基于傾角傳感器的焊槍擺動器設計

熊治文

（廣西機電職業技術學院電氣工程學院，廣西南寧，530007）

0 引言

隨著科學的進步和發展，焊接早已脫離了簡單結構的連接或者坯料制造的范疇，變成了現代制造工業中不可或缺的精加工方法之一。而現代的發展生產所追求的是高效率與高質量的結合，這與傳統的人工制造形成了矛盾，也就是說傳統的生產效率已遠遠不能滿足現代化的生產需求；所以新時代的焊接制造必須做出轉變，順應時代的發展，向著自動化、機械化、智能化發展才是大勢所趨，而這就是新時代工業焊接機器人誕生的根本原因，該機器人主要由變位機、傳感器、控制器、自動焊機等組成。

本文主要研究工業焊接機器人中的焊接擺動器，為了提高焊接效率、質量、精準度[4]。進一步開展基于微處理器的焊槍設計研究。通過設計出如下的控制方案：

采用單片機芯片作為控制器向各模塊提供數據信號、方向信號、使能信號給驅動器，把傾角傳感器輸出的一系列脈沖信號進行處理，并將數值顯示于LCD屏，且單片機控制電機的轉動。傾角傳感器作為監測機構，通過焊槍與焊縫的偏差角度進行實時監控。

焊槍擺動器可根據焊槍與焊縫的偏差角度實時糾正，采用柔性導桿反饋偏差角度，單片機驅動液晶顯示偏差。將為工業焊接機器人在提高精準度與效率方面的發展提供參考。

1 焊槍擺動器設計方案

■1.1 焊槍擺動器結構設計

在本文中的焊槍擺動器的部分結構中主要由焊槍、十字滑塊、柔性導桿、滑輪、傾角傳感器、焊縫等組成，如圖1所示。焊槍的作用是進行焊接，十字滑塊是一種設想的結構，可以進行調整柔性導桿與焊槍的距離，防止焊槍與柔性導桿距離過進，導致導桿受損；柔性導桿的作用是為了讓傳感器遠離焊槍，避免焊接過程中受焊接弧光和溫度的影響；滑輪的作用是為了讓柔性導桿能順利地在焊接板塊上方便的移動，減少摩擦，避免了導桿的磨損與壽命的衰減[1]，提高機器的使用壽命；傾角傳感器使用的是GY-傾角檢測儀，主要用來檢測角度的變化回饋給控制器，該傳感器之所以裝在導桿的中間是為了能更好以及更靈敏更快速的檢測出導桿相對于焊縫的角度變化，而導桿就相當于焊槍的延伸，故而導桿的形變就預示著焊槍的形變，所以角度傳感器的靈敏度與快速性決定焊槍的焊縫跟蹤精度，具體的結構如圖1所示。未添加的結構有兩臺來分別代表焊槍擺動器的前后、左右方向的轉動動力的步進電機以及單片機控制器，當角度傳感器向右偏轉時，導桿會率先向右發生形變，然后單片機會使LCD顯示出角度的變化的大小，同時控制負責左右方向的電機回轉，使焊槍免于碰撞和偏移，使焊槍不偏離焊縫，進而實現焊槍擺動器的焊縫跟蹤控制。

圖1 焊槍擺動器結構圖

■1.2 控制系統設計

控制系統方案如圖2所示，在以微控制器STC89C52RC為核心的條件下，形成的閉環控制，同時分出三大設計模塊。

圖2 控制系統總體設計框圖

本系統主要采用單片機微控制器作為控制核心，通過角度傳感器構成的監控模塊、LCD顯示模塊、步進電機以及驅動模塊構成焊槍擺動器的控制系統。GY-25傾角檢測儀將角度數據通過串口發送給單片機寄存器中，其中角度數據包括了三個方向的角度數據，分別是航向角、橫滾角以及俯仰角，在本設計中只用到了航向角和俯仰角的數據；單片機將這兩個數據通過LCD顯示出來，當下一次角度發生變化時，通過判斷是哪一個方向的角度發生了變化，從而判斷是哪一個步進電機會收到脈沖信號從而發生轉動，以此來模擬焊槍的擺動，當擺動結束，會將數據上傳，以此來實現下一次角度偏轉時，能通過角度差的計算公式來繼續給步進電機轉動的脈沖數。

