焊接机器人是从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人,是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机,具有三个或更多可编程的轴;并且有提高劳动生产率,改善工人劳动强度和工作环境,降低对工人操作技术的要求等特点,广泛应用于工业自动化领域。 机器人控制系统是机器人的核心部分,鉴于焊接机器人对焊接路径的高精度要求,必须采用伺服控制系统作为机器人机械手臂的控制系统。伺服控制技术是一种伴随着计算机技术、信息技术、电子技术等发展起来的一门自动控制技术,并且与传统机械学相结合,利用数字化信号对机床进行加工控制的一种控制方法,是一门综合性的应用学科。

采用模块化思想和全数字化伺服控制系统设计,给出了伺服控制系统的硬件电路设计和相应的软件设计;在此基础,采用模糊PID控制,用Matlab对电机进行了仿真研究,达到了比较理想的控制效果。

主要分析内容和创新点如下: 

(1)焊接机器人伺服控制系统的分析。分析了伺服控制系统主要被控对象——无刷直流电流的组成及工作原理,建立了无刷直流电机的数学模型,推导出无刷直流电机的传递函数。 

(2)基于模糊PID的伺服控制系统分析。基于模糊PID的直流伺服电机控制。包括模糊PID算法,模糊PID控制器的设计,以及在Matlab环境下的模糊PID控制器建模。得出的直流伺服电机数学模型,建立了伺服控制系统的仿真模型,进行了仿真研究。仿真结果表明,采用模糊PID算法控制策略明显优于一般PID控制策略,使得焊接机器人控制系统有良好的动态性能和稳态精度。 

(3)基于DSP的全数字化焊接机器人控制系统硬件设计。从高性能和使用性角度出发,以数字信号处理为核心,按照模块化及数字化设计思想,采用电机控制专用DSP芯片实现对无刷直流电机伺服运动控制。由于该控制系统选用的DSP芯片TMS320F2407内部已集成PWM输出、A/D转换、串行接口、看门狗实时中断定时器等电机控制相关模块,使焊接机器人运动控制器具有较高的集成度和优良的性能价格比,降低系统的成本,减少机电系统体积,并且有很好的扩展性。同时还进行了DSP外围电路、驱动电路以电流检测等硬件电路的设计,采用全数字化伺服驱动电路、增强控制系统的抗干扰性。该控制器不仅可广泛应用于一般机器人、机械臂及工业机床等控制系统设计,还可应用于电机较多而体积要求严格的控制系统。

(4)焊接机器人伺服控制系统软件设计。伺服控制系统软件的设计方法,包括控制系统中主程序的设计、捕捉中断服务程序的设计,T1周期中断服务程序的设计、CAN接收中断服务程序的设计和CAN总线传输错误中断服务程序的设计等。此外,本课题给出了上位机和下位机的通信接口协议,主要是为方便上位机的开发而设置的。 

(5)焊接机器人系统安装调试及实验分析。在硬件设计和软件设计的基础上,结合松下AW-7000焊接机器人的机械臂,实现了焊接机器人系统的安装与调试。研究了焊接机器人示教过程,结合本课题所设计的焊接机器人控制系统,使用松下AW-7000焊接机器人机械臂做焊接实验,拍得实验结果实物图。通过实验结果实物分析可知,本课题所设计的控制系统能良好运行,适应环境干扰,能较**的定位到焊缝上,满足焊接要求。

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