动锡焊机器人到达更新点需要的实际加速度、速度和位置信号，然后控制电机X、电机Y和电机U到达指定位置，然后DSP根据图像采集结果控制电机Y对焊点进行修复，修复完成后再回到存储器当初寄存下的位置，重新继续原有的工作；
(17)、在锡焊过程中，如果图像采集与处理模块发现烙铁头存有大量的残锡，存储器记录下当前位置信息，然后DSP根据自动锡焊机器人在焊接部件的具体位置，通过图像采集与处理模块帮助锡焊机器人移动到清洗处，然后清洗烙铁，完毕后调取相应的位置信息，重新回到存储焊点，重新开始新的工作；
(18)、在整个点焊过程中，由运动梯形图发生器结合电机位置解码器决定的数字PID控制器生成功率驱动桥需要的PWM波信号和电机正反转信号，用来实现自动锡焊机器人系统电机X、电机Z、电机U和出锡系统电机Y的伺服控制；
(19)、如果自动锡焊机器人在运行过程中遇到突然断电时，蓄电池会自动开启立即对锡焊机器人进行供电，当电机的运动电流超过设定值时，LM629的中断命令LPES将会向DSP发出中断请求，此时DSP会立即控制LM629停止工作并存取下当期的焊点信息；
(20)、系统加入了从人机界面上设置的自动暂停点，如果在焊锡过程中读到了自动暂停点，DSP会控制LM629以最大的加速度停车使加工过程出现自动暂停并存储当前信息，直到控制器读到再次按下“开始”按钮才可以使LM629重新工作，并调取存储信息使锡焊机器人从自动暂停点可以继续工作；
(21)、自动锡焊机器人在运行过程中会时刻检测电池电压，当系统出现低压时，传感器会通知控制器开启并发出报警提示，有效地保护了锂离子电池；
(22)、当完成整个加工部件的锡焊运动后，电机Y会抽回已经移出锡线盒的焊锡，然后控制锡焊机器人走出运动轨迹；
(23)、锡焊机器人根据新的锡焊部件的具体位置重新设定位置零点，等待新的工作。本发明的有益效果是:本发明采用了基于DSP与LM629双核控制器的全新控制模式，以LM629为处理核心，能够实现数字信号的实时处理，同时把DSP从复杂的工作中解脱出来，能够实时进行数据交换和调用，实现了部分的信号处理算法和响应中断，实现了数据通信和存储实时信号，提高了系统的锡焊精度。
图1是单片机控制的三自由度锡焊机器人的控制原理 图2是本发明的基于DSP与LM629三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器的原理
图3是本发明的基于DSP与LM629三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器的程序框
图4是本发明的基于DSP与LM629三自由度中速全自动锡焊机器人的系统框 附图中各部件的标记如下:1、DSP与LM629双核控制器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。请参阅图2至图4，本发明实施例包括:
一种双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器，包括:DSP与LM629双核控制器1、用于三自由度锡焊机器人伺服系统的电机U、电机Z和电机X、用于三自由度锡焊机器人出锡系统的电机Y、温度检测模块和图像采集与处理模块。其中，所述电机为直流永磁伺服电机，所述直流永磁伺服电机上装载有光电编码盘。所述DSP与LM629双核控制器I连接电机U、电机Z和电机X，所述DSP与LM629双核控制器还连接电机Y，所述DSP与LM629双核控制器I与温度检测模块相互连接，所述DSP与LM629双核控制器I与图像采集与处理模块相互连接。所述DSP与LM629双核控制器I包括DSP数字信号处理芯片和LM629精度运动控制芯片:
所述LM629精度运动控制芯片用于控制三自由度锡焊机器人的伺服系统和出锡系统，所述DSP数字信号处理芯片用于控制人机界面、路径读取、轨迹参数预设、温度检测、图像采集、数据存储或I/O控制。随着微电子技术和 计算机集成芯片制造技术的不断发展和成熟，DSP数字信号处理芯片由于其快速的计算能力，不仅广泛应用于通信与视频信号处理，也逐渐应用在各种高级的控制系统中。本发明中，所述DSP数字信号处理芯片为TMS320F2812芯片。TMS320F2812是美国TI公司推出的C2000平台上的定点32位芯片，适合用于工业控制、电机控制等，用途广泛。其运行时钟可达150MHz，处理性能可达150MIPS，每条指令周期6.67ns, I/O 口丰富，能够满足用户一般的应用要求，具有两个串口和十二位的(Γ3.3V的A/D转换等。此外，它还具有片内128k*16位的片内FLASH，18k*16位的SRAM，一般的应用系统可以不要外扩存储器，加上独立的算术逻辑单元，拥有强大的数字信号处理能力。此外，大容量的RAM被集成到该芯片内，可以极大地简化外围电路设计，降低系统成本和系统复杂度，也大大提高了数据的存储处理能力。LM629是National semiconductor生产的一款用于精密运动控制的专用芯片，有24脚和28脚二种表面安装式封装，在一个芯片内集成了数字式运动控制的全部功能，使得设计一个快速、准确的运动控制系统的任务变得轻松、容易，它有以下特性:工作频率为6MHz和8MHz，工作温度范围为_40°C +85°C，使用5V电源，使用32位的位置、速度和加速度存器，8位分辨率的PWM脉宽调制输出，16位可编程数字PID控制器，内部的运动梯形图发生器和电机位置解码器，该芯片可实时修改速度、目标位置和PID控制参数，实时可编程中断，可编程微分项采样间隔，对增量码盘信号进行四倍频，可设置于速度或位置伺服两种工作状态，这些特点使得LM629特别适合伺服运动控制中。本发明为了克服单一单片机不能满足三自由度锡焊机器人行走的稳定性和快速性的要求，舍弃了国产自动锡焊机器人所采用的单一单片机工作模式，在吸收国外先进控制思想的前提下，自主发明了基于DSP与LM629的全新控制模式，控制板以LM629为处理核心，实现数字信号的实时处理，把DSP从复杂的工作中解脱出来，实现部分的信号处理算法和LM629的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储实时信号。本发明为了提高运算速度，保证自动锡焊机器人的稳定性和可靠性，在基于DSP的控制器中引入了精密运动控制专用芯片LM629，形成基于DSP与LM629的全新控制器，此控制器充分考虑电池在这个系统的作用，把控制系统中工作量最大的三自由度锡焊机器人伺服系统和出锡量伺服系统电机X、电机Z、电机U和电机Y的控制交给LM629处理,充分发挥LM629数据处理速度相对较快的特点，而人机界面、路径读取、轨迹参数预设、温度检测、图像采集、数据存储、I/O控制等功能交给DSP完成，这样就实现了 DSP与LM629的分工，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。本发明中，对于包括LM629精度运动控制芯片和DSP数字信号处理芯片的DSP与LM629双核控制器I，其控制原理图如图2所示，控制过程为:
在电源打开的状态下，烙铁先自动加热到一设定的恒定温度，自动锡焊机器人进入自锁状态，电机X、电机Z和电机U工作将执行机构(包括烙铁和出锡管)自动移动到初始化点，此时图像采集与处理模块开启，自动校正出锡管与起始点的对准位置。自动锡焊机器人把储存的实际路径参数和焊点大小信息传输给控制器中的DSP，DSP把这些参数转化为自动锡焊机器人在指定运动轨迹下电机X、电机Z、电机U和电机Y要运行的距离、速度和加速度，DSP然后与LM629通讯，由LM629根据这些参数再结合电机光电编码盘处理电机X、电机Z、电机U和电机Y的伺服控制，并把处理数据通讯给DSP，系统时刻监控烙铁温度、焊锡机器人运行速度和图像采集处理结果，更新出锡系统的预设参数。如图3和图4所示，本发明具体功能的实现步骤如下:
(1)、打开电源，自动传送装置把安装在夹具上的加工部件自动传送到工作区域；
(2)、在打开电源的瞬间DSP会对电源电压的来源进行判断:当确定是蓄电池供电时，如果电池电压是低压，将禁止所有的LM629工作，电机X、电机Z、电机U和电机Y都不能工作，同时电压传感器将工作，控制器发出低压报警信号；
(3)、启动三自由度锡焊机器人的自动控制程序，通过控制器的232串口输入锡焊任
务;
(4)、电机X工作，将执行机构(包括烙铁和出锡管)自动移动到初始化点，此时图像采集与处理模块开启，自动校正出锡管与起始点的对准位置；
(5)、在点焊信号有效条件下，延时一定时间，使锡焊机器人准备开始工作；
(6)、为了能够驱动单自由度自动锡焊机器人自动运动和自动控制出锡量的多少，本控制系统引入四片LM629，然后通过I/O 口与DSP进入实时通讯，由DSP控制其开通和关断；
(7)、对于基于LM629的系统来说，“忙”状态的检测是整个伺服系统设计的首要部分，在每次运动之前先检测此状态位，判断是否为“忙”，如果是“忙”要进行软件复位，使系统可以进行数据通讯；
(8)、对于基于LM629的系统来说，复位也是LM629伺服系统操作中重要的一个环节，复位后查看LM629的状态字，如果不等于84H或C4H，说明硬件复位失败，必须重新复位,否则LM629不可以正常工作；
(9)、在自动锡焊机器人运动过程中，DSP会时刻储存所经过的距离或者是经过的焊点，并根据这些距离信息由DSP计算得到相对下一个三维空间焊点自动锡焊机器人电机X、电机Z和电机U要运行的距离、速度和加速度，DSP然后与LM629通讯，传输这些参数给LM629，然后由LM629生成电机X、电机Z和电机U速度运动梯形图，这个梯形包含的面积就是锡焊机器人电机X、电机Z和电机U要运行的距离，然后再根据电机电流和光电编码盘信息，生成控制电机X、电机Z和电机U运行的PWM波和运动方向信号；
(10)、当到达预定焊点位置后，烙铁在设定时间内开始对焊点进行加热，在加热期间，DSP会对焊点信息和烙铁温度进行二次确认,然后转化为出锡系统电机Y需要运行的距离、速度和加速度以及PID等预设参数，DSP把这些参数传输给出锡系统的LM629，然后由LM629生成出锡系统速度运动梯形图，这个梯形包含的面积就是锡焊机器人出锡系统电机Y要运行的距离，然后再根据光电编码盘信息生成控制电机Y运行的PWM波和运动方向信号；
(11)、当完成出锡系统的伺服后，为了防止烙铁温度过高引起焊锡的再次融化，电机Y一般把焊锡丝拉回一个小的距离，并记录此值，然后电机Y立即自锁，然后烙铁和出锡系统一起在电机X的作用下向下一个锡焊点自动移动；
(12)、在运动过程中，如果自动锡焊机器人发现焊点距离或者是出锡伺服系统求解出现死循环将向DSP发出中断请求，DSP会对中断做第一时间响应，如果DSP的中断响应没有来得及处理，自动锡焊机器人的电机X、电机Z、电机U和出锡系统的电机Y将原地自锁，防止误操作；
(13)、装载在电机X、电机Z、电机U和电机Y上的光电编码盘会输出其位置信号A和位置信号B，光电编码盘的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，LM629内的位置寄存器会根据电机X、电机Z、电机U和电机Y的运行方向加一或者是减一；
(14)、光电编码盘的位置信号A脉冲、B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就产生一个INDEX信号给LM629寄存器，记录电机的绝对位置，然后换算成自动锡焊机器人在三维空间里焊点的具体位置和出锡的实际长度；
