1．系統(tǒng)概述： 以工控機(jī)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(jī)的種類，針對焊接機(jī)器人用數(shù)控焊接變位機(jī)的控制問題，應(yīng)用研華三軸運(yùn)動控制卡PCL-832作為控制核心，建立了機(jī)器人用數(shù)控焊接變位機(jī)的高精度控制系統(tǒng)。 研究分析了焊接變位機(jī)的位置控制精度、速度和運(yùn)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(jī)器人配合使用的精度要求。 2．系統(tǒng)配置： 基于多軸運(yùn)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(jī)。選用基于ＰＣ總線的工控機(jī)IPC-610，該機(jī)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(yùn)動控制卡。三軸交流伺服運(yùn)動控制卡PCL-832集成了碼盤計(jì)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(shí)現(xiàn)了高精度位置控制。特殊設(shè)計(jì)的同步信號保證三軸的同步控制，可以完成三軸線性插補(bǔ)或兩軸圓弧插補(bǔ)計(jì)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(dú)立的位置控制芯片，可以實(shí)現(xiàn)三臺交流伺服電機(jī)的完全獨(dú)立控制。本文的數(shù)控焊接變位機(jī)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(shí)現(xiàn)內(nèi)置PLC功能。通過它與機(jī)器人通訊，驅(qū)動PCLD-885繼電器輸出板實(shí)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(bào)警等。 4）伺服驅(qū)動裝置、位置檢測裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣缸定位裝置。 3．控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 位置控制過程 1）數(shù)字微分分析（DDA） DDA插補(bǔ)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。 圖2 DDA循環(huán)示意圖 DDA循環(huán)中的每一個脈沖代表伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動ｎ度，即代表一個位置給定?？梢栽谲浖袆討B(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(jī)的轉(zhuǎn)向，以上的所有工作均由卡上內(nèi)置的運(yùn)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(yùn)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)時控制模塊無法正常運(yùn)行，故各實(shí)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(yùn)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?？ㄖ袃?nèi)建了速度反饋環(huán)和偏移量機(jī)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(yùn)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(jì)數(shù)器，誤差計(jì)數(shù)器實(shí)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(jì)數(shù)器。根據(jù)轉(zhuǎn)動方向的不同，誤差計(jì)數(shù)器的輸出上升或下降，由于誤差計(jì)數(shù)器直接驅(qū)動Ｄ/Ａ輸出，因此Ｄ/Ａ的輸出隨誤差計(jì)數(shù)器的輸出變化而變化，使變頻器驅(qū)動電機(jī)做出相應(yīng)的響應(yīng)。當(dāng)整個控制過程完成后，誤差計(jì)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(jì)數(shù)器中的值將會持續(xù)上升，電機(jī)轉(zhuǎn)速會越來越快，最終導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生。為了避免這種情況的發(fā)生，誤差計(jì)數(shù)器規(guī)定了其最大上限值為4095，如果誤差計(jì)數(shù)器中的實(shí)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(yùn)動速度的控制 數(shù)控焊接變位機(jī)有兩種到位方式。第一種方式為點(diǎn)到點(diǎn)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)，減小定位誤差。在此過程中，對運(yùn)行速度不做控制，僅限定運(yùn)行速度低于設(shè)計(jì)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(jī)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)連續(xù)焊接，這時可讓機(jī)器人焊槍不動而讓變位機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)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(yùn)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(yùn)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(bǔ)結(jié)束后，控制裝置向每一個運(yùn)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(yùn)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(yùn)行速度主要有兩個因素。一是DDA循環(huán)間隔時間，即粗插補(bǔ)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(bǔ)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(yùn)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(yùn)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(bǔ)時間周期非常短（ms級），因此在運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)上是平滑的勻速運(yùn)動。 4．控制系統(tǒng)運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)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。 圖4　傾斜軸每個DDA循環(huán)中的脈沖數(shù)與速度的關(guān)系 4.2 位置控制結(jié)果 精確的位置控制對于焊接機(jī)器人用數(shù)控焊接變位機(jī)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(yùn)行速度等。為了檢測數(shù)控焊接變位機(jī)的位置控制精度，本文在不同條件下對焊接變位機(jī)的到位精度進(jìn)行了實(shí)測（注：實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，讓變位機(jī)在各個工作角度示教5個點(diǎn)，然后讓其由第一點(diǎn)依次運(yùn)動到第五點(diǎn)，這樣的實(shí)驗(yàn)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(jī)的到位精度控制在±1個脈沖之間。 2）速度變化。粗插補(bǔ)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)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(jī)設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)運(yùn)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(shí)際到位誤差，進(jìn)行了錐銷插孔檢驗(yàn)（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(yàn)，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(shí)驗(yàn) 為了驗(yàn)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(yàn)，結(jié)果證明該系統(tǒng)滿足與機(jī)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(jī)器人用數(shù)控焊接變位機(jī)控制系統(tǒng)采用研華PCL-832三軸伺服運(yùn)動控制卡，基于數(shù)字微分分析控制，實(shí)現(xiàn)了對弧焊機(jī)器人用數(shù)控焊接變位機(jī)的位置、速度和運(yùn)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(shí)驗(yàn)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。