摘要：本文就是针对当今焊接机器人的一些问题进行了相关的探讨，主要是探究了旋转式电弧传感器自动焊接机器人其控制系统的一些问题。本文通过类比和总结发现，旋转式电弧传感器机器人有以下特点，其控制精度高、偏差小，并且我们还可以通过DSP主控制系统来管理和控制全部的相关系统。所以说该类的机器人其应用前景还是很广的。
关键词：自动跟踪控制系统；焊接机器人；研究
前言
现如今，国内外有关于焊接机器人自动跟踪控制系统的完善大都都集中在其选型和控制方法的改进方面上。自动跟踪控制的出现是在1985年D.Lakov借助非接触式激光传感器，通过模糊控制推理原则，成功的预测了焊接机器人的运动轨迹，为自动跟踪的实现奠定了一定的基础。而到了1989年，日本人S.Mursaami则用电弧传感器来进行了类似的研究，但是他设计的控制系统可判断焊点的垂直以及水平位移情况，同时又耐高温、弧光、烟气，并且其实用性还很高，所以在当时取得了极大地轰动，他本人也因此获得了很高的国际声誉。
我国则相对来说起步较晚了。80年代，潘际奏院士的研发团队才开始进行相关的研究。到了1993年，才由廖宝剑博士研制出我国的第一种旋转式扫描传感器。当然了，随着我国综合国力的增加，我们对科技的投入也多了很多，类似的研究成果也就多了起来，像江西大学就在前人的基础上进行了减震和小型化方面的研究，并且收获颇丰。但是，总的说来我国在这方面的研究起步较晚，与国际一流水准还是有差距的，但是现在差距正在缩小。
一、该控制系统的总体性能指标分析
当我们需要设计工业焊接机器人的控制系统时，我们需要考虑的因素还是很多的，第一就是要参考类似表1这样的焊接工艺参照表对其相关的指标进行详细的整理和分析。
表1 二氧化碳气体保护焊焊接工艺规范参照表
（一）运动控制精度指标
该指标的问题主要就是焊枪的移动位置精度必须是在0.2mm之内，当运动时的速度精度也是要在1 mm/s之内的，其焊缝的误差不能高于1mm，当然了其系统的响应时间是不能超过0.3s的。只有满足了这些条件，我们才能保证其运动控制的精度。
（二）控制系统静态指标
我们所说的静态指标，其实就是指当焊接机器人正常工作时，收到对应的输人指令，其能运行稳定并且可以无偏差跟踪的能力。当然了我们在设计时，要充分考虑到设备机械结构的特性，并且还要进行实际的应用测量，我们要保证其系统的稳态误差要小于0.2%，当收到的是加速度信号时，最高不超过0.5%。
（三）控制系统的动态指标
这一方面我们在设计时要考虑的较少，只是当出现阶跃输入信号时，其过渡的时间要低于0.1ms，震荡次数要低于两次。而当是正弦信号响应时，其工作频率在5到12Hz之间为最佳。满足这些条件就可以了。
（四）系统环境要求
在这一方面，焊接机器人的要求还是很多的，其使用时周边的噪声要低于40db，同时使用环境还要无干扰电磁波，而且其附近也要无强烈的电磁辐射，其工作环境的温度要高于零下15摄氏度低于90摄氏度，同时其系统的防水、防尘工作也要搞好。
二、该控制系统的总体设计方案
我们从下图1就可以看出，整个焊接机器人自动跟踪控制系统大致可以分为九个模块。我们设计的整体思路可以是：系统运行后，首先就要检测周边环境的温度、湿度等工作环境条件，若不达标，则先由系统自动调节，如果依旧不行，则系统报警并自动关闭系统；只有当周边环境达标后，才可以再次启动控制系统。在控制程序初始化时，是不能直接工作的，我们要检测模块的就绪状态，如有没就绪的模块，则是先由控制系统自动修复，如果失败，再自动重启，若依旧不行，则系统报警；当系统初始化完成后，则要先查找初始零位，这个可以利用零点寻位传感器来完成，之后将进行坐标变换，焊枪就位，这时的控制系统就可以进入工作模式了；再然后，DSP控制器将会输出PWM脉冲从而控制步进电机的运动，这样我们就可以进行对应的焊接活动了；焊接时，电弧电压信息我们可以用旋转电弧传感器来进行相关数据的收集，而且其相应的位移信息我们可用DSP控制器来进行对应的转换，这样我们就可以随时反馈位移量了，闭环控制系统由此诞生。最后需要注意的是该控制系统的传感器应处于运行监视状态，这样才可以正常运行相关设备，从而保证焊接的安全性。
图1 总体设计图
三、核心控制系统选型
我们在进行这一方面的选型时，控制芯片应采用DSP芯片，这样整个控制系统的调节和控制会比较的流畅。像32位点的高速DSP芯片，其每秒可处理1.50亿条指令，比之同类产品要快很多。而且该芯片还有十六通道12位ADC，三个32位通用定时器、以及18kRAM存贮器等。
我们在设计焊接机器人自动跟踪控制系统时，其相应是数据运算熟读要求是很高的，解算和实时控制的运行量也是很大的，同时又涉及浮点型运算，这样很多芯片都是难以满足我们的需求的，而以上所需的这些都是DSP控制器的强项所在，所以选择DSP芯片是很正确的。
四、工作原理
普通的旋转电弧传感器其机械振动大、体积大，对附加设以及转矩要求高，以上这些缺点都会影响其实际的使用。而我们在现实的使用时，因为焊枪需竖直移动，所以焊枪要尽可能的轻且短小，这样其工作才能高效、安全、稳定的进行。
我们设计的电弧焊控制系统就如下图2那样。焊缝实时数据可由计算机收集，其内部焊接情况也可有计算机分析获取。
图2 电弧焊控制系统
本控制系统的扫描频率为30Hz，是普通系统的三到六倍。其基本参数如下：焊枪移动速度30mm/s，基本上可以满足所有设备的焊接速度要求，旋转一圈进1 mm；其焊缝误差以及跟踪误差都是0.1mm。
图3 广州沃玛四轴焊接机械手
表2 广州沃玛四轴焊接机械手技术参数
总结
当我们需要设计焊接机器人的自动跟踪控制系统时，我们要充分考虑到工业化生产对焊接机器人的所有特性要求，就像上图3那样的四轴焊接机械手我们在设计时就要满足如上表2那样的技术参数要求，这只是我们设计的第一步。并且在设计时要结合实际生产研究来作为参考，这样才可以保证跟踪误差以及焊缝误差都可以满足指标需求，从而适应大多数的焊缝类型的需要。
参考文献：
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[4]曹丽婷，田捷，田景文.基于双模控制的焊接机器人焊缝自动跟踪系统[J].计算机仿真，2015（09）：156-158+173.
论文作者:朱一斌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：控制系统论文; 机器人论文; 电弧论文; 系统论文; 传感器论文; 焊枪论文; 自动跟踪论文; 《基层建设》2019年第14期论文;