(15)、DSP会根据自动锡焊机器人在三维空间里焊点的具体位置与设定位置对比，经DSP计算后送相应的加速度、速度和位置数据等给LM629的梯形图发生器作为参考值，由梯形图计算出自动锡焊机器人需要更新的实际加速度、速度和位置信号；
(16)、在锡焊过程中，如果图像采集与处理模块发现有任何位置的焊点出现质量问题，存储器记录下当前位置信息，然后DSP根据自动锡焊机器人在焊接部件的具体位置计算得到相应的加速度、速度和位置数据等并送给LM629的梯形图发生器作为参考值，由梯形图计算出自动锡焊机器人到达更新点需要的实际加速度、速度和位置信号，然后控制电机X、电机Y和电机U到达指定位置，然后DSP根据图像采集结果控制电机Y对焊点进行修复，修复完成后再回到存储器当初寄存下的位置，重新继续原有的工作；
(17)、在锡焊过程中，如果图像采集与处理模块发现烙铁头存有大量的残锡，存储器记录下当前位置信息，然后DSP根据自动锡焊机器人在焊接部件的具体位置，通过图像采集与处理模块帮助锡焊机器人移动到清洗处，然后清洗烙铁，完毕后调取相应的位置信息，重新回到存储焊点，重新开始新的工作；
(18)、在整个点焊过程中，由运动梯形图发生器结合电机位置解码器决定的数字PID控制器生成功率驱动桥需要的PWM波信号和电机正反转信号，用来实现自动锡焊机器人系统电机X、电机Z、电机U和出锡系统电机Y的伺服控制；
(19)、如果自动锡焊机器人在运行过程中遇到突然断电时，蓄电池会自动开启立即对锡焊机器人进行供电，当电机的运动电流超过设定值时，LM629的中断命令LPES将会向DSP发出中断请求，此时DSP会立即控制LM629停止工作并存取下当期的焊点信息，不仅有效避免了电池大电流放电的发生，而且也保存了焊点数据，使得控制器排除故障接到重新启动命令后可以继续运行其剩余的工作；
(20)、为了方便锡焊工作，系统加入了从人机界面上设置的自动暂停点，如果在焊锡过程中读到了自动暂停点，DSP会控制LM629以最大的加速度停车使加工过程出现自动暂停并存储当前信息，直到控制器读到再次按下“开始”按钮才可以使LM629重新工作，并调取存储信息使锡焊机器人从自动暂停点可以继续工作；
(21)、自动锡焊机器人在运行过程中会时刻检测电池电压，当系统出现低压时，传感器会通知控制器开启并发出报警提示，有效地保护了锂离子电池；
(22)、当完成整个加工部件的锡焊运动后，电机Y会抽回已经移出锡线盒的焊锡，然后控制锡焊机器人走出运动轨迹；
(23)、锡焊机器人根据新的锡焊部件的具体位置重新设定位置零点，等待新的工作。本发明双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器及方法的有益效果是:
一、由于引入了高速处理芯片DSP，相对于八位的单片机系统，DSP控制锡焊机器人系统的计算能力大大提高；
二、在锡焊开始前，开启图像采集与处理模块，帮助电机X、电机Z和电机U自动移动锡焊机器人到达指定位置并校正，提闻了系统锡焊精度；
三、在运送过程中，充分考虑了电池在这个系统有中的作用，基于DSP与LM629控制器时刻都在对锡焊机器人的运行状态进行监测和运算，当遇到交流电源断电时，锂离子电池会立即提供能源，避免了锡焊系统伺服系统运动的失败，并且在电池提供电源的过程中，时刻对电池的电流进行观测并保护，避免了大电流的产生，所以从根本上解决了大电流对锂离子电池的冲击；
四、由LM629处理锡焊机器人的三自由度锡焊机器人伺服和出锡系统的伺服控制，一方面把DSP从复杂的伺服算法中解脱出来，大大提高了运算速度，另外一方面也使得控制器设计比较简单，缩短了开发周期短；
五、本发明基本实现全贴片元器件材料，实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且有利于锡焊机器人体积和重量的减轻；
六、在锡焊过程中，送锡速度控制可以自动调节，温度传感器把烙铁头的工作温度高低采集后传送给DSP，DSP根据采集温度、当前点焊运行速度以及图像采集处理的结果，综合计算后来调整送锡电机Y运行的速度大小；
