專利名稱：雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及錫焊機器人控制領(lǐng)域，特別是涉及一種雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器及方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，錫焊加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經(jīng)驗、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。焊接與其它工業(yè)加工過程不一樣，手工焊接時，有經(jīng)驗的焊工可以根據(jù)眼睛所觀察到的實際焊點位置適時地調(diào)整焊槍的位置、姿態(tài)和行走的速度，以適應(yīng)焊點及焊接軌跡的變化。但是對工廠來說，要招聘一個熟練的焊接工，就目前的工人心態(tài)以及工廠對員工的成本核算成為了一個正負(fù)交錯對立的局面，這是手工焊接的一個瓶頸；
此外，人工焊接會受到焊接工的工藝水平的限制，焊接質(zhì)量和產(chǎn)量隨之而受到影響，同時受到焊接工的技能影響，產(chǎn)品焊接的效率和成本核算也是無法去量化。

在高技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已日趨落后，隨著電子產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，手工采用烙鐵工具逐點焊接PCB板上引腳焊點的方法，再也不能適應(yīng)市場要求、生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。新型的自動化焊接生產(chǎn)將成為新世紀(jì)接受市場挑戰(zhàn)的重要方式。由于錫焊機器人是新型自動化的主要工具，直接將機器人變?yōu)橹苯由a(chǎn)力，它在改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，提高生產(chǎn)效率及對市場的適應(yīng)能力方面顯示出極大的優(yōu)越性。在一些特殊的錫焊動作中，錫焊機器人不僅需要反復(fù)在一條直線上或者一個二維的平面上進行直線或圓弧點焊或者是按照一定的規(guī)律對一些位置進行點對點的點焊，而且由于在一個復(fù)雜的電路板上器件高度不一致，這個時候機器人需要在相對于電路板二維平面垂直的方向運動一個距離，這個時候一臺三自由度錫焊機器人可以很快的完成上述動作。一臺完整的三自由度錫焊機器人大致分為以下幾個部分:
1)電機:在這個系統(tǒng)中，執(zhí)行電機有四個，三個電機根據(jù)微處理器的指令來執(zhí)行錫焊機器人在一個三維空間直接行走的相關(guān)動作，另外一個電機根據(jù)微處理器的指令執(zhí)行焊接需要出錫量的多少；
2)算法:算法是錫焊機器人的靈魂。錫焊機器人必須采用一定的智能算法才能準(zhǔn)確快速的從三維空間里的一點到達(dá)另外一點，形成點對點的運動，或者曲線軌跡的運動，并且根據(jù)外界不同條件計算出錫量的大小；
3)微處理器:微處理器是錫焊機器人的核心部分，是錫焊機器人的大腦。錫焊機器人所有的信息，包括焊點位置、出錫量多少、電機狀態(tài)信息以及四個電機相互配合運動等都需要經(jīng)過微處理器處理并做出相應(yīng)的判斷。三自由度自動錫焊機器人結(jié)合了多學(xué)科知識，對于提升在校學(xué)生的動手能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進學(xué)生課堂知識的消化和擴展學(xué)生的知識面都非常有幫助。
但是由于國內(nèi)研發(fā)此機器人的單位較少，相對研發(fā)水平比較落后，研發(fā)的單片機自動錫焊機器人結(jié)構(gòu)如圖1，長時間運行發(fā)現(xiàn)存在著很多安全問題，即:
作為自動錫焊機器人的電源采用的是一般交流電源整流后的直流電源，當(dāng)突然停電時會使整個錫焊運動失??；
作為錫焊機器人的主控芯片，采用的多是8位的單片機，計算能力不夠，導(dǎo)致焊接系統(tǒng)運行速度較慢；
基于微處理器與專用運動控制芯片的控制模式一般先有微處理器根據(jù)預(yù)設(shè)位置計算出電機需要的各種預(yù)設(shè)，然后送給專用芯片進行二次計算生成控制電機的PWM波信號，這類運動控制器開發(fā)簡單、可靠性高，但是由于有微處理器軟件參與系統(tǒng)伺服的部分無法計算，使得系統(tǒng)計算速度一般也不是很高，而且由于采用了專用的運動控制芯片，無法進行擴展設(shè)計，也無法實現(xiàn)各種先進運動控制算法；
在基于微處理器與專用運動控制芯片的控制模式匯總，一般一個專用控制芯片控制一個電機，并且占用大量的微處理器口地址，對于三自由度錫焊機器人運動系統(tǒng)來說，要用到復(fù)雜的控制技術(shù)才可以實現(xiàn)；
作為自動錫焊機器人的執(zhí)行機構(gòu)采用的多是步進電機，經(jīng)常會遇到丟失脈沖造成電機失步現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致系統(tǒng)對于焊點出錫量不一致；
