石油管道焊接成形光學(xué)式跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1前言

1.1討論指導(dǎo)思想

在金屬制造業(yè)中，焊接是僅次于裝配和機(jī)械加工的第三大產(chǎn)業(yè)。在工業(yè)發(fā)達(dá)我國，

每年鋼鐵產(chǎn)量的40%以上要通過焊接才能轉(zhuǎn)化為最終的產(chǎn)品。自現(xiàn)代焊接技術(shù)問世

以來，焊接生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化和機(jī)器人化始終在不斷進(jìn)展之中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本在

1975年共有焊接工人460,93（）名，而1985年削減為335,600名，1990年則為

210,800名,大約每10年削減27?37%的焊接工人數(shù)［1］。而日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)

的統(tǒng)計(jì)表明，至1990年，在日本生產(chǎn)和銷售的弧焊機(jī)器人已達(dá)到9,563臺(tái)，點(diǎn)焊

機(jī)器人為5,378臺(tái)。對(duì)焊接材料用量的統(tǒng)計(jì)也顯示，過去大約每10年手工藥皮焊

條的用量削減一半，而實(shí)心焊絲和藥芯焊絲的用量則顯著增加了。這些數(shù)據(jù)表明，在

過去的二十多年中，焊接工作不斷地由手工操作轉(zhuǎn)為自動(dòng)、半自動(dòng)焊接乃至機(jī)器人焊

接。手工焊接的場合依靠人的眼睛和手的協(xié)作來跟蹤焊縫，而在自動(dòng)焊接的場合則需

要解決焊接熔池（或電?。┦冀K對(duì)準(zhǔn)待焊焊縫的問題。由此可見，隨著現(xiàn)代焊接生產(chǎn)

的自動(dòng)化程度越來越高以及機(jī)器人焊接技術(shù)的進(jìn)展，對(duì)焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)的需求也越

來越迫切，這主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：

、提高焊接質(zhì)量

由于待焊工件存在下料加工及裝配的誤差，焊接熱過程引起的變形事先也難以預(yù)

料，因此給定軌跡的目標(biāo)掌握（或程序掌握）方式己無能為力，具有焊縫自動(dòng)跟蹤力

量的自適應(yīng)系統(tǒng)自然成為首選目標(biāo)。在機(jī)器人焊接領(lǐng)域，國內(nèi)外使用的弧焊機(jī)器人大

多數(shù)仍是第一代示教再現(xiàn)式機(jī)器人，雖然這種機(jī)器人能夠完成大量的重復(fù)性的工作，

具有簡潔、直觀、易于操作和重復(fù)定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)變更工件的種類時(shí)，必需

更換工裝，這在小批量、多品種的生產(chǎn)中必定會(huì)造成成本過高的問題。而且，由于焊

接是一種熱加工工藝過程，一些尺寸較大、剛性較差（如薄板）的工件在焊接過程中

很可能會(huì)產(chǎn)生熱變形，或者由于大型焊件的焊縫開口全都性不好，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的

焊道偏離了預(yù)先示教的軌跡，此時(shí)，示教再現(xiàn)法就難以保證焊接質(zhì)量。因此，雖然示

教反饋式的傳統(tǒng)型機(jī)器人己經(jīng)有所應(yīng)用，但是在精度要求更高和產(chǎn)品常常變化的場合

是不合適的。因此需要討論開發(fā)能敏捷移動(dòng)，具有肯定智能的焊接機(jī)械，以適應(yīng)不同

結(jié)構(gòu)、不同的地點(diǎn)的焊接任務(wù)[1]。所以有必要加入自動(dòng)跟蹤裝置以增加它們的適應(yīng)

性，進(jìn)展配帶傳感器、智能化更加敏捷的制造系統(tǒng)的需求特別迫切。

、改善焊接工人工作條件

由于焊接過程產(chǎn)生劇烈的熱、煙塵和弧光，導(dǎo)致現(xiàn)場工作環(huán)境特別惡劣，對(duì)工人

的體能消耗很大，而且焊接現(xiàn)場的空氣污染、電磁污染和劇烈的弧光輻射會(huì)對(duì)工人的

健康造成危害。采納自動(dòng)化、機(jī)器人化的焊接系統(tǒng)是將人從手工焊接的惡劣環(huán)境中解

放出來的根本途徑。在發(fā)達(dá)我國，手工焊接仍占40%左右，而在我們我國則高達(dá)60%

以上。將來這一部分由手工操作的焊接工作將由自動(dòng)化焊接裝置來完成。由此可見，

自動(dòng)焊接裝置和工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用有著特別寬闊的前景，進(jìn)而催生了對(duì)焊

縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的需求，

、提高生產(chǎn)率

手工焊接的效率很低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工人實(shí)際焊接的時(shí)間不足其工作時(shí)間的30%[4],

而且手工焊接質(zhì)量受操作者人為因素的影響很大，不能維持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。毫無疑

問，自動(dòng)焊接系統(tǒng)的生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手工焊接，而采納焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的自動(dòng)焊

接系統(tǒng)又可大大提高焊接生產(chǎn)效率。這是由于與示教型和程序掌握焊接系統(tǒng)相比，它

省去了繁重的示教工作或事先的編程工作，也降低了對(duì)工件加工精度和裝配精度的要

求，從而降低了焊接預(yù)備時(shí)間，提高了整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。特殊是對(duì)于曲線焊縫，

示教型焊接機(jī)器人為了保證示教軌跡的精度，示教的點(diǎn)數(shù)要求較多，為此需要較長時(shí)

間的示教操作，這是一件很繁瑣的工作，對(duì)于小批量生產(chǎn)更為不利

1.2國內(nèi)外討論的動(dòng)態(tài)

焊縫傳感技術(shù)

焊接生產(chǎn)時(shí)自動(dòng)焊接裝置或機(jī)器人焊接系統(tǒng)對(duì)焊縫的自動(dòng)、實(shí)時(shí)跟蹤已成為自動(dòng)

化焊接和智能化焊接的重要內(nèi)容。圖1-1是日本焊接協(xié)會(huì)分別于1981年和1990

年進(jìn)行的有關(guān)焊接傳感器用途的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果從一個(gè)側(cè)面反映了焊縫跟蹤

在焊接生產(chǎn)過程中占有特別重要的地位。

圖17焊接傳感器用途的調(diào)查統(tǒng)計(jì)

焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)討論中首要解決的問題是焊縫位置的實(shí)時(shí)傳感，而這種位置信息的

獲得很大程度上取決于傳感方式。因此，傳感器是打算整個(gè)系統(tǒng)跟蹤精度的首要因素。

最近十年來，焊縫跟蹤技術(shù)的討論、應(yīng)用得到了飛速的進(jìn)展，尤其是焊縫傳感技術(shù)己

從簡潔的機(jī)械接觸、電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒘扛?、精確度更高的電弧傳感、光電（視

覺）傳感等方式，同時(shí)計(jì)算機(jī)信息處理也成為必不行少的幫助手段。焊縫跟蹤的傳感

器的分類如圖1-2所示。按其作原理通常可分為接觸式和非接觸式。詳細(xì)來說，常

用的焊縫跟蹤傳感器有機(jī)械（電子）式、電弧傳感式、超聲波、電磁式和光電（視覺）

式等多種。

圖1-2焊縫跟蹤的傳感器的分類

電弧傳感器是直接采用焊接電弧的電流、電壓信號(hào)來檢測坡口位置，不需要附加傳感

裝置，因此又稱為直接式傳感器；而其他的傳感方式均需要外加的傳感器件，稱為間

接式傳感器。在各種傳感方式中，機(jī)械（電子）式使用不夠敏捷，適應(yīng)面窄。而電弧

和光電傳感器各具特色，國內(nèi)外討論較多。隨著傳感器和信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，多傳

感器信息融合將會(huì)與弧焊機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，在焊縫自動(dòng)跟蹤中得到廣泛的應(yīng)用。由

