2．系统配置：
基于多轴运动控制卡的伺服控制系统硬件组成如图1所示：


系统包括：
1）PC总线工控机。选用基于ＰＣ总线的工控机IPC-610，该机拥有标准16位数据总线及组态灵活的板块化系统结构，可根据需要配置板卡。
2）三轴交流伺服运动控制卡。三轴交流伺服运动控制卡PCL-832集成了码盘计数器和12位的Ｄ/Ａ输出，使用数字微分分析技术DDA(Digital Differential Analysis)，实现了高精度位置控制。特殊设计的同步信号保证三轴的同步控制，可以完成三轴线性插补或两轴圆弧插补计算，1ms伺服控制更新，12位模拟量输出，满刻度为±10Ｖ。能够实现精确位置控制，而且每轴都有其独立的位置控制芯片，可以实现三台交流伺服电机的完全独立控制。本文的数控焊接变位机系统仅使用了其中的两个通道。
3）开关量输入/输出板。开关量输入/输出板包括PCL-724和PCLD-885。本系统选用的PCL- 724是数字I/O卡，24通道，实现内置PLC功能。通过它与机器人通讯，驱动PCLD-885继电器输出板实现继电输出功能，主要用于与外部焊接控制器、传感器的通讯、控制器面板指示灯开灭以及错误报警等。
4）伺服驱动装置、位置检测装置、执行机构和气缸定位装置。

3．控制系统设计
3.1 位置控制过程
1）数字微分分析(DDA)
DDA插补控制过程是PCL-832卡工作的核心，见图2。为了协调控制多轴伺服系统，各轴同时从t1时刻开始发送位置控制给定信号，同时在t2时刻结束给定信号的发送。t1与t2之间的时间区间定义为一个DDA循环。循环时间由软件设定。


DDA循环中的每一个脉冲代表伺服电机转动ｎ度，即代表一个位置给定。可以在软件中动态地设定每个DDA循环中的脉冲数，每个DDA循环中的脉冲总数就反映了在该循环中位置改变的总量。对交流变频器连续的脉冲输出，在宏观上表现为平稳的位置改变。将脉冲发往ＣＭＤ+或ＣＭＤ-通道决定了电机的转向，以上的所有工作均由卡上内置的运动ＤＳＰ芯片完成，仅需在一个DDA循环开始前将位置信息写入运动控制芯片的缓冲区而已。
DDA循环时间代表了控制脉冲序列的开始与结束时间段，为了保证多轴的协调控制，所有的轴使用了同一个DDA循环时间。软件设定DDA循环时间可由以下公式(1)计算：
DDA循环时间=0.512ms×寄存器中预设置

(1)寄存器中的预设置可以通过向DDA寄存器的地址中写入值的方法实现，由于DDA寄存器是12位寄存器，因此写入的最大值为4095，而最小值规定为2。根据式(1)，可知DDA循环时间的设置范围为1～2000ｍｓ。DDA循环时间越短，则控制软件的实时性越好，但如果DDA循环时间取得太小，其ＣＰＵ占用率太高，则其它实时控制模块无法正常运行，故各实时任务的执行频率应依据其优先级和最坏情况下的运行时间来选取。
2）位置闭环控制过程 PCL-832卡使用比例闭环控制获得可靠的控制效果。卡中内建了速度反馈环和偏移量机制来消除在输入很小时而产生的静态误差。图3为PCL- 832运动控制卡的功能模块示意图。


DDA发生器通过ＣＭＤ+和ＣＭＤ-通道产生连续的给定脉冲。此控制脉冲与编码盘产生的反馈脉冲在比较器中进行比较，其结果送入比例控制器后，由比例控制器输出控制脉冲，控制脉冲送入误差计数器，误差计数器实时驱动Ｄ/Ａ转换单元，完成闭环位置控制。当DDA循环发生器被软件激活后，在下一个DDA循环开始的上升沿，PCL-832将产生一个中断，在中断程序中，将DDA脉冲缓冲区中的预设值ｎ送入DDA发生器。数目为ｎ个脉冲的脉冲序列将在下一个DDA循环中产生。在控制软件中，必须在当前DDA循环完成前，将预设值送入DDA脉冲缓冲区，否则在下一个DDA循环中将没有脉冲输出。
DDA发生器产生的脉冲与反馈的码盘脉冲经比较器比较后送入误差计数器。根据转动方向的不同，误差计数器的输出上升或下降，由于误差计数器直接驱动Ｄ/Ａ输出，因此Ｄ/Ａ的输出随误差计数器的输出变化而变化，使变频器驱动电机做出相应的响应。当整个控制过程完成后，误差计数器的值应该为零。在非正常情况下，比如码盘电源掉电，这时反馈信号丢失，那么误差计数器中的值将会持续上升，电机转速会越来越快，最终导致危险的发生。为了避免这种情况的发生，误差计数器规定了其最大上限值为4095，如果误差计数器中的实际值超过了该上限值，意味着系统工作异常，PCL-832卡产生溢出信号并锁定任何操作，保证了系统的安全性。