由于采用步進電機，其本體一般都是多相結(jié)構(gòu)，控制電路需要采用多個功率管，使得控制電路相對比較復(fù)雜，并且增加了控制器價格，并且由于多相之間的來回切換，使得系統(tǒng)的脈動轉(zhuǎn)矩增大，不利于系統(tǒng)動態(tài)性能的提高；
由于自動錫焊機器人在焊點間的頻繁點焊，要頻繁的剎車和啟動，加重了單片機的工作量，單一的單片機無法滿足自動錫焊機器人快速啟動和停止的要求；
由于受到周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素的干擾，單片機控制器經(jīng)常會出現(xiàn)異常，引起錫焊機器人失控，抗干擾能力較差；
由于受單片機容量和算法影響，普通錫焊機器人對已經(jīng)經(jīng)過的焊點信息沒有存儲，當(dāng)遇到掉電情況或故障重啟時所有的信息將消失，這使得整個錫焊過程要重新開始或者人工更新路徑信息；
在焊接的時候雖然可根據(jù)被焊物體的焊點大小來調(diào)整送錫量的大小，但是沒有考慮焊點的溫度，導(dǎo)致焊點不一致；
在錫焊過程中，忽略了對烙鐵頭的清洗，經(jīng)常導(dǎo)致因為烙鐵頭上的殘留焊錫而產(chǎn)生焊接不良或焊點污穢的情況發(fā)生；
對于三自由度錫焊機器人的點焊過程來說，一般要求控制其軌跡運動的三個電機的PWM控制信號要同步，由于受單片機計算能力的限制，單一單片機伺服系統(tǒng)很難滿足這一條件；
由于大量采用體積較大的插件元器件，使得伺服控制器的體積較大。隨著現(xiàn)代制造工藝的技術(shù)發(fā)展，伺服控制方式主要由軟件伺服來實現(xiàn)，從而使在伺服系統(tǒng)中使用現(xiàn)代控制理論算法成為可能。這種嵌入式的微型系統(tǒng)拓展了伺服系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，促進了伺服系統(tǒng)多樣化的發(fā)展。采用高速微處理器和高性能數(shù)字信號處理器(DSP)作為伺服控制核心的控制策略，逐步取代計算能力較弱的單片機控制方式成為必然。

為了滿足高速、高效生產(chǎn)的需要，必須對現(xiàn)有的基于單片機控制的三自由度自動錫焊機器人控制器進行重新設(shè)計，尋求一種基于數(shù)字信號處理器的高速、高效錫焊伺服系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器及方法，采用了基于DSP與FPGA雙核控制器的全新控制模式，以FPGA為處理核心，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號的實時處理，同時把DSP從復(fù)雜的工作中解脫出來，實現(xiàn)了 DSP與FPGA的分工，二者之間能夠進行通訊，能夠?qū)崟r進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用，實現(xiàn)了信號處理算法和響應(yīng)中斷，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是:提供一種雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器，包括=DSP與FPGA雙核控制器、用于三自由度錫焊機器人伺服系統(tǒng)的電機U、電機Z和電機X、用于三自由度錫焊機器人出錫系統(tǒng)的電機Y和用于三自由度錫焊機器人溫度控制的溫度檢測模塊，所述DSP與FPGA雙核控制器分別連接電機U、電機Z和電機X，所述DSP與FPGA雙核控制器連接電機Y，所述DSP與FPGA雙核控制器與溫度檢測模塊相互連接。在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述DSP與FPGA雙核控制器包括FPGA現(xiàn)場可編程門陣列和DSP數(shù)字信號處理芯片，所述FPGA現(xiàn)場可編程門陣列用于控制三自由度錫焊機器人的伺服系統(tǒng)和出錫系統(tǒng)，所述DSP數(shù)字信號處理芯片用于控制人機界面、路徑讀取、溫度檢測、在線輸出、數(shù)據(jù)采集與存儲或I/O控制。在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述DSP數(shù)字信號處理芯片為TMS320F2812芯片。在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述電機為直流永磁伺服電機，所述直流永磁伺服電機上裝載有光電編碼盤。為解決上述技術(shù)問·題，本發(fā)明采用的另一個技術(shù)方案是:提供一種雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器的方法，包括如下步驟:
1)、操作人員把加工部件安裝在三自由度錫焊機器人的夾具上；
2)、打開電源，在打開電源的瞬間DSP會對電源電壓的來源進行判斷:當(dāng)確定是蓄電池供電時，如果電池電壓是低壓，雙核控制器將封鎖FPGA的PWM波輸出，此時電機X、電機Z、電機U和電機Y都不能工作，同時電壓傳感器工作，雙核控制器發(fā)出低壓報警信號，人機界面提示更換電池信息；