圖1-3可見電弧傳感器司光電傳感器已進(jìn)展成為焊縫跟蹤傳感器的主流。而從最近幾

年國內(nèi)外公開發(fā)表的論文來看，光電傳感器的討論更為活躍

圖1-3傳感器應(yīng)用狀況調(diào)查

.1機(jī)械（探針）接觸式傳感器

機(jī)械接觸式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。焊縫跟蹤的工作原理是將一根金屬針放

置在焊接熔池的前沿，探針沿焊縫移動(dòng)，將焊縫位置信號(hào)傳遞給掌握系統(tǒng)，掌握系統(tǒng)

依據(jù)探針的信號(hào)對(duì)焊槍移動(dòng)軌跡進(jìn)行修正。探針式焊縫跟蹤的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡潔、操作

便利、抗弧光、電磁和煙塵干擾的力量強(qiáng)。

圖1-4機(jī)械接觸式傳感器的結(jié)構(gòu)

此外，由于跟蹤信號(hào)是在靠近熔池的地方獲得，省去了有些跟蹤方法中此外，由

于跟蹤信號(hào)是在靠近熔池的地方獲得，省去了有些跟蹤方法中的延時(shí)掌握，簡化了設(shè)

施，提高了跟蹤精度。機(jī)械探針式傳感滯一般用于長、直焊縫的單層焊及角焊縫。目

前，在航天運(yùn)載器推動(dòng)系統(tǒng)焊接中使用的這種探針式焊縫跟蹤裝置的跟蹤精度為

0.15mm。但是探針式傳感器對(duì)于結(jié)合比較緊密的焊縫接頭，效果不佳，由于此時(shí)探

針沒有地方依靠。此外，這種傳感器還存在的問題是：對(duì)不同形式的坡口需要不同外

與焊縫成形有關(guān)的電弧搖擺幅度及頻率等條件變化，導(dǎo)致電流信號(hào)的靈敏度相差甚

遠(yuǎn)，需要在信號(hào)增益上的自動(dòng)適應(yīng)；焊接過程中的電弧會(huì)受到各種干擾，如短路、飛

濺等，送絲速度與電源特性也難以保證每時(shí)每刻的抱負(fù)恒定，這些緣由造成的噪聲也

必需濾除；機(jī)械搖擺位置與電弧長度變化之間的延遲、電弧運(yùn)動(dòng)中弧長自調(diào)整作用的

電流響應(yīng)速度等引起的信號(hào)相位差要計(jì)算考慮。

圖1-5搖擺電弧的工作原理圖1-6旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的工作原理

.5光電傳感器

光電傳感器跟蹤精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，信息豐富，是目前討論得最多的傳感器之

一。傳感器包括信號(hào)光源和接收器兩部分，結(jié)構(gòu)形式種類繁多。所用信號(hào)光源有白熾

燈、激光、紅外光等；按接收器件的特征可分為單點(diǎn)式光電傳感器和圖像傳感器兩大

類。前者以單個(gè)或兒個(gè)分支光電器件為接收兀件，后者以集成光電器件（如CCD.PSD

等）為接收元件。

.6超聲波傳感器

很多討論者使用超聲波傳感器對(duì)焊縫跟蹤進(jìn)行了討論［2］。超聲波傳感焊縫跟蹤

實(shí)際上采用了超聲波測距的原理。將超聲波傳感器置于焊炬前方，用一套掃描裝置使

傳感器在焊道上方左右掃描。超聲傳感器放射超聲波，遇到焊件金屬表面時(shí)，超聲波

信號(hào)被反射回來，并由超聲傳感器接收，通過計(jì)算傳感器放射到接收的聲程時(shí)間，可

以得到傳感器與焊件之間的垂直距離，再與給定的垂直高度相比較，可得到高度方向

的偏差大小與方向。掌握系統(tǒng)則依據(jù)檢測到的偏差大小及方向在高度方向進(jìn)行糾偏調(diào)

整。為了要獲得焊縫橫向位置偏差信息，可以采納查找坡口的兩個(gè)邊緣的方法，由于

在坡口的邊緣處，超聲波從放射到接收的聲程時(shí)恒較短，而在坡口中心處聲程時(shí)間較

長，從而可分別確定坡口中心與邊緣的位置，掌握系統(tǒng)可據(jù)此進(jìn)行橫向的糾偏調(diào)整。

與光電傳感器相比，超聲波傳感器計(jì)算強(qiáng)度較小，但是跟蹤的精度也較低

綜上所述，電弧傳感器和光電傳感器已成為焊縫跟蹤傳感器進(jìn)展的主流，而光電

傳感器最近得到了更多的重視，己成為焊縫自動(dòng)跟蹤傳感器進(jìn)展的重要方向，

1.3本討論的內(nèi)容和意義

從國內(nèi)外的詩論可以看出:

（1）焊接自動(dòng)化與機(jī)器人焊接是焊接領(lǐng)域的進(jìn)展方向；

（2）在焊接自動(dòng)掌握領(lǐng)域最迫切需要解決的課題是自動(dòng)跟蹤，在今后一段時(shí)期

內(nèi)仍將是國際上討論與開發(fā)的熱點(diǎn)之一；

（3）光電傳感器與電弧傳感器是焊縫自動(dòng)跟琮傳感器的兩大重要討論方向，智

能掌握是焊縫自動(dòng)跟蹤掌握技術(shù)的突破口；

（4）如何使系統(tǒng)滿意低成本、高性能、穩(wěn)定牢靠的要求是當(dāng)今焊縫自動(dòng)跟蹤討

論的重要課題；我認(rèn)為，光電傳感器由于其特點(diǎn)，是焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中

比較抱負(fù)的傳感器模式，尤其是采納點(diǎn)光源掃描，不失為一種既滿意跟蹤

精度又簡潔牢靠的有效方法。

因此，一種光電傳感器式焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，其內(nèi)容應(yīng)包括：

（1）光電傳感器。研制一種光電傳感器，通過檢測人工幫助線，依據(jù)其偏差狀

況輸出焊縫偏差信號(hào)。

（2）系統(tǒng)掌握技術(shù)。依據(jù)光電傳感器式焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)并結(jié)合工廠實(shí)

際應(yīng)用狀況，提出并實(shí)施掌握方案。

（3）單片機(jī)系統(tǒng)。依據(jù)光電傳感器式焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)一套單片

機(jī)系統(tǒng)，包括：研制硬件、編寫軟件，確定各參數(shù)。

（4）在以上設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)跟蹤。

為此，我們主要解決了以下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）采納信號(hào)加權(quán)比較的處理方法使傳感器在材料種類和表面狀態(tài)不同時(shí)也能

牢靠地推斷焊縫偏差。

（2）提出了一種傳感器旋轉(zhuǎn)搖擺的模型并采納模糊掌握理論實(shí)現(xiàn)了傳感靜前置

狀況下的焊縫跟蹤。

（3）采納定義狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大小的方法可以簡潔、有效地實(shí)現(xiàn)跟蹤動(dòng)作的

延時(shí)，大大簡化了程序軟件，提高了系統(tǒng)的跟蹤精度。這樣，該系統(tǒng)具有穩(wěn)

定牢靠，成本低，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，簡潔實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，對(duì)提高我們我國焊接

自動(dòng)化水平大有好處。

2系統(tǒng)的主要部件布置

圖2T系統(tǒng)組成示意圖

1單片機(jī)

2橫向調(diào)整步進(jìn)電機(jī)掌握器

3小車驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)掌握

4工件5小車

6坡口檢測系統(tǒng)7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

8數(shù)據(jù)采集9數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

如圖2-1所示，在解決焊槍左右搖擺調(diào)整的問題中，單片機(jī)依據(jù)傳感器輸入的信

息推斷出焊縫的實(shí)際位置，假如焊槍偏移焊縫，單片機(jī)然就出指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)往

相應(yīng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)肯定的步數(shù)，驅(qū)使焊接小車在相同的方向上轉(zhuǎn)動(dòng)肯定的角度，從而使

焊槍能夠?qū)?zhǔn)焊縫的中心，保證了焊縫的焊接質(zhì)量。因次步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)是本