2 焊槍擺動器設計

■2.1 主程序流程設計

焊槍擺動器的軟件設計所使用的編輯語言是C語言，無論是主程序還是子程序等等都是采用的C語言編程，主程序流程圖主要包括系統初始化、LCD顯示子程序、串行寫入/讀取、電機正反轉，軟件設計的主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

■2.2 電機控制程序設計

為了實現焊縫跟蹤，當焊槍的角度發生偏移時，角度傳感器通過柔性導桿實時檢測到角度的變化，這時就會啟動控制步進電機的程序，使電機轉動，從而調整焊槍回到正軌，實現焊縫跟蹤，電機的控制程序流程圖如圖4所示。在電機控制時，我們還要考慮到步進電機的最小步距角與轉速，以下就是求得步進電機步距角與轉速的方法：

圖4 電機控制程序流程圖

由本文電機參數可知所使用的步進電機是四相永磁式步進電機，采用的是八拍運行方式，齒數為八個；減速比為1：64；空載頻率f=550Hz。

由公式（1）：n為轉速。f為頻率，所以求得的轉速為8轉每分鐘。

3 實驗結果與分析

在模擬焊槍擺動器的焊接過程中，利用角度傳感器來進行焊縫跟蹤中的焊槍角度的檢測，角度傳感器主要負責的是俯仰角與水平角的檢測，然后通過串口傳輸數據給單片機，最終通過數據處理，顯示在LCD上。本次測試是摘選的角度是水平角+20度、-20度；俯仰角+15度、-15度的角度顯示測試，測試結果如圖5和6所示（以下圖水平位置為俯視圖，俯仰位置為正視圖）。

首先將傳感器水平移動+20度，因為角度傳感器是水平焊接在萬用板上，因此我將焊接板放在水平桌面上，在上電初化完成后，通過慢慢逆時針水平旋轉焊接板塊，就會發現顯示屏上“Y”后面對應的數值會緩慢呈正數增加，一直增長到本次需要檢測的+20°角，我們就停止轉動焊接板，最終在顯示屏上顯示出如圖5所示的結果。

圖5 水平角+20度檢測

在檢測俯仰角時，我將水平放置的焊接板緩慢的水平抬起15°角，就會發現顯示器上“P”所對應的數值會呈正數增加，一直抬起焊接板直到數值達到所要檢測的“+15”度為止，顯示結果如圖6所示。

圖 6 俯仰角+15度檢測

正如檢測俯仰角+15°角時一樣，我只要水平抬起焊接板的右邊，這時顯示器上“P”就會后面的數值將呈負數增長，直到增長到我們所需要的“-15”數值為止。

通過模擬焊槍擺動器的工作過程，通過角度傳感器的角度檢測以及焊槍的自動回調，當焊槍在焊接時焊槍發生偏移，不能繼續維持焊槍的焊縫跟蹤功能時，此時角度傳感器就會在柔性導桿的輔助作用下檢測到焊槍的同步角度偏差，在第一時間內單片機就會通過角度差的計算來得到相應的脈沖數，從而發送該脈沖數來控制負責焊槍水平/俯仰回轉的步進電機，兩個步進電機就會因此得到使自身轉動的脈沖信號，例如：焊槍的水平位置發生了偏移，通過程序計算出的偏移的角度差為正數，則單片機就會發送給控制焊槍水平位置的電機相應的脈沖信號，水平步進電機就會反轉相應角度，以此來模擬焊槍水平位置的自動調整；以此類推，俯仰電機也是如此。最終兩臺步進電機根據相應角度發生正/反轉的具體實驗數據如表1所示。

表1 兩臺電機的正反轉檢測表

2 15 反轉 100% 水平角電機3 25 反轉 100% 水平角電機4-5 正轉 100% 水平角電機5-15 正轉 100% 水平角電機6-25 正轉 100% 水平角電機7 5反轉 100% 俯仰角電機8 15 反轉 100% 俯仰角電機9 25 反轉 100% 俯仰角電機10 -5 正轉 100% 俯仰角電機11 -15 正轉 100% 俯仰角電機12 -25 正轉 100% 俯仰角電機

4 結束語

采用的角度傳感器雖然可以檢測到水平位置角度-180度到+180度，但是在俯仰角度的檢測中只能實現單邊角的檢測，例如東西南北四個方向，它只能單方面的檢測到東西方位角或者南北方位角的角度變化，這是本課題的缺點之一。在后續研究中可進一步改進設計，采用多自由度陀螺儀解決上述問題。