3)、啟動三自由度錫焊機器人的自動控制程序，通過雙核控制器的USB接口輸入任務(wù)；
4)、將三自由度錫焊機器人移動到起始點的上方，調(diào)整好位置；
5)、為了能夠驅(qū)動三自由度錫焊機器人電機X、電機Z、電機U和出錫系統(tǒng)伺服電機Y的運動，本控制系統(tǒng)引入FPGA，由其生成控制四個電機運動的PWM波，但是通過I/O 口與DSP進入實時通訊，由DSP控制其PWM波形的輸出和封鎖；
6)在三自由度錫焊機器人運動過程中，DSP會時刻儲存所經(jīng)過的距離或者是經(jīng)過的焊點，并根據(jù)這些距離信息確定對下一個三維工作點錫焊機器人的三軸:電機X、電機Z和電機U要運行的距離，DSP然后與FPGA通訊，傳輸距離參數(shù)和當(dāng)前運行速度給FPGA，
然后由FPGA根據(jù)模糊控制原理生成控制電機X、電機Z和電機U運動的速度梯形圖，其中速度梯形圖包含的面積就是三自由度錫焊機器人電機X、電機Z和電機U要運行的距離，速度梯形圖再結(jié)合電機X、電機Z和電機U的電流和光電編碼盤的信息生成控制電機X、電機Z和電機U行走的PWM波和方向；
7)當(dāng)電機X、電機Z和電機U共同推動錫焊機器人到達(dá)預(yù)定焊點位置后，烙鐵在設(shè)定時間內(nèi)開始對焊點進行加熱，在加熱期間，DSP會對焊點信息和烙鐵溫度進行二次確認(rèn)，然后轉(zhuǎn)換為出錫系統(tǒng)電機Y需要運行的距離等參數(shù)，DSP把這些參數(shù)傳輸給FPGA，然后由FPGA根據(jù)模糊控制原理生成出錫系統(tǒng)速度運動梯形圖，這個速度運動梯形圖包含的面積就是錫焊機器人出錫系統(tǒng)電機Y要運行的距離，然后再根據(jù)光電編碼盤的信息生成控制電機Y運行的PWM波和運動方向信號；
8)當(dāng)完成出錫系統(tǒng)的伺服后，電機Y—般把焊錫絲拉回一個小的距離，并記錄此值，然后電機Y立即自鎖，然后DSP調(diào)出下一個焊點信息，烙鐵和出錫系統(tǒng)一起在電機X、電機Z和電機U的作用下向下一個錫焊點自動移動；
9)在運動過程中，如果三自由度錫焊機器人發(fā)現(xiàn)焊點距離或者出錫系統(tǒng)求解出現(xiàn)死循環(huán)將向DSP發(fā)出中斷請求，DSP會對中斷做第一時間響應(yīng)，如果DS P的中斷響應(yīng)沒有來得及處理，三自由度錫焊機器人的電機X、電機Z、電機U和出錫系統(tǒng)的電機Y將原地自鎖，防止誤操作，并通過 DSP芯片發(fā)出警報，然后人工排除故障；
10)裝載在電機X、電機Z、電機U和電機Y上的光電編碼盤會輸出其位置信號A和位置信號B，光電編碼盤的位置信號A脈沖和B脈沖邏輯狀態(tài)每變化一次，F(xiàn)PGA內(nèi)的位置寄存器會根據(jù)電機X、電機Z、電機U和電機Y的運行方向加一或者是減一；
11)光電編碼盤的位置信號A脈沖、B脈沖和Z脈沖同時為低電平時，就產(chǎn)生一個INDEX信號給FPGA寄存器，記錄電機的絕對位置，然后換算成自動錫焊機器人在焊點中的具體位置和出錫伺服系統(tǒng)出錫的實際長度；
12)在運動過程中，如果DSP收到了高速點焊命令，DSP會第一時間響應(yīng)，然后雙核控制器根據(jù)高速點焊的速度計算后立即提升烙鐵溫度到達(dá)一個恒定溫度，然后再根據(jù)三自由度錫焊機器人在三維點焊部件的具體位置和應(yīng)該存在的位置，送相應(yīng)的位置數(shù)據(jù)等給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)外圍傳感信號自動調(diào)取其內(nèi)部相應(yīng)的PID調(diào)節(jié)模式，由FPGA根據(jù)模糊控制原理計算出自動錫焊機器人電機X、電機Z、電機U和出錫系統(tǒng)電機Y需要更新的PWM控制信號，控制二自由度錫焊機器人進入聞速點焊狀態(tài)；
13)如果三自由度錫焊機器人在運行過程中遇到突然斷電，蓄電池會自動開啟立即對錫焊機器人進行供電，當(dāng)電機的運動電流超過設(shè)定值時，此時控制器會立即封鎖FPGA的PWM波輸出，電機X、電機Z、電機U和電機Y停止工作；
14)系統(tǒng)在人機界面上設(shè)置有自動暫停功能，如果在焊錫過程中讀到了人機界面上設(shè)置的自動暫停點，F(xiàn)PGA會控制電機X、電機Z和電機U以最大的加速度停車，而電機Y立即自鎖，并存儲當(dāng)前信息，然后雙核控制器立即封鎖電機X、電機Z和電機U的PWM波輸出，直到雙核控制器讀到再次按下“開始”按鈕信息才可以使FPGA重新開啟電機X、電機Z和電機U的PWM輸出，并調(diào)取存儲信息使錫焊機器人從暫停點可以繼續(xù)工作；
15)在運動過程中，如果檢測到任何一個電機的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)脈動，F(xiàn)PGA會自動對轉(zhuǎn)矩進行補償；
16)自動錫焊機器人在運行過程中時刻檢測電池電壓，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)低壓時，電壓傳感器會通知DSP開啟并發(fā)出報警提示，有效地保護了鋰離子電池；17)當(dāng)完成整個加工部件的錫焊運動后，電機Y—般把焊錫絲拉回一個小的距離，并記錄此值，然后立即自鎖，然后經(jīng)過一個小的延時，走出運動軌跡；