設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

焊接小車由一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速可由單片機(jī)掌握，在小車上有測速的碼

盤（在本設(shè)計(jì)中不做重點(diǎn)），由其測出小車前進(jìn)速度。單片機(jī)和預(yù)定速度進(jìn)行比較，

然后做出相應(yīng)的掌握。

焊槍在垂直方向上通過調(diào)整帶手柄絲杠來調(diào)整高度，也可以選用步進(jìn)電機(jī)做自動(dòng)

掌握但這對(duì)工作環(huán)境的要求來說不是很重要，所以省略為用手柄調(diào)整。

在傳感器選用上，由于石油管道有周向和沿長度方向兩種工作環(huán)境，在周向上,

采納CCD線陣傳感器如下節(jié)圖3-2所示原理，其精確度高，抗干擾性好，在目前國

內(nèi)應(yīng)用還較少，但其有工作條件的限制，其線光源照耀到的工件面上的光線須為直線,

否則，須進(jìn)行光學(xué)處理，比較簡單。在沿長度方向上，我們采納傳統(tǒng)的傳感器，如下

節(jié)圖3-1所示在沿焊縫方向畫一白色直線，用三個(gè)光敏三極管來檢測其是否偏離，這

種方法應(yīng)用的較廣，實(shí)際中的跟蹤效果也較好。

在單片機(jī)的選用上，本設(shè)計(jì)采納8098,在目前一般8098單片機(jī)價(jià)格已經(jīng)不算很

貴了，相對(duì)整個(gè)跟蹤系統(tǒng)來說，選用8098成本不是很高。8098單片機(jī)擁有很多51

系列不具有的優(yōu)點(diǎn)。

在跟蹤機(jī)械本體上，本設(shè)計(jì)采納帶有磁輪的焊接小車，由于不同管道直徑可能不

同所以在應(yīng)用上要留意依據(jù)管道直徑來確定小車底盤的凹凸。小車驅(qū)動(dòng)由直流電動(dòng)機(jī)

來執(zhí)行，電動(dòng)機(jī)可以通過驅(qū)動(dòng)小車車輪軸來驅(qū)動(dòng)小車（在本設(shè)計(jì)中這里不是重點(diǎn)，所

以沒有涉及到）。

3光電傳感器選用及原理

3.1光電傳感器分類及簡介

光電傳感器跟蹤精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，信息豐富，是目前討論得最多的傳感器之

一。傳感器包括信號(hào)光源和接收器兩部分，結(jié)構(gòu)形式種類繁多。所用信號(hào)光源有白熾

燈.、激光、紅外光等；按接收器件的特征可分為單點(diǎn)式光電傳感器和圖像傳感器兩大

類。前者以單個(gè)或幾個(gè)分支光電器件為接收元件，后者以集成光電器件（如CCD、PSD

等）為接收元件。下面是其中的兒種形式。

3.1.1單點(diǎn)式光電傳感器

這類傳感器以人工幫助線（塑料膠帶，白漆線等）、坡口面或坡口棱邊作為跟蹤

基準(zhǔn)。圖所示是以人工幫助線為跟蹤基準(zhǔn)的單點(diǎn)式光電傳感器工作原理，

圖37本設(shè)計(jì)中傳感器工作原理

焊前在焊接線一側(cè)用白漆畫一條寬1?4mm的平行線，以燈泡作為光源，它經(jīng)透鏡照

耀在白線上形成一個(gè)長方形光斑，反射光經(jīng)凸、凹透鏡在光電元件屏上成像，圖3-1

跟蹤幫助線的光電傳感器其中白線的像最亮（圖3T中b、c、d的陰影線部分）。當(dāng)

傳感器對(duì)?中白線時(shí)，陰影部分處于元件屏兩光電管，兩管受光面積相等，輸出信號(hào)也

相等；如傳感器不對(duì)中，白線偏離光斑中心，則兩管輸出信號(hào)不等（圖31c和d）,

據(jù)此可獲得跟蹤信號(hào)在2003年的上海埃森焊接博覽會(huì)上，北京石油化工學(xué)院裝備技

術(shù)討論所推出了這類傳感器式的焊接機(jī)器人。但是這類傳感器需預(yù)畫的幫助線外形

要求與焊縫外形完全全都，其跟蹤精度受幫助線的影響，大大增加了焊接前的預(yù)備

工作量。單點(diǎn)式光電傳感器還有很多其它形式，其結(jié)構(gòu)和掌握電路都比較簡潔，成

本低，簡潔產(chǎn)業(yè)化。

3.L2集成電路圖像傳感器

圖像傳感器以一維或二維的集成光電陣列作為接收器，如CCD圖像傳感器一般

都包含有256（線陣）或256X256（面陣）個(gè)以上的象素，可以獲得坡口及其四周區(qū)域

的圖像信息，以微機(jī)進(jìn)行處理和掌握，所以信息豐富，辨別率高，功能可以大大提高。

然而，CCD圖像傳感器的靈放度和牢靠性還和幫助光源的狀況有親密關(guān)系。為了在

CCD器件上獲得清楚的坡口圖像，要求幫助光以較大的強(qiáng)度投射到所要檢測的部位，

工件表面的光照度越強(qiáng)，圖像的信噪比較高，跟蹤系統(tǒng)越牢靠。現(xiàn)有的圖像傳感器所

用的光源以三種形式投射到工件表面：圓形、線形、點(diǎn)光源掃描。線陣CCD圖像傳

感器，白熾燈光通過光導(dǎo)纖維投射在工件上形成線形光條，其反射光成像于上方的

CCD器件上，由于是線陣CCD（包合256個(gè)光敏單元），僅獲得光斑中與焊縫垂直的

一條線的信號(hào)，與工件表面對(duì)應(yīng)的光敏單元信號(hào)強(qiáng)，與縫隙對(duì)應(yīng)的光敏單元信號(hào)弱，

用微機(jī)處理這256個(gè)信號(hào)，即可求出焊線中心線的位置，用于自動(dòng)跟蹤如圖3-2。

圖3-2光切割線陣CCD

面陣CCD傳感器，線狀光源以肯定角度a投射到工件表面，其與工件的交線反

映出坡口的輪廓，由面陣CCD攝像機(jī)攝取達(dá)輪廓線（二維圖像），并經(jīng)圖像處理即可

求出坡口根部的位置。與線陣CCD圖像傳感器，不僅信息量大，而且簡潔達(dá)到較高

的光照度，具有更高的信噪比。但另一方面，由于面陣CCD信息量大.處理時(shí)間和

設(shè)施造價(jià)都相應(yīng)要增加.He-Ne激光束經(jīng)聚焦透鏡、反射鏡（放射鏡）投射到工件

上，反射光再經(jīng)另一反射鏡（接收鏡）、物鏡，在線陣CCD上成像，如工件表面反射

點(diǎn)高度發(fā)生變化,CCD上成像點(diǎn)位置亦隨之變化.振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)兩反射鏡來回?fù)u擺時(shí),

激光束即橫過坡口掃描，依次檢測出線陣CCD上成像點(diǎn)位置的變化，即可獲得坡口

輪廓的圖像。由于實(shí)行點(diǎn)光源，所以在上述三種CCD傳感器中、它可能達(dá)到的光照

度最強(qiáng)，因而信噪比最高，信號(hào)處理也較快。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單.價(jià)格昂貴。

除了上述間接式光電傳感器外，還有一種電弧直接視覺傳感器；它不用幫助光源,

而是用面陣CCD攝像機(jī)直接攝取電弧焊接區(qū)的圖像，用圖像處理方法識(shí)別焊絲的對(duì)

