| 摘要：本课题完成了多功能自动焊接机床的研究，利用步进电机分别对焊枪和工件的运动进行联合控制，实现了复杂空间曲线接缝的焊接。设计了伺服控制软硬件系统，并对其中的关键技术如数学模型和插补算法进行了叙述，最后对系统精度进行了分析，并提出了改善措施。
论文关键词：自动焊接,数学模型,控制
为保证焊接产品质量的稳定性、提高生产效率、适应先进制造技术的发展要求，实现焊接自动化生产已经成为必然的趋势。本研究课题针对目前在实际生产中复杂空间取消焊缝焊接任务所占比重较大、而且难以人工焊接实现，以及国内相关技术研究较少的现状，对多功能自动焊接伺服控制技术进行了研究。
1自动焊接开放式数控系统
基于开放式数控系统的焊接数控系统是一个结构开放，功能模块化、标准化性能强大的焊接数字化系统，将改变传统的焊接数控系统结构封闭的局面，解决变化频繁的需求与封闭控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强系统的柔性。同时，自动焊接开放式数控系统具备以下有点：成本低，软件开发环境完备，软件资源丰富，可移植性可扩展性互补性均较好等。
本文所设计的自动焊接机床，可焊接多种类型的工件，实时控制系统各模块之间保留了统一的接口，根据用户的需要可随时添加所需的模块，既满足了用户的需要，又提高了该机床的实用性。
2 设计
2.1机床本体的设计
自动焊接机床主要包括机床本体和焊接设备两部分。机床本体由机械部分和控制柜(硬件及软件)组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源(包括其控制系统)、送丝机(弧焊)、焊枪(钳)等部分组成。本研究以复杂空间曲线接缝(如管与管之间以任何角度连接接缝)自动焊接实现为目标，研制开发一台可实现五轴联动的多功能自动焊接床的机械及伺服执行机构。
2.2构建伺服控制硬件系统
该机床利用计算机和普通的I/O卡加步进电机和驱动器构成伺服控制系统。采用“通用I/O卡+专用计算机软件”来实现对步进电机的控制，不仅经济实惠，而且具有非常好的灵活性和友好的软件用户界面，必要的时候可以实现一台电脑同时对几十个步进电机的直接控制，或发挥它的网络功能应用于复杂的工程系统控制。采用通用“I/O卡+专用计算机软件”控制的步进电机的数量取决于I/O卡的位数和驱动器所需的控制信号数。通常情况下，步进电机驱动器的细分设置由硬件来完成，所以一般的驱动器只需要两个信号：脉冲信号和正反转信号，当需要实现软件方式控制驱动器的细分数时，还需要细分控制信号。系统各部件原理如图1所示。输入设备包括键盘、控制杆等，通用数字输入输出卡采用AC4161型，有16路的输入输出通道，因此最多可以同时控制五个步进电机，其中三个采用75BF001型号，分别控制X、Y、Z三个方向的位移，保持转矩为0.39N*m，最大相电流3A，步距角1.5度，空载启动频率为1.75Hz。
3 关键技术及实现
3.1建立三维空间中的数学模型及插补算法
在机床的硬件平台搭建后之后，如何控制焊枪及工作台的精确运动从而实现相贯线焊缝的焊接就成为需重点解决的问题。本文采取了首先建立数学模型，并在保证插补误差和焊接精度的基础上，将工件相交而成的连续焊缝采用等时间间隔的插补方法离散成一系列的微小直线段，然后将所获得的位移量通过精插补算法转换成可以通过开关量卡发送的脉冲数据，最终控制步进电机驱动执行机构完成对相贯线焊缝的焊接。
以相交圆柱管相贯线接缝焊接为例，数学模型的建立：
设相交两圆柱管(主管和支管)的半径分别为R和r，且R>r，如图2所示，坐标原点O是两圆柱管轴线的交点，两圆柱管轴线OV和OW的交角为α。焊接时，工件固定在工作台上，工作台沿x、y轴移动，焊枪沿z轴上下移动，同时还可以O′为定点绕X轴和Y轴转动，通过这五个轴向的运动控制，就可实现相贯线焊缝的自动焊接。由此可得半径分别为R和r的两个圆柱管相交所形成的相贯线接缝φ(θ)在O′XYZ坐标系中的方程：
其中，θ是支管上的旋转角。
完成实时焊接的伺服控制的首要任务就是对焊接轨迹进行插补运算。插补就是按给定曲线生成相应逼近轨迹的方法，其实质是对给定曲线进行数据点的密化。本文采用等长直线段逼近相贯线焊缝，即在保证给定逼近误差的前提下，用等长直线段代替圆弧段，这种插补方法的计算简单，虽然加工精度不如采用圆弧段逼近的方式，但却完全能够满足焊接加工的精度要求。
3.2 自动焊接软件系统平台的开发
该系统的精插补过程由软件和硬件共同实现，由软件计算出控制信号的输出时间间隔和应该向步进电机发送的高低电平数据，由硬件接口板实现数据的输出。编制运动控制软件实现精插补的过程有两个关键环节：一是如何得到比较精确的延时时间间隔；二是如何将单个电机的控制脉冲序列进行合并，最终实现自动焊接机床五个轴的联动。本研究利用Delphi软件构建操作软件系统平台，以界面友好为设计目标，按照功能进行模块化设计，实现自动焊接数据处理、制等需要的各种操作。
4 系统精度的分析与改善
本文所设计自动焊接数控机床是采用步进电机作为驱动源，与相应的驱动电路结合组成的开环控制系统。在步进电机驱动系统中，影响伺服精度的主要因素有以下几个方面： 步进电机误差、齿隙误差、导轨误差及热变形影响等。
对于步进电机误差可采取减小步距角的方法来改善。当传动比一定时，随着步距角的减小，脉冲当量也随之减小，从而提高机床的精度。当电机选定之后，驱动器细分电路可进一步降低机床的脉冲当量，当步进电机运行在细分模式下时，步距角显著减小，转子达到新的稳定点之后所具有的动量变小，振动变小，提高了步进电机低速段运行的平滑性；在软件方面，通过对插补周期和插补步长的控制，使步进电机的运行频率尽量避开其低频振荡区间，保证步进电机的运行平稳性。
对于齿隙误差，主要采取以下两种改善措施：将中心距设计为可调机构，调节中心距消除齿隙；双片齿轮加载扭簧消除齿轮本身误差引起的间隙。可通过提高导轨精度来改善导轨误差。
参考文献
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