基于倾角传感器的焊枪摆动器设计

熊治文

（广西机电职业技术学院电气工程学院，广西南宁，530007）

0 引言

随着科学的进步和发展，焊接早已脱离了简单结构的连接或者坯料制造的范畴，变成了现代制造工业中不可或缺的精加工方法之一。而现代的发展生产所追求的是高效率与高质量的结合，这与传统的人工制造形成了矛盾，也就是说传统的生产效率已远远不能满足现代化的生产需求；所以新时代的焊接制造必须做出转变，顺应时代的发展，向着自动化、机械化、智能化发展才是大势所趋，而这就是新时代工业焊接机器人诞生的根本原因，该机器人主要由变位机、传感器、控制器、自动焊机等组成。

本文主要研究工业焊接机器人中的焊接摆动器，为了提高焊接效率、质量、精准度[4]。进一步开展基于微处理器的焊枪设计研究。通过设计出如下的控制方案：

采用单片机芯片作为控制器向各模块提供数据信号、方向信号、使能信号给驱动器，把倾角传感器输出的一系列脉冲信号进行处理，并将数值显示于LCD屏，且单片机控制电机的转动。倾角传感器作为监测机构，通过焊枪与焊缝的偏差角度进行实时监控。

焊枪摆动器可根据焊枪与焊缝的偏差角度实时纠正，采用柔性导杆反馈偏差角度，单片机驱动液晶显示偏差。将为工业焊接机器人在提高精准度与效率方面的发展提供参考。

1 焊枪摆动器设计方案

■1.1 焊枪摆动器结构设计

在本文中的焊枪摆动器的部分结构中主要由焊枪、十字滑块、柔性导杆、滑轮、倾角传感器、焊缝等组成，如图1所示。焊枪的作用是进行焊接，十字滑块是一种设想的结构，可以进行调整柔性导杆与焊枪的距离，防止焊枪与柔性导杆距离过进，导致导杆受损；柔性导杆的作用是为了让传感器远离焊枪，避免焊接过程中受焊接弧光和温度的影响；滑轮的作用是为了让柔性导杆能顺利地在焊接板块上方便的移动，减少摩擦，避免了导杆的磨损与寿命的衰减[1]，提高机器的使用寿命；倾角传感器使用的是GY-倾角检测仪，主要用来检测角度的变化回馈给控制器，该传感器之所以装在导杆的中间是为了能更好以及更灵敏更快速的检测出导杆相对于焊缝的角度变化，而导杆就相当于焊枪的延伸，故而导杆的形变就预示着焊枪的形变，所以角度传感器的灵敏度与快速性决定焊枪的焊缝跟踪精度，具体的结构如图1所示。未添加的结构有两台来分别代表焊枪摆动器的前后、左右方向的转动动力的步进电机以及单片机控制器，当角度传感器向右偏转时，导杆会率先向右发生形变，然后单片机会使LCD显示出角度的变化的大小，同时控制负责左右方向的电机回转，使焊枪免于碰撞和偏移，使焊枪不偏离焊缝，进而实现焊枪摆动器的焊缝跟踪控制。

图1 焊枪摆动器结构图

■1.2 控制系统设计

控制系统方案如图2所示，在以微控制器STC89C52RC为核心的条件下，形成的闭环控制，同时分出三大设计模块。

图2 控制系统总体设计框图

本系统主要采用单片机微控制器作为控制核心，通过角度传感器构成的监控模块、LCD显示模块、步进电机以及驱动模块构成焊枪摆动器的控制系统。GY-25倾角检测仪将角度数据通过串口发送给单片机寄存器中，其中角度数据包括了三个方向的角度数据，分别是航向角、横滚角以及俯仰角，在本设计中只用到了航向角和俯仰角的数据；单片机将这两个数据通过LCD显示出来，当下一次角度发生变化时，通过判断是哪一个方向的角度发生了变化，从而判断是哪一个步进电机会收到脉冲信号从而发生转动，以此来模拟焊枪的摆动，当摆动结束，会将数据上传，以此来实现下一次角度偏转时，能通过角度差的计算公式来继续给步进电机转动的脉冲数。