3.2 运动速度的控制
数控焊接变位机有两种到位方式。第一种方式为点到点方式，这种方式用于工件位置变换，从位置一到位置二只是精确地控制定位精度，而不管从位置一到位置二按照什么轨迹运行，按照什么速度变化。为了提高生产率，一般先以较高的速度运行，在接近目标位置时，经1～3级减速，使之慢速趋近目标点，减小定位误差。在此过程中，对运行速度不做控制，仅限定运行速度低于设计转速即可。
第二种工作方式为轨迹工作方式，这种方式用于焊接状态。一般情况下变位机的运动用于将工件上的焊缝变位到水平或船型位置，但在焊接较大的管-板或管-管焊缝时需要多次变位方能焊完一条焊缝，增加了接头数量，影响焊缝质量。为了实现连续焊接，这时可让机器人焊枪不动而让变位机旋转实现连续焊接，这种状态下不仅要求具有准确的定位功能，而且要求运行的速度是可控的，对于不同的工件使用不同的焊接规范。由于自动焊的焊接速度影响焊接热输入和焊接熔深等指标，因此运行速度的均匀性对焊缝质量有较大的影响，这就要求对速度进行高精度的控制。
在DDA循环中，每次插补结束后，控制装置向每一个运动轴输出基准脉冲序列，每个脉冲代表了最小位移，脉冲序列的频率代表了轴的运动速度，而脉冲的数量表示移动量。
在DDA控制过程中，影响运行速度主要有两个因素。一是DDA循环间隔时间，即粗插补的时间周期;二是每一个DDA控制周期内所发出的控制脉冲数。根据控制精度要求，已经将粗插补时间周期定为5ms，因此在系统中影响速度的因素主要为每个DDA控制周期内所发出的脉冲数，每个DDA控制周期内所发出的脉冲数愈多，则运行速度愈快，只要控制每个DDA循环的脉冲数就可控制运行速度。虽然在每一个DDA控制周期内仍然是根据偏差变化的变速控制，但由于DDA粗插补时间周期非常短(ms级)，因此在运动的宏观表现上是平滑的匀速运动。

4．控制系统运行结果

4.1 速度控制结果
图4ａ和图4ｂ分别为固定DDA循环时间5ms条件下，实验得出的每个DDA循环中输出脉冲数与倾斜轴和旋转轴转速之间的对应关系。由实验结果可以看出，在固定DDA循环时间内，每个DDA循环中输出的DDA脉冲数与转速是严格的线形关系。在变位机的额定速度范围内，倾斜轴的速度控制相对误差最大为0.309%。旋转轴的速度控制相对误差最大为1.827%，完全满足焊接时对速度均匀性的要求。


4.2 位置控制结果
精确的位置控制对于焊接机器人用数控焊接变位机是十分重要的。影响位置控制精度的主要外部因素有负载变化和运行速度等。为了检测数控焊接变位机的位置控制精度，本文在不同条件下对焊接变位机的到位精度进行了实测(注：实验中用光电编码盘的反馈信号作为到位精度的标准，配合锥销插孔检测。光电编码盘为25000个脉冲/转，系统中的4倍频后可达到100000个脉冲/转)。
1) 负载变化。进行了从空载到负载200kg的位控精度实验。在实验过程中，让变位机在各个工作角度示教5个点，然后让其由第一点依次运动到第五点，这样的实验按不同负载共做了5组。结果表明，负载的变化对精度的影响较小，变位机的到位精度控制在±1个脉冲之间。
2)速度变化。粗插补时间周期定为5ms，倾斜和旋转两轴的每个DDA控制周期内所发出的脉冲数按照1，5，10，15和20个分为5个组，测量任意两个示教位置的到位精度，实验结果表明，运行速度对位置精度有一定影响，速度越快精度越差，但在变位机设计速度范围内，到位精度控制在±3个脉冲之间。
综上所述，数控焊接变位机的位置控制精度总体可以做到小于或等于3个位置脉冲，由此可知其理论位置控制。
相对误差为3/100000=0.0003%(变位机运行在360°以内)。　　
绝对误差为3×3.14×1000/100000=0.0942(ｍｍ)(工作台边缘，工作台直径为1000(ｍｍ)。
可见其定位精度在工作台边沿处理论值可达到±0.1ｍｍ。由于到位误差通过检测码盘反馈而得到，而码盘反馈检测不到由于齿轮间隙所造成的误差，因此这部分误差是检测不到的。为了检测系统的实际到位误差，进行了锥销插孔检验(锥销和锥孔偏差5个脉冲，锥销就不能完全插入)，不同位置、速度和负载进行了多次试验，锥销均能完全插入，因此可知工作台边沿定位精度≤5×3.14×1000/100000=0.157(ｍｍ)。

4.3 焊接实验
为了验证整个控制系统的控制精度和可靠性，对典型焊件进行了多次焊接试验，结果证明该系统满足与机器人配合工作的位置控制和速度控制精度要求。

5. 结论

弧焊机器人用数控焊接变位机控制系统采用研华PCL-832三轴伺服运动控制卡，基于数字微分分析控制，实现了对弧焊机器人用数控焊接变位机的位置、速度和运动轨迹的精确控制。由于使用多轴控制卡使得系统结构简单，控制软件开发简化。实验表明该控制系统可靠性高，稳态精度好，重复定位精度达到±0.1ｍｍ。

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