中狀況。這種方法目前還處于討論階段，技術(shù)上屬于更高一級(jí)水平、具有寬闊的進(jìn)展

前景，但從技術(shù)難度和價(jià)格方面來看，離工業(yè)推廣應(yīng)用階段還有一段距離。對(duì)手工焊

來說，工藝參數(shù)是依據(jù)特定的接頭狀況來確定的。在焊接過程中焊工主耍通過對(duì)焊接

速度、焊接狀況變動(dòng)和熔池特征等參數(shù)進(jìn)行觀看，然后依據(jù)閱歷做出調(diào)整。這種觀看

和掌握力量與焊工的技巧有很大關(guān)系。在沒有人工掌握的自動(dòng)焊接或機(jī)淵人焊接環(huán)境

中，可以采納下面兩種在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都可行的方法（或者將其綜合成一種方法）:

首先，通過接頭的設(shè)計(jì)和加工、裝配的掌握來削減偏差；其次，接頭幾何外形和位置、

焊接熔池及焊后接頭均可采用幫助裝置來監(jiān)視，從而模擬人工的掌握過程。在自動(dòng)焊

和機(jī)器人焊接中，光電傳感器扮演了重要的角色。有兩種主要的光電傳感系統(tǒng)：一種

是直視式的視覺系統(tǒng)（Direct-ViewVisionSystem）；另一種是前置式的視覺系統(tǒng)

（PreviewVisionSystem）o前者用來直接觀看焊接區(qū)域，包括焊接電弧、熔池和母

材，沒有任何外加光源；后者避開了對(duì)焊接區(qū)域的直接觀看，采納外加光源來對(duì)焊接

區(qū)域前方的焊接接頭進(jìn)行監(jiān)視［2］。兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)：直視式視覺系統(tǒng)能夠獲

得比較豐富的焊接區(qū)域的各種信息，如熔池膨脹可能意味著接頭內(nèi)有氣孔，但它易受

弧光和熔池表面振動(dòng)的干擾；前置式可以在肯定程度上避開這種問題，但它失去了焊

接區(qū)域的一些有用信息。將光電傳感系統(tǒng)應(yīng)用于焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以獲得精

確、直觀、豐富的焊接區(qū)域的光、電信息,因而是一種最有前途的方法［19］。

近年來國內(nèi)外對(duì)帶有視覺傳感系統(tǒng)的智能焊接機(jī)器人的討論相當(dāng)流行。但是，這種方

法的困難在于，由于焊接時(shí)弧光的干擾，光電傳感系統(tǒng)對(duì)焊接區(qū)圖像的攝取和對(duì)焊縫

的識(shí)別是困難的。現(xiàn)有的光電傳感器或者功能簡潔，不夠牢靠；或者結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格

昂貴，均難以滿意工業(yè)應(yīng)用的要求。對(duì)焊接用的光電傳感器來說，有幾個(gè)關(guān)鍵問題，

能否用有效而經(jīng)濟(jì)的方法加以解決，打算了這類傳感潛的成敗。這些技術(shù)關(guān)鍵是：

（1）一般焊件表面反光性能極差，如何使入射光達(dá)到所要檢測的范圍又保證其對(duì)

工件表面有足夠的照度以獲得必要的信噪比。

（2）如何抑制劇烈的弧光及其它外來光干擾。因它們的輻射強(qiáng)度大，光譜掩蓋的

范圍寬，對(duì)信號(hào)識(shí)別影響極大。

（3）實(shí)際生產(chǎn)中，由于材料種類、加工方法和表面狀態(tài)不同（表面是否打磨、銹

蝕和殘留油污.灰塵等），工件的反光性能差別很大，反射信號(hào)強(qiáng)度相差可達(dá)幾十倍

乃至上百倍，給信號(hào)處理造成很大困難，甚至使傳感器無法正常工作。

上述問題解決到何種程度，極大地影響到光電傳感器的探測精度、牢靠性和適用

范圍。

3.2光電傳感器原理

光敏二極管的工作原理

光敏二極管又稱光電二極管，它與一般二極管類似，不同之處在于PN結(jié)裝在管

殼頂部，可以直接受到光照，在電路中一般處于反向工作狀態(tài)，它的符號(hào)圖及其在電

路中的接法下圖所示。

當(dāng)無光照時(shí)，其反向電阻很大，電路中有很小的反向飽和漏電流（稱之為暗電流）,

一般為10-8-10-9A,此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止；當(dāng)有光照時(shí)，PN結(jié)四周受光子

的轟擊，半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的價(jià)電子汲取光子能量，產(chǎn)生電子----空穴對(duì)，并在PN結(jié)

所形成的電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)而形成光電流。光照度越大，光電流就越大。故光敏

圖3-3光敏二極管電路接法

二極管不受光照時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。光電流過負(fù)載電阻R時(shí)，

在電阻兩端將得到隨入射光變化的電壓信號(hào)。光敏二極管就是這樣完成光電功能轉(zhuǎn)換

的。

光敏三極管的工作原理

光敏三極管是具有NPN和PNP結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，它在結(jié)構(gòu)上與一般三極管類

似，通常只有兩個(gè)引出電極（也有三個(gè)的）。為適應(yīng)光電轉(zhuǎn)換的要求，它的基區(qū)面積

做得較大，放射區(qū)面積做得較小，并在基區(qū)邊緣，以避開放射極引線遮住基區(qū)影響靈

敏度。管子的芯片被裝在帶有玻璃透鏡的金屬管殼內(nèi)，當(dāng)光照耀時(shí)，光線通過透鏡集

中照耀在芯片的集電結(jié)上。入射光主要被基區(qū)汲取。在正常狀況下，集電結(jié)為受光結(jié)

（相當(dāng)于光敏二極管）。集電結(jié)相對(duì)于放射極為正電壓；而基極開路，則集電結(jié)處于

反向偏置。無光照耀時(shí)，由熱激發(fā)產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子-空穴對(duì)），電子從基極進(jìn)入

集電極，空穴從集電極移向基極，在外電路中有喑電流（正常狀況下圖光敏三極管

工作原理圖光敏三極管集電極與放射極之間的穿透電流）Icco流過，其大小為：Ico。

=1+BIcbo（）式中，B為共射極直流放大系數(shù)；Icbo為集電極與基極間的反向飽

和電流。當(dāng)光照耀在光敏面（集電極）上時(shí)，光照激發(fā)產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)增加

了少數(shù)載流子的濃度，由于集電結(jié)處于反向偏置，使內(nèi)電場增加。在內(nèi)電場的作用下,

光生電子漂移到集電區(qū)，在基區(qū)留下空穴，使基極電位上升，促使放射區(qū)有大量電子

經(jīng)基區(qū)被集電區(qū)收集而形成放大的集電極光電流，即1c二BIs式中Ic為be結(jié)產(chǎn)生

的光生電流，3為光敏三極管的直流放大系數(shù)?？梢钥闯觯饷羧龢O管采用類似一

般半導(dǎo)體三極管的放大作用，將光敏三極管的光電流放大了（1+B）倍。所以，光

敏三極管比光敏二極管具有更高的靈敏度。

圖3-4光敏三極管實(shí)例圖

3.3光電傳感器的基本設(shè)計(jì)思路

我們?cè)O(shè)計(jì)的光電傳感器是在焊縫上畫一條人工幫助白線，然后采用簡潔的光電元

件檢測人工幫助白線，依據(jù)人工白線的偏差狀況輸出相應(yīng)的偏差信號(hào)。由于光敏三極

管比光敏二極管更靈敏，因此我們選用光敏三極管為光敏元件，如圖3-4。光源發(fā)出

的光照到鋼板上反射回來又照耀到光敏三極管。依據(jù)白線處反光量較大的原理，我們

知道白線正上方的光敏三極管輸出的電流較其余的光敏三極管要大，因此其輸出的電

壓信號(hào)高。這樣，我們只要對(duì)光電傳感器輸出的信號(hào)做一比較，即可知道焊縫的偏差

狀況。原理見圖3-1

3.4光敏三極管的選用

依據(jù)以上分析我們選用（圖3-4）

3DU31硅光敏三極管其用途主要為：光學(xué)測量，光電開關(guān)。其參數(shù)如下：

反向擊穿電壓：15V.最高工作電壓：10V.暗電流：0.3uA.光電流0.5TmA.功

耗:30mW.峰值波長:880nm

該光電傳感器的電路比較簡潔，采納光敏三極管與負(fù)載電阻串聯(lián)的方式。如圖

3-5取樣信號(hào)為負(fù)載電阻兩端的電壓信號(hào)