七、在锡焊过程中，送锡长度控制自动调节，当锡焊完成一个焊点的焊接后，控制器立即调出存储器中下一个三维空间里焊点的信息，DSP可根据被焊物的焊点大小、当前焊锡机器人运行的速度以及图像采集处理的结果综合计算后来调整送锡电机Y运行的速度和距离；
八、在锡焊过程中，烙铁头恒温可调，可根据实际工作速度需要以及图像采集焊点的处理结果来调整烙铁头的温度，工作温度在200°C — 480°C之间调节，满足锡焊机器人快速点焊时融化焊锡的要求；
九、在锡焊过程中，如果图像采集发现烙铁头残留焊锡过多，会自动暂停当前的点焊工作，保存当前信息，图像采集帮助电机X、电机Z和电机U准确移动到烙铁清洗处进行残留焊锡处理，减少了残留焊锡对焊接的影响；
十、在锡焊过程中，如果图像采集发现有焊点出现质量问题，将储存当前信息，然后运动到有质量问题的焊点进行二次处理，如果系统发现处理不了这个问题，将向人机界面输入再次补焊信息，然后再次进入储存位置，完成剩余任务；
十一、为了提高运动速度和精度，锡焊机器人采用了带有512线光电编码盘的直流永磁伺服电机替代了传统系统中常用的步进电机，使得运算精度大大提高，效率也相对较闻;
十二、由于采用直流永磁伺服电机，使得调速范围比较宽，调速比较平稳；
十三、由于本控制器采用LM629处理大量的数据与算法，把DSP从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强；
十四、控制电机运转的PWM波，是LM629根据DSP的预设位置、速度和加速度参数以及光电编码盘信息得到的，不仅简化了接口电路，而且省去了 DSP编写位置、速度控制程序以及各种PID算法的麻烦，使得系统的调试简单；
十五、在控制过程中，DSP根据锡焊机器人外围运行情况适时调整LM629内部的PID参数，实现分段P、PD、PID控制和非线性PID控制，使系统满足快速运行时速度的切换；
十六、由于具有存储功能，这使得锡焊机器人掉电后或遇到故障重启时系统可以轻易调取已经点焊好的路径信息，然后可以轻易地从故障点二次点焊完成未完成的任务；
十七、LM629的PID控制机运动控制类指令采用双缓冲结构，数据首先由DSP写入主寄存器，只有在写入相关命令后主寄存器的数据才能进一步装入工作寄存器，这样很容易实现三自由度伺服运动的任意控制；
十八、在整个锡焊过程中，控制器时刻在计算锡焊机器人运行速度、烙铁头温度对出锡系统参数的影响，保证了出锡系统的可靠工作。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器，其特征在于，包括:DSP与LM629双核控制器、用于三自由度锡焊机器人伺服系统的电机U、电机Z和电机X、用于三自由度锡焊机器人出锡系统的电机Y、温度检测模块和图像采集与处理模块，所述DSP与LM629双核控制器连接电机U、电机Z和电机X，所述DSP与LM629双核控制器还连接电机Y，所述DSP与LM629双核控制器与温度检测模块相互连接，所述DSP与LM629双核控制器与图像采集与处理模块相互连接。
2.根据权利要求1所述的双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器，其特征在于，所述DSP与LM629双核控制器包括DSP数字信号处理芯片和LM629精度运动控制芯片，所述LM629精度运动控制芯片用于控制三自由度锡焊机器人的伺服系统和出锡系统，所述DSP数字信号处理芯片用于控制人机界面、路径读取、轨迹参数预设、温度检测、图像采集、数据存储或I/o控制。
3.根据权利要求2所述的基双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器，其特征在于，所述DSP数字信号处理芯片为TMS320F2812芯片。