18)三自由度錫焊機器人重新設(shè)定位置零點，等待下一周期的任務(wù)。本發(fā)明的有益效果是:采用了基于DSP與FPGA雙核控制器的全新控制模式，以FPGA為處理核心，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號的實時處理，同時把DSP從復(fù)雜的工作中解脫出來，實現(xiàn)了 DSP與FPGA的分工，二者之間能夠進行通訊，能夠?qū)崟r進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用，實現(xiàn)了信號處理算法和響應(yīng)中斷，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。


圖1是單片機控制的三自由度錫焊機器人的控制原理 圖2是本發(fā)明的基于DSP與FPGA三自由度高速錫焊機器人伺服控器的原理 圖3是本發(fā)明的基于DSP與FPGA三自由度高速錫焊機器人伺服控器的程序框 圖4是本發(fā)明的基于DSP與FPGA三自由度高速錫焊機器人的速度運動曲線 附圖中各部件的標(biāo)記如下:1、DSP與FPGA雙核控制器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。請參閱圖2至圖4,本發(fā)明實施例包括:
一種雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器，包括=DSP與FPGA雙核控制器1、用于三自由度錫焊機器人伺服系統(tǒng)的電機U、電機Z和電機X、用于三自由度錫焊機器人出錫系統(tǒng)的電機Y和用于三自由度錫焊機器人溫度控制的溫度檢測模塊。其中，所述電機為直流永磁伺服電機，所述直流永磁伺服電機上裝載有光電編碼盤。所述DSP與FPGA雙核控制器I分別連接電機U、電機Z和電機X，所述DSP與FPGA雙核控制器I連接電機Y，所述DSP與FPGA雙核控制器I還連接溫度檢測模塊。所述DSP與FPGA雙核控制器I包括FPGA現(xiàn)場可編程門陣列和DSP數(shù)字信號處理
-H-* I I
心片:
所述FPGA現(xiàn)場可編程門陣列用于控制三自由度錫焊機器人的伺服系統(tǒng)和出錫系統(tǒng)；所述DSP數(shù)字信號處理芯片用于控制人機界面、路徑讀取、溫度檢測、在線輸出、數(shù)據(jù)采集與存儲或I/O控制。DSP數(shù)字信號處理芯片由于其快速的計算能力，不僅廣泛應(yīng)用于通信與視頻信號處理，也逐漸應(yīng)用在各種高級的控制系統(tǒng)中，所述DSP數(shù)字信號處理芯片為TMS320F2812
-H-* I I
心/T OTMS320F2812是美國TI公司推出的C2000平臺上的定點32位芯片，適合用于工業(yè)控制、電機控制等，用途廣泛。其 運行時鐘可達(dá)150MHz，處理性能可達(dá)150MIPS，每條指令周期6.67ns, I/O 口豐富，能夠滿足用戶一般的應(yīng)用要求，具有兩個串口和十二位的(Γ3.3V
的A/D轉(zhuǎn)換等。此外，它還具有片內(nèi)128k*16位的片內(nèi)FLASH，18k*16位的SRAM，一般的應(yīng)用系統(tǒng)可以不要外擴存儲器，加上獨立的算術(shù)邏輯單元，擁有強大的數(shù)字信號處理能力。此外，大容量的RAM被集成到該芯片內(nèi)，可以極大地簡化外圍電路設(shè)計，降低系統(tǒng)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，也大大提高了數(shù)據(jù)的存儲處理能力。基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的硬件實現(xiàn)方法是最近幾年出現(xiàn)的一種全新的設(shè)計思想，雖然FPGA本身只是標(biāo)準(zhǔn)的單元陣列，沒有一般的集成電路所具有的功能，但用戶可以根據(jù)自己的設(shè)計需要，通過特定的布局布線工具對其內(nèi)部進行重新組合連接，在最短的時間內(nèi)設(shè)計出自己的專用集成電路，這樣可以減小成本，縮短開發(fā)周期。由于FPGA采用軟件化的設(shè)計思想實現(xiàn)硬件電路的設(shè)計，這樣就使得基于FPGA設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的可復(fù)用和修改性。本發(fā)明為了提高運算速度，保證自動錫焊機器人的穩(wěn)定性和可靠性，在單DSP控制器中引入了 FPGA，形成了基于DSP與FPGA的雙核控制器I，此雙核控制器I把原有單片機實現(xiàn)的多控制器系統(tǒng)集中設(shè)計，并充分考慮電池在這個系統(tǒng)的作用，實現(xiàn)單一控制器同步控制三自由度點焊機器人伺服和出錫系統(tǒng)伺服的功能。錫焊機器人控制系統(tǒng)中工作量最大的三自由度錫焊機器人伺服系統(tǒng)和出錫系統(tǒng)伺服交給FPGA處理，充分發(fā)揮FPGA數(shù)據(jù)處理速度較快的特點，而人機界面、路徑讀取、溫度檢測、在線輸出、數(shù)據(jù)采集與存儲、I/O控制等功能交給DSP完成，這樣就實現(xiàn)了 DSP與FPGA的分工，同時二者之間也可以進行通訊，實時進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。本發(fā)明中，對于包括FPGA現(xiàn)場可編程門陣列和DSP數(shù)字信號處理芯片的DSP與FPGA雙核控制器I，其控制原理圖如圖2所示，控制過程為:
在電源打開的狀態(tài)下，自動錫焊機器人先進入自鎖狀態(tài)，然后DSP與FPGA雙核控制器I自動加熱烙鐵到設(shè)定的一個恒定溫度，自動錫焊機器人開始運動到起始點，自動錫焊機器人把儲存的實際路徑參數(shù)和焊點大小信息傳輸給雙核控制器I中的DSP芯片，DSP芯片把這些運動參數(shù)傳輸給FPGA，然后FPGA根據(jù)這些參數(shù)、各個電機的電流和光電編碼盤信息以及當(dāng)前運行速度等根據(jù)模糊規(guī)則生成控 制電機X、電機Z、電機U和電機Y運動的PWM波，PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路后控制電機運動，然后由FPGA把處理數(shù)據(jù)傳遞給DSP芯片，由DSP芯片繼續(xù)處理后續(xù)的運行狀態(tài)。如圖3和圖4所示，本發(fā)明具體功能的實現(xiàn)步驟如下:
1)、操作人員把加工部件安裝在夾具上；
2)、打開電源，在打開電源的瞬間DSP會對電源電壓的來源進行判斷，當(dāng)確定是蓄電池供電時，如果電池電壓是低壓的話，控制器將封鎖FPGA的PWM波輸出，此時電機X、電機Z、電機U和電機Y不能工作，同時電壓傳感器將工作，雙核控制器I發(fā)出低壓報警信號，人機界面提示更換電池信息；
3 )、啟動機器人自動控制程序，通過控制器的USB接口輸入任務(wù)；
4)、將錫焊機器人移動到起始點上方，調(diào)整好位置；
5)、為了能夠驅(qū)動三自由度自動錫焊機器人電機X、電機Z、電機U和出錫系統(tǒng)伺服電機Y的運動，本控制系統(tǒng)引入FPGA，由其生成控制四個電機運動的PWM波，但是通過I/O 口與DSP進入實時通訊，由DSP控制其PWM波形的輸出和封鎖；
6)在自動錫焊機器人運動過程中，DSP會時刻儲存所經(jīng)過的距離或者是經(jīng)過的焊點，并根據(jù)這些距離信息確定對下一個三維工作點自動錫焊機器人三軸:電機X、電機Z和電機U要運行的距離，DSP然后與FPGA通訊，傳輸距離參數(shù)和當(dāng)前運行速度給FPGA，然后由FPGA根據(jù)模糊控制原理生成控制電機X、電機Z和電機U運動的速度梯形圖，梯形圖包含的面積就是自動錫焊機器人電機X、電機Z和電機U要運行的距離，速度梯形圖再結(jié)合電機X、電機Z和電機U的電流和光電編碼盤信息生成控制電機X、電機Z和電機U行走的PWM波和方向；
7)當(dāng)電機X、電機Z和電機U共同推動錫焊機器人到達(dá)預(yù)定焊點位置后，烙鐵在設(shè)定時間內(nèi)開始對焊點進行加熱，在加熱期間，DSP會對焊點信息和烙鐵溫度進行二次確認(rèn)，然后轉(zhuǎn)換為出錫系統(tǒng)電機Y需要運行的距離等參數(shù)，DSP把這些參數(shù)傳輸給FPGA，然后由FPGA根據(jù)模糊控制原理生成出錫系統(tǒng)四度運動梯形圖，這個梯形包含的面積就是錫焊機器人出錫系統(tǒng)電機Y要運行的距離，然后再根據(jù)光電編碼盤信息生成控制電機Y運行的PWM波和運動方向信號；
8)當(dāng)完成出錫系統(tǒng)的伺服后，為了防止烙鐵溫度過高引起焊錫的再次融化，電機Y—般把焊錫絲拉回一個小的距離，并記錄此值，然后電機Y立即自鎖，然后DSP調(diào)出下一個焊點信息，烙鐵和出錫系統(tǒng)一起在電機X、電機Z和電機U的作用下向下一個錫焊點自動移動；
9)在運動過程中如果自動錫焊機器人發(fā)現(xiàn)焊點距離或者出錫伺服系統(tǒng)求解出現(xiàn)死循環(huán)將向DSP發(fā)出中斷請求，DSP會對中斷做第一時間響應(yīng)，如果DSP的中斷響應(yīng)沒有來得及處理，三自由度自動錫焊機器人的電機X、電機Z、電機U和出錫系統(tǒng)的電機Y將原地自鎖，防止誤操作，并通過DSP發(fā)出警報，然后人工排除故障；
10)裝載電機X、電機Z、電機U和電機Y上的光電編碼盤會輸出其位置信號A和位置信號B，光電編碼盤的位置信號A脈沖和B脈沖邏輯狀態(tài)每變化一次，F(xiàn)PGA內(nèi)的位置寄存器會根據(jù)電機X、電機Z、電機U和電機Y的運行方向加一或者是減一；
11)光電編碼盤的位置信號A脈 沖、B脈沖和Z脈沖同時為低電平時，就產(chǎn)生一個INDEX信號給FPGA寄存器，記錄電機的絕對位置，然后換算成自動錫焊機器人在焊點中的具體位置和出錫伺服系統(tǒng)出錫的實際長度；
12)在運動過程中，如果DSP收到了高速點焊命令，DSP會第一時間響應(yīng)，然后控制器根據(jù)高度點焊的速度計算后立即提升烙鐵溫度到達(dá)某一個恒定溫度，然后再根據(jù)自動錫焊機器人在三維點焊部件的具體位置和應(yīng)該存在的位置，送相應(yīng)的位置數(shù)據(jù)等給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)外圍傳感信號自動調(diào)取其內(nèi)部相應(yīng)的PID調(diào)節(jié)模式，由FPGA根據(jù)模糊控制原理計算出自動錫焊機器人電機X、電機Z、電機U和出錫系統(tǒng)電機Y需要更新的PWM控制信號，控制機器人進入聞速點焊狀態(tài)；