圖3-5光敏三極管接法

4.機(jī)械部分的設(shè)計(jì)

4.1機(jī)械部分方案簡介

圖4-1機(jī)械裝置示意圖

設(shè)定機(jī)械部分主要的技術(shù)指標(biāo)為：

總質(zhì)量大約為30KG

其中滑動(dòng)部分質(zhì)量大約為8KG

燕尾槽加涂層后摩擦系數(shù)為0.65

絲杠摩擦系數(shù)為0.003

工作速度大約為3mm/s

橫向調(diào)整長度為160mm

定位精度：+-lmm

焊接小車的方案

依據(jù)工作圓管直徑的要求，要特殊留意磁輪的直徑和機(jī)器人的本體底座之間的距

離設(shè)計(jì)，又由于焊炬在高度上可移動(dòng)，在設(shè)計(jì)絲杠時(shí)要考慮其工作范圍及其安裝位置。

傳感器與光源放射器之間距離，以及兩者距離焊件高度都應(yīng)考慮，詳細(xì)見后面的

分析。

小車的橫向調(diào)整臂的運(yùn)動(dòng)范圍大約為160mm,由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

4.2絲杠的選擇

本系統(tǒng)中，絲杠螺母及滑塊協(xié)作使用，其中絲杠與齒輪相嚙合，帶動(dòng)滑塊滑動(dòng)。

依據(jù)以上步進(jìn)電機(jī)的選擇以及絲杠受力狀況，初步設(shè)定橫向調(diào)整絲杠的直徑為

10mm,長度為200mm,工作長度為180mm,高度調(diào)整絲杠的直徑為10mm,長度

為220mm,工作長度為200mm,螺距設(shè)計(jì)為3mm。

4.3步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)與選用

實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化，使焊槍自動(dòng)精確的沿焊縫軌跡運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)焊接

生產(chǎn)操作，就必需使焊機(jī)具有焊縫跟蹤功能。在實(shí)際的焊接生產(chǎn)中，工件的焊縫曲線

外形不行能是抱負(fù)的曲線，總是會(huì)存在一些差別。假如在焊接生產(chǎn)中，焊機(jī)不能依據(jù)

焊縫的實(shí)際狀況作出推斷，調(diào)整焊槍的位置，那么焊槍就會(huì)偏離焊縫，產(chǎn)生咬邊等焊

接缺陷,嚴(yán)峻的影響焊縫的焊接質(zhì)量。為了使我們?cè)O(shè)計(jì)的焊接系統(tǒng)具有焊縫跟蹤功能,

使焊槍在整個(gè)焊接過程中自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)焊縫，我們?cè)O(shè)計(jì)在焊機(jī)上加一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。該步

進(jìn)電動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)焊接小車可以在水平面內(nèi)做左右方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)焊槍可

以左右敏捷轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，假如焊縫的外形發(fā)生偏差，焊槍就可以在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)

下做出相應(yīng)的搖擺，使其能夠在整個(gè)焊接過程中始終對(duì)準(zhǔn)焊縫中心，保證焊接的質(zhì)量。

選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)必需討論電動(dòng)機(jī)的容量能否滿意負(fù)載力矩的需要，能否適合于

裝置的動(dòng)作要求及掌握方面的功能能否滿意等。考慮負(fù)載狀況。避開由于估量不足而

將電動(dòng)機(jī)選的過小，帶不動(dòng)負(fù)載造成失步，后者選的過大，造成鋪張。此外負(fù)載慣量

對(duì)電機(jī)的特性影響很大，其他條件相同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，啟動(dòng)頻率越低。因此，依

據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求并參考有關(guān)文獻(xiàn)，先假設(shè)焊接小車的總質(zhì)量大約為30KG,小車本

體在焊接過程中，主要考慮克服摩擦力、自身重量以及磁輪的磁性吸附力。

選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

4.3.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本特性

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將脈沖信號(hào)變換成角位移或直線位移的掌握電機(jī)。在數(shù)字掌握

系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度

或前進(jìn)一步。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不需要反饋信號(hào),

只需保持一個(gè)脈沖進(jìn)給一步，囚此無誤差積累，轉(zhuǎn)子唯一的誤差就是電動(dòng)機(jī)單步的精

確性。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在任何一個(gè)方向的任意機(jī)械位置都可以啟動(dòng)和停止，并

且，它的轉(zhuǎn)子依據(jù)每一個(gè)輸入步進(jìn)指令以精確的角度運(yùn)動(dòng)和停止。這種精

確的角度運(yùn)動(dòng)可隨每一個(gè)輸入步進(jìn)指令重復(fù)，從而使其轉(zhuǎn)子可在任一方向上精確定

位。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)閻簡潔、維護(hù)便利、精確度高、調(diào)速范圍大、啟動(dòng)只動(dòng)反應(yīng)靈

敏等特點(diǎn)。而且假如停機(jī)后某些相仍包乘通電狀態(tài)，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還具有自鎖力量。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速打算于電脈沖頻率，并與頻率同步，由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電動(dòng)

機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)字掌握系統(tǒng)中。

.2雙繞組式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

通常使用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為三類:永磁式、反應(yīng)式和雙繞組式。我們選用的是雙

繞組式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。雙繞組式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常一種單極性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，是永磁式（也

稱雙極性機(jī)）的變種，它的每個(gè)定子繞組都有中間插頭，也即每個(gè)定子磁極繞有兩個(gè)

定子繞組，電流能交替的流過繞組的兩部分，形成交變磁極，圖中所示電路用于掌握

圖4-2步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部電路簡圖

一臺(tái)兩相的雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它可以使用單向二線電源掌握，降低了電路的簡單程

度。在對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行掌握時(shí)，按肯定的電挨次通過單向電源一個(gè)繞組或另一個(gè)繞

組通電就可以轉(zhuǎn)變磁場的極性，通電挨次見表4-1。

這樣就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。使用雙繞組式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以簡化驅(qū)動(dòng)電

路，不僅所需要的功率開關(guān)（功率場效應(yīng)晶體管）的數(shù)量削減一半，而且可防止電流通

過兩個(gè)功率場效應(yīng)管短路，對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間的同步性的要求不在苛刻，而同步性對(duì)于雙向

驅(qū)動(dòng)電路卻是很苛刻的，由此可見，使用雙繞組式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以使焊機(jī)較好的實(shí)現(xiàn)

焊縫跟蹤功能。

反

正次序M1M2M3M4轉(zhuǎn)

轉(zhuǎn)A-

1onoffonoff

2onoffoffon

3offonoffon

4offononoff

5onoffonoff

表4—1

?3步進(jìn)電機(jī)的選用

（1）驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算：

Fm：支撐之間及滑塊與燕尾槽間的摩擦力，因絲杠摩擦系數(shù)很小，相對(duì)導(dǎo)軌的

滑動(dòng)摩擦力而言可以省略不記。

設(shè)支撐滑塊的預(yù)緊力為100N

則Fm=100X0.65=65N

Fg：運(yùn)動(dòng)過程的慣性力

因運(yùn)動(dòng)過程中慣性力很小，所以設(shè)其為1N

G：臂部移動(dòng)部件總質(zhì)量。

G=8kgX9.8=78.4N

因此我們可以得到:

P=Fm+Fg+G1=65+1+78.4=144.4N

（2）輸出力矩的計(jì)算:

T=+—[F+.（VV1+W2）][20]

242加7

式中：

Wl、W2、W3為焊槍、滑塊、傳感器部分質(zhì)量（kg）,為8KG

Uo是滑塊與支架之間的摩擦系數(shù)，為0.65

U1是絲杠部分的摩蒙系數(shù)，為0.003

Fa絲杠預(yù)緊壓力（N）,為100N

c絲杠的導(dǎo)程（m）,為0.16m

q傳動(dòng)效率0.85?0.95

由此可得T=5.72Nm

（3）我們選用的雙繞組式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為KP68P2—406,電機(jī)的步距角為