4.根据权利要求2所述的双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器，其特征在于，所述LM629精度运动控制芯片包括运动梯形图发生器和电机位置解码器。
5.根据权利要求1所述的双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器，其特征在于，所述电机为直流永磁伺服电机，所述直流永磁伺服电机上装载有光电编码盘。
6.一种双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器的方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)、打开电源，自动传送装 置把安装在夹具上的加工部件自动传送到工作区域； (2)、在打开电源的瞬间DSP会对电源电压的来源进行判断:当确定是蓄电池供电时，如果电池电压是低压，将禁止所有的LM629工作，电机X、电机Z、电机U和电机Y都不能工作，同时电压传感器将工作，控制器发出低压报警信号； (3)、启动三自由度锡焊机器人的自动控制程序，通过控制器的232串口输入锡焊任务; (4)、电机X工作，将执行机构(包括烙铁和出锡管)自动移动到初始化点，此时图像采集与处理模块开启，自动校正出锡管与起始点的对准位置； (5)、在点焊信号有效条件下，延时一定时间，使锡焊机器人准备开始工作； (6)、本控制系统中引入四片LM629，然后通过I/O口与DSP进入实时通讯，由DSP控制其开通和关断； (7)、对于基于LM629的系统来说，“忙”状态的检测是整个伺服系统设计的首要部分，在每次运动之前先检测此状态位，判断是否为“忙”，如果是“忙”要进行软件复位，使系统可以进行数据通讯； (8)、对于基于LM629的系统来说，复位也是LM629伺服系统操作中重要的一个环节，复位后查看LM629的状态字，如果不等于84H或C4H，说明硬件复位失败，必须重新复位,否则LM629不可以正常工作； (9)、在自动锡焊机器人运动过程中，DSP会时刻储存所经过的距离或者是经过的焊点，并根据这些距离信息由DSP计算得到相对下一个三维空间焊点自动锡焊机器人电机X、电机Z和电机U要运行的距离、速度和加速度，DSP然后与LM629通讯，传输这些参数给LM629，然后由LM629生成电机X、电机Z和电机U速度运动梯形图，这个梯形包含的面积就是锡焊机器人电机X、电机Z和电机U要运行的距离，然后再根据电机电流和光电编码盘信息，生成控制电机X、电机Z和电机U运行的PWM波和运动方向信号； (10)、当到达预定焊点位置后，烙铁在设定时间内开始对焊点进行加热，在加热期间，DSP会对焊点信息和烙铁温度进行二次确认,然后转化为出锡系统电机Y需要运行的距离、速度和加速度以及PID等预设参数，DSP把这些参数传输给出锡系统的LM629，然后由LM629生成出锡系统速度运动梯形图，这个梯形包含的面积就是锡焊机器人出锡系统电机Y要运行的距离，然后再根据光电编码盘信息生成控制电机Y运行的PWM波和运动方向信号； (11)、当完成出锡系统的伺服后，为了防止烙铁温度过高引起焊锡的再次融化，电机Y一般把焊锡丝拉回一个小的距离，并记录此值，然后电机Y立即自锁，然后烙铁和出锡系统一起在电机X的作用下向下一个锡焊点自动移动； (12)、在运动过程中，如果自动锡焊机器人发现焊点距离或者是出锡伺服系统求解出现死循环将向DSP发出中断请求，DSP会对中断做第一时间响应，如果DSP的中断响应没有来得及处理，自动锡焊机器人的电机X、电机Z、电机U和出锡系统的电机Y将原地自锁，防止误操作； (13)、装载在电机X、电机Z、电机U和电机Y上的光电编码盘会输出其位置信号A和位置信号B，光电编码盘的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