13)如果自動錫焊機器人在運行過程中遇到突然斷電時，蓄電池會自動開啟立即對錫焊機器人進行供電，當(dāng)電機的運動電流超過設(shè)定值時，此時控制器會立即封鎖FPGA的PWM波輸出，電機X、電機Z、電機U和電機Y停止工作，從而有效地避免了電池大電流放電的發(fā)生；
14)為了能夠目測焊點質(zhì)量和清洗烙鐵頭上的殘留焊錫，系統(tǒng)在人機界面上加入了自動暫停功能，如果在焊錫過程中讀到了人機界面上設(shè)置的自動暫停點，F(xiàn)PGA會控制電機X、電機Z和電機U以最大的加速度停車，而電機Y立即自鎖，并存儲當(dāng)前信息，然后控制器立即封鎖電機X、電機Z和電機U的PWM波輸出，直到控制器讀到再次按下“開始”按鈕信息才可以使FPGA重新開啟電機X、電機Z和電機U的PWM輸出，并調(diào)取存儲信息使錫焊機器人從暫停點可以繼續(xù)工作；
15)在運動過程中，如果檢測到任何一個電機的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)脈動，F(xiàn)PGA會自動對轉(zhuǎn)矩進行補償，減少了電機轉(zhuǎn)矩抖動對錫焊過程的影響；
16)自動錫焊機器人在運行過程中會時刻檢測電池電壓，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)低壓時，傳感器會通知DSP開啟并發(fā)出報警提示，有效地保護了鋰離子電池；
17)當(dāng)完成整個加工部件的錫焊運動后，電機Y—般把焊錫絲拉回一個小的距離，并記錄此值，然后立即自鎖，然后經(jīng)過一個小的延時，走出運動軌跡；
18)錫焊機器人重新設(shè)定位置零點，等待下一周期的任務(wù)。本發(fā)明雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器及方法的有益效果是:
一、由于采用高性能的32位DSP，使得系統(tǒng)處理速度大大增加，可以很好滿足錫焊系統(tǒng)快速性的要求；
二、在運送過程中，充分考慮了電池在這個系統(tǒng)有中的作用，基于DSP與FPGA控制器時刻都在對錫焊機器人的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和運算，當(dāng)遇到交流電源斷電時，鋰離子電池會立即提供能源，避免了錫焊系統(tǒng)伺服系統(tǒng)運動的失敗，并且在電池提供電源的過程中，時刻對電池的電流進行觀測并保護，避免了大電流的產(chǎn)生，所以從根本上解決了大電流對鋰離子電池的沖擊；
三、由FPGA處理錫焊機器人的三自由度錫焊機器人伺服和出錫系統(tǒng)的伺服控制，一方面把DSP從復(fù)雜的伺服算法中解脫出來，大大提高了運算速度，另外一方面也使得控制器設(shè)計比較簡單，縮短了開發(fā)周期短；
四、本發(fā)明基本實現(xiàn)全貼片元器件材料，實現(xiàn)了單板控制，不僅節(jié)省了控制板占用空間，而且有利于錫焊機器人體積和重量的減輕；
五、在錫焊過程中，送錫速度控制可以自動調(diào)節(jié)，溫度傳感器把烙鐵頭的工作溫度采集后傳送給DSP，DSP再把溫度、當(dāng)前點焊運行的速度送給FPGA，然后由FPGA來完成送錫電機Y的速度閉環(huán)控制；
六、在錫焊過程中，送錫長度控制可以自動調(diào)節(jié)，當(dāng)錫焊機器人完成一個焊點的焊接后，DSP與FPGA雙核控制器I立即調(diào)出存儲器中下一個焊點的信息，DSP把被焊物的焊點大小、當(dāng)前焊錫機器人運行的速度送給FPGA，然后由FPGA來完成送錫電機Y的伺服閉環(huán)控制；
七、在錫焊過程中，烙鐵頭恒溫可調(diào)，可根據(jù)實際工作速度需要，工作溫度在200°C—480°C之間調(diào)節(jié)，滿足高速運轉(zhuǎn)融化焊錫的需要；
八、為了提高運動速度和精度，錫焊機器人采用了帶有1024線光電編碼盤的直流永磁伺服電機替代了傳統(tǒng)系統(tǒng)中常用的步進電機，使得運算精度大大提高，效率也相對較高；
九、由于采用直流永磁伺服電機，使得調(diào)速范圍比較寬，調(diào)速比較平穩(wěn)；
十、由于本發(fā)明的DSP與FPGA雙核控制器I采用FPGA處理三自由度錫焊機器人和出錫系統(tǒng)伺服控制的數(shù)據(jù)與算法，把DSP從繁重的工作量中解脫出來，有效地防止了程序的“跑飛”，抗干擾能力大大增強；
1、FPGA根據(jù)DSP發(fā)出的位置信息，結(jié)合直流永磁伺服電機的電流和光電編碼盤信號生成控制電機運轉(zhuǎn)PWM波，不僅簡化了接口電路，而且省去了 DSP編寫位置、速度控制程序，以及各種PID算法的麻煩，使得系統(tǒng)的調(diào)試簡單；
十二、在控制過程中，F(xiàn)PGA根據(jù)機器人外圍運行情況適時調(diào)整其內(nèi)部的PID參數(shù)，輕松實現(xiàn)分段P、PD、PID控制和非線性PID控制，使系統(tǒng)滿足快速運行時速度的切換；