1.8度，掌握電壓為直流12伏每相阻抗為33。

兩相步進(jìn)電機(jī)參數(shù)如下

相數(shù)：2步距角1.8相電流：5.0A

驅(qū)動(dòng)電壓：AC40/60V最大靜轉(zhuǎn)距6.0Nm驅(qū)動(dòng)力150N

質(zhì)量：3.8KG配套驅(qū)動(dòng)器:SH-21I090M

本系統(tǒng)中，焊接機(jī)器人的橫向調(diào)整部分絲杠的螺距設(shè)計(jì)為3mm,步進(jìn)電機(jī)的步

距角為1.8度,所以脈沖當(dāng)量為1.8*2/360=0.01mm,其移動(dòng)速度為

V=0.01*f（mm/s）

式中：f為掌握步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路掌握原理

我們?cè)O(shè)計(jì)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如下圖4-3

圖中01、（）2、03、04是四個(gè)光電耦合器，它們具有抗干擾性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠使

單片機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)之間在電性能上完全隔離，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的精確

性。Ml、M2、M3、M4是功率場效應(yīng)晶體管，簡稱功率MOSFET。功率場效應(yīng)管的

漏極D接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組。光電耦合器的發(fā)光二極管的陽極與輸入/輸出接口

芯片8155的PA0-PA3接口相接。焊接時(shí)，焊接小車在直流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下向前

行駛。焊縫跟蹤傳感器在焊炬的前端檢測焊縫坡口的位置，并把焊縫坡口的位置信號(hào)

轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸送到8098單片機(jī)的內(nèi)部。假如焊縫的位置沒有發(fā)生偏差，則8098

單片機(jī)就不會(huì)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)指令，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，而焊槍也不在左右方

向上做任何移動(dòng)，學(xué)問跟隨焊接小車一起向前運(yùn)動(dòng)。假如焊縫坡口的位置信號(hào)消失偏

差，單片機(jī)依據(jù)傳感器輸入的信息推斷出焊縫的實(shí)際位置，然后發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電

動(dòng)機(jī)往相應(yīng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)肯定的步數(shù)，驅(qū)使焊接小車在相同的方向上轉(zhuǎn)動(dòng)肯定的角度，

從而使焊槍能夠?qū)?zhǔn)焊縫的中心，保證了焊縫的焊接質(zhì)量。

圖4-3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)掌握電路

4.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)掌握的軟件設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)用8098單片機(jī)按肯定挨次輸出脈沖信號(hào)掌握步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使其

帶動(dòng)焊槍左右偏轉(zhuǎn)，保證焊槍能始終對(duì)準(zhǔn)焊縫的中心，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。在這一過程中，

必需有焊縫跟蹤傳感器檢測出焊縫的位置信號(hào)并將其送入8098單片機(jī)內(nèi)，供單片機(jī)

對(duì)其作出推斷后再輸出執(zhí)沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。這一掌握過程的程序流程圖如

圖4-4所示。

程序詳細(xì)的工作過程是:先由焊縫位置傳感器對(duì)焊縫位置外形進(jìn)行采樣，然后將

采樣信息經(jīng)8098單片機(jī)的AD;口輸入到單片機(jī)的內(nèi)部。AD;口是8098單片機(jī)內(nèi)A/D

轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入口，模擬量信號(hào)經(jīng)該口輸入單片機(jī)后直接送到單片機(jī)內(nèi)的AD轉(zhuǎn)

換器進(jìn)行信號(hào)的摸/數(shù)轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換相應(yīng)的單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字

量信號(hào)。然后單片機(jī)從存儲(chǔ)器中讀取設(shè)定俏，并將測得俏與設(shè)定值講行比較，假如測

得值與設(shè)定值相差不大，小于一有限值6,則認(rèn)為傳感器在左右方向上沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn),

即焊縫位置沒有發(fā)生變化，我們將s稱為系統(tǒng)允許誤差。其值很小，可依據(jù)焊接生產(chǎn)

的精度要求進(jìn)行調(diào)整設(shè)定。假如單片機(jī)推斷出測定值與設(shè)定值相差較大，其差值大于

8,則進(jìn)行下一步推斷:假如測定值大于設(shè)定值，則表示焊縫位置向左發(fā)生偏轉(zhuǎn)，單片

機(jī)轉(zhuǎn)去執(zhí)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)子程序，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)焊槍向左方偏轉(zhuǎn),

直至使焊槍對(duì)準(zhǔn)焊縫的中心;假如測定值小于設(shè)定值，則表示焊縫位置向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖4-4步進(jìn)電機(jī)程序流程圖

單片機(jī)轉(zhuǎn)去執(zhí)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)子程序，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)焊槍向右方

偏轉(zhuǎn)，直至使焊槍對(duì)準(zhǔn)焊縫的中心。在焊接過程中，單片機(jī)不斷的執(zhí)行該掌握程序，

就確保了焊槍能夠在焊接過程中能始終對(duì)準(zhǔn)焊縫（坡口）的中心，也就實(shí)現(xiàn)了焊縫跟

蹤。

下圖4-5為選用電機(jī)的實(shí)物圖：

4-5步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖

4.4伺服直流電動(dòng)機(jī)

4.4.1伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

在焊接生產(chǎn)中，焊接速度是影響焊縫質(zhì)量的重要因素之一。焊接時(shí)焊接的電流大,

熔池熔深大，焊接速度對(duì)焊縫質(zhì)量的影響尤其突出。要想得到質(zhì)量優(yōu)良的焊縫，保持

焊接速度在焊接過程中的穩(wěn)定是必要的。我們我國現(xiàn)有的焊接自動(dòng)焊機(jī)對(duì)焊接速度采

納的開環(huán)掌握方式，他是在焊接前預(yù)先設(shè)定一個(gè)抱負(fù)的焊接速度值，然后啟動(dòng)焊接驅(qū)

動(dòng)焊接小車向前行駛。但是，焊接操作過程受到外界的影響，這樣就使實(shí)際的焊接速

度值與抱負(fù)的焊接速度值不相符，達(dá)不到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值。然而由于焊機(jī)采納的掌握

方式是開環(huán)掌握，這樣就沒有焊接速度的信號(hào)反饋回來，人們也就不知道焊接速度的

實(shí)際數(shù)值，無法對(duì)起進(jìn)行精確掌握。由此，在焊接過程中，焊接速度值就不穩(wěn)定，會(huì)

消失較大的波動(dòng)，從而必定會(huì)影響到焊縫的焊接質(zhì)量。要想保持焊接速度在焊接過程

中穩(wěn)定不變，保證焊縫的質(zhì)量優(yōu)良，最好的方法就是對(duì)焊接速度實(shí)行閉環(huán)方式進(jìn)行掌

握。

我們?cè)O(shè)計(jì)的是直流伺服電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)掌握電路。該掌握電路的速度檢測環(huán)節(jié)有碼

席完成，電路采納PWM波對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)整掌握。PWM波由

8098單片機(jī)的內(nèi)部產(chǎn)生，從其P2.5口輸出，該P(yáng)WM波是功率場效應(yīng)管（PMOSFET）

柵極的掌握信號(hào)，由它來掌握功率場效應(yīng)管的關(guān)斷和導(dǎo)通。

4.4.2伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的原理圖

圖4-6伺服電機(jī)掌握電路

圖中（）1,02是光電耦合器。它們是將發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起構(gòu)成

的，他們的輸入輸出之間僅用光耦合。當(dāng)有電流流過發(fā)光一極管時(shí)，發(fā)光一極管就會(huì)

