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基于TMS320C2407 DSP芯片的管道焊接机器人焊枪摆动器
摘要：提出了一种基于TMS320C2407 DSP芯片的管道焊接机器人焊枪摆动器。系统中采用TMS320C2407 DSP芯片作为控制核心，根据遥控器的摆动焊接方式多路开关所设定的摆动焊接方式，控制行走电机和焊枪摆动电机的运动，使两者有机结合实现设定的摆动焊接方式；并可以实现焊枪摆速、摆幅、左右滞时的任意调节。实验结果证明：基于DSP的焊枪摆动器是正确可行的，可以提高焊接质量。该系统具有广泛的应用前景。
关键词：数字信号处理器，焊接机器人，焊枪，摆动器，硬件电路
1引言
在焊接自动化领域中，为了提高焊接质量，大坡口对接或搭接的焊缝进行自动焊接时，较多采用焊枪摆动形式。为了满足不同坡口形式焊缝的需要，摆动参数（摆速、摆幅、左右滞时）要求应能调整。
目前，国内焊枪摆动机构常采用机械摆动和电控摆动两种形式。机械摆动采用直流电机带动凸轮驱动焊枪摆动，其摆动参数通过调整直流电机的速度以及凸轮的形状实现。此方式工作可靠、成本低，但摆动参数修改困难且不直观，只适用于焊缝品种变化较少的场合使用。电控摆动以单片机为核心，通过程序控制步进电机实现焊枪摆动。摆动参数通过面板上的拨码开关可以方便地设定和修改。该方法灵活性强，但单片机抗干扰能力较差，容易受环境影响造成失灵。
本文从实际应用出发，研制了一种以DSP为控制核心的焊枪摆动器，克服以上两种焊枪摆动机构的缺陷。该摆动器应用于管道焊接机器人中，经过使用，运行稳定，效果良好，证明这种方式是成功的。
2 摆动器工作原理
系统中采用TMS320C2407 DSP芯片作为控制核心设计焊枪摆动器及其控制系统，根据遥控器的摆动焊接方式多路开关所设定的摆动焊接方式，控制行走电机和焊枪摆动电机的运动，使两者有机结合实现设定的摆动焊接方式；并可以实现焊枪摆速、摆幅、左右滞时的任意调节。实现焊枪摆速调节范围为0~200cm/min，焊枪最大摆幅为40mm，最大滞时时间为3秒。
2.1 电机运动自由度分析
摆动焊接方式的实现涉及管道焊接机器人行走机构的前行运动和焊枪的摆动运动，由图1可以看出，摆动焊接方式的控制为三自由度控制问题，即需要控制行走机构的前行运动和焊枪的摆动运动的三个电机。鉴于本系统中行走机构左右电机在前进过程中是同步的，因此，实际上为两自由度控制问题。
图2为焊接施工现场要用到的四种摆动焊接方式，根据位移合成原理，四种摆动焊接方式可通过将焊接机器人前进运动与摆动机构摆动运动的有机结合而形成。
2.2 摆动器的摆速、摆幅、左右滞时控制方法
2.2.1摆速控制方法
根据控制系统应用需求，要用到三个定时器分别控制行走机构的前行运动和焊枪的摆动运动的三个电机。采用模拟电压量经V/F变换电路构造脉冲用于步进电机速度控制，摆动速度由模拟电压大小决定，该模拟电压采用A/D转换经DSP运算处理后再经过的D/A转换获得。
首先按照v（摆动速度：mm/min）= n（电机转速：r/min）×t（丝杠螺距：mm/r），求得最大摆速对应的电机转速n=400 r/min；根据步进电机驱动器分辨率4000steps/r（即4000脉冲/转）求得所需要的外部脉冲最高频率为400×4000steps/min，即f OUT = RSVIN/2.09 RL R tCt=400×4000steps/min，即RSVIN=3.581842×16×104/6，此即最大D/A输出值对应的最高脉冲频率，由此对应的A/D输入电压量可容易求出，其它D/A量对应的脉冲频率依照线性化方法求得。
2.2.2摆动幅度控制方法
步进电机的工作方式为每得到一个脉冲，步进电机走一步，因此采用脉冲计数法对摆幅进行控制。首先按照摆动幅度=转数×丝杠螺距及步进电机驱动器细分步数，计算出为获得最大摆幅所需要的最大脉冲数，其它摆幅所对应的脉冲数依照线性化方法计算获得。
由于控制脉冲由外部V/F转换获得，因此考虑用TMS320C2407芯片内部定时器构造出和外部V/F转换电路具有相同频率的软件脉冲，并用定时器周期中断实现脉冲计数任务。为使软件脉冲和V/F输出具有相同频率，必须借助于把两者联系起来的纽带，以最高摆速所对应的脉冲频率按照公式TxPR×最大脉冲频率=控制器主振频率（30MHz）/定时器分频系数计算出TxPR的数值，本文采用T2PR。小于最高脉冲频率的其它频率所对应的T2PR按照线性化方法获得。
2.2.3左右滞时的控制方法
左右滞时采用程序延时方法获得，其中延时变量由延时电位器A/D转换值经DSP处理后获得。
3摆动器硬件电路设计
3.1 DSP与摆动器执行电机驱动器之间的接口电路设计
摆动焊接方式的实现是通过控制行走交流伺服电机前行运动的启、停和摆动步进电机的启、停和转向实现的。DSP应用板通过I/O电平信号的高、低进行控制实现上述功能。摆动器硬件组成如图3所示。
本文采用日本SANYO 103H7123型步进电机，并采用美国Parker公司的OEM750作为驱动器。驱动器完成步进电机的数字细分任务，电机细分步数可达4000~20000步/转，用上述经细分后的步进电机作为焊枪摆动电机。
根据步进电机及其驱动器的驱动控制方法及DSP应用板的资源和接口情况，采用脉冲频率直接控制电机转速，采用电平信号的高低直接控制电机起、停和转向。因TMS320C2407芯片内部定时器资源有限，采用定时器构造脉冲的方法已不可取，因此将D/A扩展为8路，并在外部扩展V/F转换电路，将D/A输出电压作为V/F输入，由此获得步进电机驱动器所需控制脉冲。另外，为了以最简洁方法编制应用程序，本文设计DSP控制电路所发脉冲为连续脉冲，即只要用户程序运行，就不断的向外部发送脉冲，若将此脉冲直接传送给步进电机，则步进电机将会连续不间断的运行。因此设计一门控电路，用一个使能信号作该电路的门控信号，而以脉冲信号作为门控电路的另一输入，由此，以使能信号的电平高低控制步进电机能否获得脉冲，进而控制步进电机是否运行。
针对步进电机的转向控制，直接采用DSP控制器I/O输出的电平信号经步进电机驱动器内部脉冲相序控制电路实现。
4．结论
本文设计了基于DSP的焊枪摆动器，配合控制软件可以实现四种摆动焊接方式，焊枪摆动位置重复精度控制以及焊枪摆动参数调节。实验结果证明，基于DSP的焊枪摆动器是正确可行的，可以提高焊接质量。该系统具有广泛的应用前景。
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