，LM629内的位置寄存器会根据电机X、电机Z、电机U和电机Y的运行方向加一或者是减一； (14)、光电编码盘的位置信号A脉冲、B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就产生一个INDEX信号给LM629寄存器，记录电机的绝对位置，然后换算成自动锡焊机器人在三维空间里焊点的具体位置和出锡的实际长度； (15)、DSP会根据自动锡焊机器人在三维空间里焊点的具体位置与设定位置对比，经DSP计算后送相应的加速度、速度和位置数据等给LM629的梯形图发生器作为参考值，由梯形图计算出自动锡焊机器人需要更新的实际加速度、速度和位置信号； (16)、在锡焊过程中，如果图像采集与处理模块发现有任何位置的焊点出现质量问题，存储器记录下当前位置信息，然后DSP根据自动锡焊机器人在焊接部件的具体位置计算得到相应的加速度、速度和位置数据等并送给LM629的梯形图发生器作为参考值，由梯形图计算出自动锡焊机器人到达更新点需要的实际加速度、速度和位置信号，然后控制电机X、电机Y和电机U到达指定位置，然后DSP根据图像采集结果控制电机Y对焊点进行修复，修复完成后再回到存储器当初寄存下的位置，重新继续原有的工作； (17)、在锡焊过程中，如果图像采集与处理模块发现烙铁头存有大量的残锡，存储器记录下当前位置信息，然后DSP根据自动锡焊机器人在焊接部件的具体位置，通过图像采集与处理模块帮助锡焊机器人移动到清洗处，然后清洗烙铁，完毕后调取相应的位置信息，重新回到存储焊点，重新开始新的工作； (18)、在整个点焊过程中，由运动梯形图发生器结合电机位置解码器决定的数字PID控制器生成功率驱动桥需要的PWM波信号和电机正反转信号，用来实现自动锡焊机器人系统电机X、电机Z、电机U和出锡系统电机Y的伺服控制； (19)、如果自动锡焊机器人在运行过程中遇到突然断电时，蓄电池会自动开启立即对锡焊机器人进行供电，当电机的运动电流超过设定值时，LM629的中断命令LPES将会向DSP发出中断请求，此时DSP会立即控制LM629停止工作并存取下当期的焊点信息； (20)、系统加入了从人机界面上设置的自动暂停点，如果在焊锡过程中读到了自动暂停点，DSP会控制LM629以最大的加速度停车使加工过程出现自动暂停并存储当前信息，直到控制器读到再次按下“开始”按钮才可以使LM629重新工作，并调取存储信息使锡焊机器人从自动暂停点可以继续工作； (21)、自动锡焊机器人在运行过程中会时刻检测电池电压，当系统出现低压时，传感器会通知控制器开启并发出报警提示，有效地保护了锂离子电池； (22)、当完成整个加工部件的锡焊运动后，电机Y会抽回已经移出锡线盒的焊锡，然后控制锡焊机器人走出运动轨迹； (23)、锡焊机器人根据新的锡焊部件的具体位置重新设定位置零点，等待新的工作。
全文摘要
本发明公开了一种双核三自由度中速全自动锡焊机器人伺服控器及方法，在基于DSP的控制器中引入了精密运动控制专用芯片LM629，形成基于DSP与LM629的全新控制器，把控制系统中工作量最大的三自由度锡焊机器人伺服系统和出锡量伺服系统电机X、电机Z、电机U和电机Y的控制交给LM629处理，而人机界面、路径读取、轨迹参数预设、温度检测、图像采集、数据存储、I/O控制等功能交给DSP完成。通过上述方式，本发明能够实现数字信号的实时处理，同时把DSP从复杂的工作中解脱出来，能够实时进行数据交换和调用，实现了部分的信号处理算法和响应中断，实现了数据通信和存储实时信号，提高了系统的锡焊精度。
文档编号G05B19/19GK103197600SQ20131012903
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者张好明, 王应海 申请人:苏州工业园区职业技术学院