發(fā)光。這一光線照到光接受元件即光敏三極管上時(shí)，就在光接受元件的回路中產(chǎn)生電

流。這樣，就由光傳遞代替了電流傳遞，使得輸入和輸出之間在電性能上完全隔離，

有較強(qiáng)的抗干擾性。Ml、M2是功率場效應(yīng)晶體管，簡稱功率場效應(yīng)管（PMOSFET）。

這是一種單極性的電壓掌握器件，它不但有自關(guān)功能，而且驅(qū)動(dòng)功率小，工作速度高,

沒有二次擊穿問題，平安工作區(qū)寬。因而功率場效應(yīng)管用于脈沖調(diào)寬掌握電機(jī)特別便

利。掌握電壓加到它的柵極上，只要10V左右的正向偏壓就可以使其導(dǎo)通。而其本

身的輸入阻抗高達(dá)10的9次方Q,因而所需的掌握功率很小。KI是繼電器，他是用

來轉(zhuǎn)變直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞電流的方向，從而轉(zhuǎn)變直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，驅(qū)動(dòng)焊

接小車前進(jìn)或后退。

焊接時(shí)，啟動(dòng)電源開頭焊接時(shí)，8098單片機(jī)由P2.5口輸出高電平信號(hào)將光電耦

合器01觸發(fā)導(dǎo)通，電流經(jīng)R4、R5流入功率效應(yīng)晶體管Ml的柵極G,使Ml導(dǎo)通,

Ml的漏極D接外界+12V電源，源極S接繼電器K1的第5腳。Ml導(dǎo)通后，+12V

的電源經(jīng)繼電器與伺服電動(dòng)機(jī)的電樞相連，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)焊接小車前進(jìn)。

在焊接過程中，假如需要焊接小車后退，按下相應(yīng)按鈕，8098單片機(jī)輸出一個(gè)高電

平信號(hào)給光電耦合器01,使01的發(fā)光二極管發(fā)光。觸發(fā)光敏三極管導(dǎo)

圖4-7小車掌握示意

通，使+12V的電源加到功率場效應(yīng)管M2的柵極G上，觸發(fā)M2導(dǎo)通，M2的漏極D

接繼電器K1的第3腳，源極S接地，繼電器K1的第3、6腳間接的是繼電器線圈。

M2導(dǎo)通后使繼電器線圈通電，電磁鐵吸合活動(dòng)觸點(diǎn)，轉(zhuǎn)變伺服電動(dòng)機(jī)電樞中電流的

流淌方向，使伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)焊接小車后退。小車掌握示意圖圖4-7

5單片機(jī)掌握系統(tǒng)

5.1單片機(jī)掌握原理

單片機(jī)掌握電路圖見附圖

我們?cè)O(shè)計(jì)的單片機(jī)掌握系統(tǒng)以8098單片機(jī)為核心，并配以外部擴(kuò)展隨機(jī)存儲(chǔ)器

（RAM）6264、外部地圮鎖存器74LS373、外部地址譯碼器74LS138以及外部擴(kuò)展輸

入/輸出接口芯片8155。

圖5T8098示意圖

圖5-1所示8098芯片，8098單片機(jī)的P3口和P4口用來擴(kuò)展芯片。P4口的高8

位與外部地址鎖存器74LS373的輸入端相連。由P4口的高8位地址口輸出的地址信

號(hào)先進(jìn)入地址鎖存器74LS373進(jìn)行鎖存愛護(hù)。地址鎖存器的輸出端與外部地址譯碼器

74LS138的三個(gè)數(shù)據(jù)輸入端A、B、C相連。P4口輸出的地址信號(hào)經(jīng)A、B、C端輸入后

由譯碼器完成地址譯碼，譯碼器74LS138并將譯碼結(jié)果由其數(shù)據(jù)輸出端Y0~Y7輸出，

選擇相應(yīng)的芯片。P3匚是具有漏極開路輸出的8位雙向口，分別與外接芯片相連，

可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

單片機(jī)的第14引腳和第33引腳分別是寫信號(hào)和讀信號(hào)的輸入輸出端。它們的與

期于芯片的相應(yīng)的引腳相連，是系統(tǒng)掌握所必需的。

單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)瑞（第11、37引腳）、存儲(chǔ)器允許端（第37引腳）以及模擬

信號(hào)端（第44引腳）均接地。其中，數(shù)字地和模擬地信號(hào)端只能在一點(diǎn)相連并接地,

這樣可以提高系統(tǒng)的抗干擾性。

單片機(jī)的P2.5口艮1第13引腳是單片機(jī)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出端口，該端

口與直流伺服電動(dòng)機(jī)的掌握電路相連。由該端口輸出的脈沖寬度調(diào)制波（PWM波）可

以對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)整。

單片機(jī)的Vcc引腳（第38引腳）是系統(tǒng)的主電源電壓（+5V）端。VPD引腳（第

46引腳）是片內(nèi)RAM備用電源端。VPD引腳（第12引腳）是將來EPROM的編程電壓

端。VREF引腳是片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換的參考地端。這四個(gè)引腳共同接+5V電源。其中尤其以

VPD引腳最為重要，將其接+5V電源可以防止一旦系統(tǒng)突然斷電丟失正在運(yùn)行的數(shù)據(jù)，

起到愛護(hù)作用，使特殊功能寄存器（SER）中地址為OFOH~OFFH的單元中的內(nèi)容得到

愛護(hù)。

單片機(jī)的第40?43引腳是高阻抗輸出入口，可以作為A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入口。

在本設(shè)計(jì)的焊接跟蹤系統(tǒng)中，焊縫位置傳感器檢測出焊縫坡口的外形位置信息，并將

該位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)由單片機(jī)的第43引腳輸入到單片機(jī)中，由

單片機(jī)自身在內(nèi)部完成信息的A/D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)就是依據(jù)這些信息推斷出焊縫的位置

外形的變化狀況，并作出相應(yīng)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。

單片機(jī)的第3、4、5、6引腳是高速輸入部件的信號(hào)輸入端。其中第3引腳是HIS.0

輸入口，該口在焊接跟蹤系統(tǒng)是作為焊接速度信號(hào)的輸入口。焊接時(shí)，焊接小車前車

輪的碼盤測出焊接小車的行走速度，并將該速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)脈沖信號(hào)由HIS.0口輸

入到8098單片機(jī)的內(nèi)部。單片機(jī)依據(jù)由該口輸入的電信號(hào)計(jì)算出焊接小車的行駛速

度即焊接速度值，并將該值與理論設(shè)定值相比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接速度的閉環(huán)掌握。

本設(shè)計(jì)的焊縫跟蹤功能是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過輸入/輸出接

口芯片8155與單片機(jī)相連。8155的PAO——PA3口是數(shù)據(jù)輸出口，它們與步進(jìn)電

動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)掌握電路相連。單片機(jī)經(jīng)過分析推斷后對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)指令，這些

指令就是通過這四個(gè)端口輸出的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在這些指令的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)焊接小

車在水平面內(nèi)左右移動(dòng)，使焊槍自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)焊縫的中心。8155的ADO——AD7（第12—

-19引腳1）是三態(tài)地址數(shù)據(jù)引出線，它們分別與其余芯片相連，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳

送。8155的其余口線備用。

系統(tǒng)的軟件程序存放在可改寫只讀存儲(chǔ)器（EPROM27128）中。單片機(jī)對(duì)接受到

的數(shù)據(jù)進(jìn)行的一系列處理計(jì)算就是由其中的程序完。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存放在隨機(jī)存儲(chǔ)器

(RAM6264)中。

依據(jù)系統(tǒng)的硬件連接電路，我們可以求出圖中各個(gè)芯片的地址。計(jì)算的結(jié)果為:

EPR0M27128：2000H——5FFFH

RAM6264(U5)：6000H——7FFFH

RAM6264(U6)；8000II----9ITPII

I/O接口8155：AOOOH——A105H

RAM：AOOOH——AOFFH

COM：AlOOH

A：A1O1H

B：A102H

C：A103H

TL：A104H

TH：A10511

5.2系統(tǒng)各硬件芯片的選用

本課題設(shè)計(jì)的單片機(jī)掌握系統(tǒng)以8098單片機(jī)為核心，圖5-1的芯片即為8098

單片機(jī)。與MCS-51系列單片機(jī)相比，8098單片機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