十三、由于具有存儲功能，這使得錫焊機器人掉電后或遇到故障重啟時系統(tǒng)可以輕易的調(diào)取已經(jīng)涂膠好的路徑信息，然后可以輕易地從故障點二次點焊完成未完成的任務(wù)；十四、由于FPGA內(nèi)集成了四路伺服系統(tǒng)PWM生成電路，不僅滿足了三自由度伺服電機同步控制的要求，而且也減少了專用運動芯片所占用的空間，有利于控制器向微型化方向的發(fā)展；
十五、在整個錫焊過程中，加入了暫停點設(shè)定，這樣有利于在運動過程中目測已經(jīng)焊接好的焊點提前發(fā)現(xiàn)焊接問題，或者存儲器記錄下當(dāng)前信息后清洗烙鐵頭機構(gòu)，減少因為烙鐵頭上的殘留焊錫而產(chǎn)生焊接不良或是焊點污穢的問題發(fā)生；
十六、在整個錫焊過程中，充分考慮了錫焊機器人的運行速度和烙鐵頭溫度對出錫系統(tǒng)參數(shù)的影響，保證了焊接過程的完成；
十七、為了能夠使電機平穩(wěn)啟動和停車，系統(tǒng)在實現(xiàn)其速度梯形圖算法時引入了模糊控制原理，使系統(tǒng)性能更優(yōu)。以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的 專利保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器，其特征在于，包括:DSP與FPGA雙核控制器、用于三自由度錫焊機器人伺服系統(tǒng)的電機U、電機Z和電機X、用于三自由度錫焊機器人出錫系統(tǒng)的電機Y和用于三自由度錫焊機器人溫度控制的溫度檢測模塊，所述DSP與FPGA雙核控制器分別連接電機U、電機Z和電機X，所述DSP與FPGA雙核控制器連接電機Y，所述DSP與FPGA雙核控制器與溫度檢測模塊相互連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器，其特征在于，所述DSP與FPGA雙核控制器包括FPGA現(xiàn)場可編程門陣列和DSP數(shù)字信號處理芯片，所述FPGA現(xiàn)場可編程門陣列用于控制三自由度錫焊機器人的伺服系統(tǒng)和出錫系統(tǒng)，所述DSP數(shù)字信號處理芯片用于控制人機界面、路徑讀取、溫度檢測、在線輸出、數(shù)據(jù)采集與存儲或I/O控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器，其特征在于，所述DSP數(shù)字信號處理芯片為TMS320F2812芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器，其特征在于，所述電機為直流永磁伺服電機，所述直流永磁伺服電機上裝載有光電編碼盤。
5.一種雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器的方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)、操作人員把加工部件安裝在三自由度錫焊機器人的夾具上； 2)、打開電源，在打開電源的瞬間DSP會對電源電壓的來源進行判斷:當(dāng)確定是蓄電池供電時，如果電池電壓是低壓，雙核控制器將封鎖FPGA的PWM波輸出，此時電機X、電機Z、電機U和電機Y都不能工作，同時電壓傳感器工作，雙核控制器發(fā)出低壓報警信號，人機界面提示更換電池信息； 3)、啟動三自由度錫焊機器人的自 動控制程序，通過雙核控制器的USB接口輸入任務(wù)； 4)、將三自由度錫焊機器人移動到起始點的上方，調(diào)整好位置； 5)、為了能夠驅(qū)動三自由度錫焊機器人電機X、電機Z、電機U和出錫系統(tǒng)伺服電機Y的運動，本控制系統(tǒng)引入FPGA，由其生成控制四個電機運動的PWM波，但是通過I/O 口與DSP進入實時通訊，由DSP控制其PWM波形的輸出和封鎖； 6)在三自由度錫焊機器人運動過程中，DSP會時刻儲存所經(jīng)過的距離或者是經(jīng)過的焊點，并根據(jù)這些距離信息確定對下一個三維工作點錫焊機器人的三軸:電機X、電機Z和電機U要運行的距離，DSP然后與FPGA通訊，傳輸距離參數(shù)和當(dāng)前運行速度給FPGA， 然后由FPGA根據(jù)模糊控制原理生成控制電機X、電機Z和電機U運動的速度梯形圖，其中速度梯形圖包含的面積就是三自由度錫焊機器人電機X、電機Z和電機U要運行的距離，速度梯形圖再結(jié)合電機X、電機Z和電機U的電流和光電編碼盤的信息生成控制電機X、電機Z和電機U行走的PWM波和方向； 7)當(dāng)電機X、電機Z和電機U共同推動錫焊機器人到達(dá)預(yù)定焊點位置后，烙鐵在設(shè)定時間內(nèi)開始對焊點進行加熱，在加熱期間，DSP會對焊點信息和烙鐵溫度進行二次確認(rèn)，然后轉(zhuǎn)換為出錫系統(tǒng)電機Y需要運行的距離等參數(shù)，DSP把這些參數(shù)傳輸給FPGA，然后由FPGA根據(jù)模糊控制原理生成出錫系統(tǒng)速度運動梯形圖，這個速度運動梯形圖包含的面積就是錫焊機器人出錫系統(tǒng)電機Y要運行的距離，然后再根據(jù)光電編碼盤的信息生成控制電機Y運行的PWM波和運動方向信號； 