2 焊枪摆动器设计

■2.1 主程序流程设计

焊枪摆动器的软件设计所使用的编辑语言是C语言，无论是主程序还是子程序等等都是采用的C语言编程，主程序流程图主要包括系统初始化、LCD显示子程序、串行写入/读取、电机正反转，软件设计的主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

■2.2 电机控制程序设计

为了实现焊缝跟踪，当焊枪的角度发生偏移时，角度传感器通过柔性导杆实时检测到角度的变化，这时就会启动控制步进电机的程序，使电机转动，从而调整焊枪回到正轨，实现焊缝跟踪，电机的控制程序流程图如图4所示。在电机控制时，我们还要考虑到步进电机的最小步距角与转速，以下就是求得步进电机步距角与转速的方法：

图4 电机控制程序流程图

由本文电机参数可知所使用的步进电机是四相永磁式步进电机，采用的是八拍运行方式，齿数为八个；减速比为1：64；空载频率f=550Hz。

由公式（1）：n为转速。f为频率，所以求得的转速为8转每分钟。

3 实验结果与分析

在模拟焊枪摆动器的焊接过程中，利用角度传感器来进行焊缝跟踪中的焊枪角度的检测，角度传感器主要负责的是俯仰角与水平角的检测，然后通过串口传输数据给单片机，最终通过数据处理，显示在LCD上。本次测试是摘选的角度是水平角+20度、-20度；俯仰角+15度、-15度的角度显示测试，测试结果如图5和6所示（以下图水平位置为俯视图，俯仰位置为正视图）。

首先将传感器水平移动+20度，因为角度传感器是水平焊接在万用板上，因此我将焊接板放在水平桌面上，在上电初化完成后，通过慢慢逆时针水平旋转焊接板块，就会发现显示屏上“Y”后面对应的数值会缓慢呈正数增加，一直增长到本次需要检测的+20°角，我们就停止转动焊接板，最终在显示屏上显示出如图5所示的结果。

图5 水平角+20度检测

在检测俯仰角时，我将水平放置的焊接板缓慢的水平抬起15°角，就会发现显示器上“P”所对应的数值会呈正数增加，一直抬起焊接板直到数值达到所要检测的“+15”度为止，显示结果如图6所示。

图 6 俯仰角+15度检测

正如检测俯仰角+15°角时一样，我只要水平抬起焊接板的右边，这时显示器上“P”就会后面的数值将呈负数增长，直到增长到我们所需要的“-15”数值为止。

通过模拟焊枪摆动器的工作过程，通过角度传感器的角度检测以及焊枪的自动回调，当焊枪在焊接时焊枪发生偏移，不能继续维持焊枪的焊缝跟踪功能时，此时角度传感器就会在柔性导杆的辅助作用下检测到焊枪的同步角度偏差，在第一时间内单片机就会通过角度差的计算来得到相应的脉冲数，从而发送该脉冲数来控制负责焊枪水平/俯仰回转的步进电机，两个步进电机就会因此得到使自身转动的脉冲信号，例如：焊枪的水平位置发生了偏移，通过程序计算出的偏移的角度差为正数，则单片机就会发送给控制焊枪水平位置的电机相应的脉冲信号，水平步进电机就会反转相应角度，以此来模拟焊枪水平位置的自动调整；以此类推，俯仰电机也是如此。最终两台步进电机根据相应角度发生正/反转的具体实验数据如表1所示。

表1 两台电机的正反转检测表

2 15 反转 100% 水平角电机3 25 反转 100% 水平角电机4-5 正转 100% 水平角电机5-15 正转 100% 水平角电机6-25 正转 100% 水平角电机7 5反转 100% 俯仰角电机8 15 反转 100% 俯仰角电机9 25 反转 100% 俯仰角电机10 -5 正转 100% 俯仰角电机11 -15 正转 100% 俯仰角电机12 -25 正转 100% 俯仰角电机

4 结束语

采用的角度传感器虽然可以检测到水平位置角度-180度到+180度，但是在俯仰角度的检测中只能实现单边角的检测，例如东西南北四个方向，它只能单方面的检测到东西方位角或者南北方位角的角度变化，这是本课题的缺点之一。在后续研究中可进一步改进设计，采用多自由度陀螺仪解决上述问题。