輸入/輸出指令更為簡練。

(9)8098單片機(jī)具有8個(gè)中斷源，對(duì)應(yīng)著8個(gè)中斷矢量，這使得8098單片機(jī)最多

能夠處理20種中斷大事。

(10)8098單片機(jī)有2個(gè)16位硬定時(shí)器，其中定時(shí)器T1在系統(tǒng)中作定時(shí)時(shí)鐘用，

系統(tǒng)運(yùn)行過程中不停的循環(huán)計(jì)數(shù)；定時(shí)器T2受外不大事掌握，依據(jù)外部大事計(jì)數(shù)。

8098單片機(jī)以高集成度、高性能價(jià)格比和高抗干擾力量使之應(yīng)用領(lǐng)域越來越

廣。

附圖中芯片U2、U374LS373是8098單片機(jī)的外部地址鎖存器，它是一種8D觸

發(fā)器，由三態(tài)門掌握輸出。在8098單片機(jī)中的16位地址分為高8位(A15——A8)

和低8位(A7——A0),其中低8位是P4口輸出，高8位由P3口輸出。而P3口和

P4口同時(shí)乂是數(shù)據(jù)的輸入/輸出接口，因而它們?cè)趥魉托畔r(shí)采納分時(shí)方式，先輸出

地址，然后再輸出數(shù)據(jù)％但是，單片機(jī)在對(duì)外部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作時(shí)，傳送的地

址必需保持。地址鎖存器74LS373就起到鎖存保持地址的作用，以保證單片機(jī)有序的

進(jìn)行信息處理。74LS373的數(shù)據(jù)輸入由允許端G（即第11引腳）掌握。G端為高電平

常，數(shù)據(jù)輸入74LS373并保持。數(shù)據(jù)輸出由數(shù)據(jù)輸出端（即第1引腳）掌握。74LS373

的各觸發(fā)器僅輸出單一狀態(tài)，DO一一D7為數(shù)據(jù)輸入端，A0一一A7為數(shù)據(jù)輸出端。

附圖中芯片U974LS138是外部地址譯碼器，我們?cè)O(shè)計(jì)用多塊存儲(chǔ)器構(gòu)成8098單

片機(jī)的外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器,要使系統(tǒng)正常工作，除了要用74LS373鎖存低8位地址以外,

系統(tǒng)還要由高位地址產(chǎn)生片選信號(hào)。在系統(tǒng)工作時(shí)，8098單片機(jī)將其高位地

址即P4口輸出的地址送地址譯碼器74LS138進(jìn)行譯碼。每一位譯碼輸出對(duì)應(yīng)一個(gè)片

選信號(hào)。這樣，全部外接芯片的片選信號(hào)端即可確定。因此，單片機(jī)也就可以依據(jù)需

要輸出一個(gè)地址信號(hào)來選通所需要的芯片。

附圖中芯片U5、U6,6264是外部擴(kuò)展隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）,8098單片機(jī)內(nèi)部

雖然有肯定容量的存儲(chǔ)器，但這并不能滿意系統(tǒng)實(shí)際工作狀況的需要，因而我們?yōu)槠?/p>

擴(kuò)展外部隨機(jī)存取儲(chǔ)器6264。6264的尋址范圍為8K,集成度高，其與8098單片機(jī)

的連接如圖所示。低8位的地址由8098單片機(jī)P3口輸出，送74LS373鎖存，高8

位地址由P4口輸出，其中3位地址送地址譯碼器74LS138,經(jīng)譯碼后產(chǎn)生片選信號(hào)；

另5位地址經(jīng)74LS373送隨機(jī)存儲(chǔ)器6264的高5位輸入端，在進(jìn)行存儲(chǔ)器讀/寫操作

時(shí)，數(shù)據(jù)由P3口輸入/輸出。

附圖中芯片U427128是外部擴(kuò)展可改寫只讀存儲(chǔ)器（EPROM）o8098單片機(jī)本身

沒有片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器，不能存放程序，因而有必要為其擴(kuò)展一個(gè)只讀存儲(chǔ)器用來存放

系統(tǒng)的軟件程序。我們選用了27218,它是可改寫的只讀存儲(chǔ)器（EPROM）,尋址范圍

為16K,本身采納HMOS工藝制成，工作速度快。EPR0M27128是可改寫的，當(dāng)需要對(duì)

己編寫的程序進(jìn)行改寫時(shí)，只需用擦除器除去原來的程序，再將修改后的程序重新寫

入即可，一個(gè)芯片可以多次使用，特別便利。

芯片U8,8155是一種內(nèi)部設(shè)有256字節(jié)的靜態(tài)RAM和一個(gè)14位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)

器的多功能8位并行輸入/輸出接口，在單片機(jī)掌握系統(tǒng)中用來作為8098單片機(jī)的外

部擴(kuò)展接口。8098單片機(jī)本身供應(yīng)應(yīng)用戶的輸入/輸出接口線并不多。其P0口僅有4

根輸入/輸出引線（P0.4一—P0.7）,只能做輸入用；口也僅有4根輸入/輸出引線（P2.0

——P2.2以及P2.5),可作輸入輸出用；P3口和P4的引線只能作為系統(tǒng)的總線用。

這樣，在用8098單片機(jī)對(duì)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行掌握時(shí)，8098本身具有的輸入/輸出端口就

不能滿意系統(tǒng)的需要。因此，必需為8098單片機(jī)外擴(kuò)一些輸入/輸出接口，以構(gòu)成一

個(gè)功能齊全的單片機(jī)掌握系統(tǒng)。8155接口芯片恰能滿意這樣的要求。8155含有兩個(gè)

8位并行輸入/輸出端口、一個(gè)6位的并行輸入/輸出端口、256字節(jié)的靜態(tài)隨機(jī)存取

存儲(chǔ)器、一個(gè)地址鎖存落、一個(gè)14位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和掌握規(guī)律電路等。因而，在

與8098單片機(jī)聯(lián)接后，8155可以為系統(tǒng)增加256字節(jié)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、22條輸入

/輸出引線和14位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。8155芯片各引腳如圖中所示。其中AD7——AD0

是三態(tài)地址/數(shù)據(jù)引線。CS是片選信號(hào)線，低電平有效。RD和WR分別是存儲(chǔ)器的讀

和寫命令，也是低電平有效，分別為系統(tǒng)擴(kuò)展占用。ALE是地址及片選信號(hào)鎖存信號(hào)

線，高電平有效，其后沿將地址及片選信號(hào)鎖存到器件中。10/M是輸入/輸出接口與

存儲(chǔ)器間的選擇信號(hào)線，

當(dāng)10八上0時(shí)，表示AD7——ADO輸入的是存儲(chǔ)器地址，尋址范圍是0——OFFH；

當(dāng)I0/M=l時(shí)，表示AD7——ADO輸入的是輸入/輸出接F1地址。

8155與8098單片機(jī)的聯(lián)接如附圖圖所示。8155的片選信號(hào)CS口與地址譯碼器

74LS138相聯(lián),AD7——ADO與8098的P3相聯(lián),其PBO——PB3口和PAO——PA3口分

別接光電耦合器，通過光電耦合器將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和輸入/輸出接口芯片8155連接到一

起。光電耦合器使單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)之間在電性能上完全隔離，兩者之間只用光耦

合，這樣可以提高系統(tǒng)的抗干擾性和系統(tǒng)的掌握精度。

6.系統(tǒng)抗干擾措施

6.1硬件抗干擾措施

從硬件方面提高單片機(jī)掌握系統(tǒng)的抗干擾措施主要從以下幾個(gè)方面著手：

6.1.1留意接地問題

我們?cè)O(shè)計(jì)將單片機(jī)掌握系統(tǒng)的數(shù)字地和模擬地嚴(yán)格的區(qū)分開，并且只能在一點(diǎn)將

兩者相連接地。這樣就可以防止數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)相互干擾。

6.1.2模擬量輸入通道的隔離技術(shù)

在我們?cè)O(shè)計(jì)的8098單片機(jī)掌握系統(tǒng)中，單片機(jī)與外界電路間都加有光電禍合器,

例如