8)當(dāng)完成出錫系統(tǒng)的伺服后，電機Y—般把焊錫絲拉回一個小的距離，并記錄此值，然后電機Y立即自鎖，然后DSP調(diào)出下一個焊點信息，烙鐵和出錫系統(tǒng)一起在電機X、電機Z和電機U的作用下向下一個錫焊點自動移動； 9)在運動過程中，如果三自由度錫焊機器人發(fā)現(xiàn)焊點距離或者出錫系統(tǒng)求解出現(xiàn)死循環(huán)將向DSP發(fā)出中斷請求，DSP會對中斷做第一時間響應(yīng)，如果DS P的中斷響應(yīng)沒有來得及處理，三自由度錫焊機器人的電機X、電機Z、電機U和出錫系統(tǒng)的電機Y將原地自鎖，防止誤操作，并通過DSP發(fā)出警報，然后人工排除故障； 10)裝載在電機X、電機Z、電機U和電機Y上的光電編碼盤會輸出其位置信號A和位置信號B，光電編碼盤的位置信號A脈沖和B脈沖邏輯狀態(tài)每變化一次，F(xiàn)PGA內(nèi)的位置寄存器會根據(jù)電機X、電機Z、電機U和電機Y的運行方向加一或者是減一； 11)光電編碼盤的位置信號A脈沖、B脈沖和Z脈沖同時為低電平時，就產(chǎn)生一個INDEX信號給FPGA寄存器，記錄電機的絕對位置，然后換算成自動錫焊機器人在焊點中的具體位置和出錫伺服系統(tǒng)出錫的實際長度； 12)在運動過程中，如果DSP收到了高速點焊命令，DSP會第一時間響應(yīng)，然后雙核控制器根據(jù)高速點焊的速度計算后立即提升烙鐵溫度到達(dá)一個恒定溫度，然后再根據(jù)三自由度錫焊機器人在三維點焊部件的具體位置和應(yīng)該存在的位置，送相應(yīng)的位置數(shù)據(jù)等給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)外圍傳感信號自動調(diào)取其內(nèi)部相應(yīng)的PID調(diào)節(jié)模式，由FPGA根據(jù)模糊控制原理計算出自動錫焊機器人電機X、電機Z、電機U和出錫系統(tǒng)電機Y需要更新的PWM控制信號，控制二自由度錫焊機器人進入聞速點焊狀態(tài)； 13)如果三自由度錫焊機器人在運行過程中遇到突然斷電，蓄電池會自動開啟立即對錫焊機器人進行供電，當(dāng)電機的運 動電流超過設(shè)定值時，此時控制器會立即封鎖FPGA的PWM波輸出，電機X、電機Z、電機U和電機Y停止工作； 14)系統(tǒng)在人機界面上設(shè)置有自動暫停功能，如果在焊錫過程中讀到了人機界面上設(shè)置的自動暫停點，F(xiàn)PGA會控制電機X、電機Z和電機U以最大的加速度停車，而電機Y立即自鎖，并存儲當(dāng)前信息，然后雙核控制器立即封鎖電機X、電機Z和電機U的PWM波輸出，直到雙核控制器讀到再次按下“開始”按鈕信息才可以使FPGA重新開啟電機X、電機Z和電機U的PWM輸出，并調(diào)取存儲信息使錫焊機器人從暫停點可以繼續(xù)工作； 15)在運動過程中，如果檢測到任何一個電機的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)脈動，F(xiàn)PGA會自動對轉(zhuǎn)矩進行補償； 16)自動錫焊機器人在運行過程中時刻檢測電池電壓，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)低壓時，傳感器會通知DSP開啟并發(fā)出報警提示，有效地保護了鋰離子電池； 17)當(dāng)完成整個加工部件的錫焊運動后，電機Y—般把焊錫絲拉回一個小的距離，并記錄此值，然后立即自鎖，然后經(jīng)過一個小的延時，走出運動軌跡； 18)三自由度錫焊機器人重新設(shè)定位置零點，等待下一周期的任務(wù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙核三自由度高速錫焊機器人伺服控器及方法，在單DSP控制器中引入了FPGA，形成了基于DSP與FPGA的雙核控制器，把原有單片機實現(xiàn)多控制器集中設(shè)計，并考慮電池在這個系統(tǒng)的作用，其中工作量最大的三自由度錫焊機器人伺服系統(tǒng)和出錫系統(tǒng)伺服交給FPGA處理，而人機界面、路徑讀取、溫度檢測、在線輸出、數(shù)據(jù)采集與存儲、I/O控制等功能交給DSP完成。通過上述方式，本發(fā)明基于DSP與FPGA三自由度高速錫焊機器人伺服控制系統(tǒng)及其控制方法以FPGA為處理核心，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號的實時處理，同時把DSP從復(fù)雜的工作中解脫出來，實現(xiàn)了DSP與FPGA的分工，同時能夠?qū)崟r進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用，實現(xiàn)了信號處理算法和響應(yīng)中斷，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。
文檔編號B23K3/08GK103231377SQ20131012912
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者張好明, 王應(yīng)海 申請人:蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院