数控焊接变位机的控制系统

1、一种数控焊接变位机的控制系统，包括一个工业控制计算机(14)，一个交 流伺服变频器(5)，一个驱动倾斜轴的交流伺服电机(6)、一个驱动旋转轴的 交流伺服电机(7)，其特征是：其控制系统是由工业控制计算机(14)、运动控 制卡(2)、输入输出控制卡(12)、接口适配器(11)、继电器输出卡(10)、示 教盒(1)、操纵杆(13)、交流伺服变频器(5)、光电编码器(3)、(4)、交流 伺服电机(6，7)、抱闸电源(8)和控制接口(9)组成，其中运动控制卡(2) 接收工业控制计算机(14)发送来的粗插补信息，再由运动控制卡(2)进行 DDA插补后输出控制信号，通过交流伺服变频器(5)控制交流伺服电机(6， 7)；
操纵杆是由四个主令开关组成，输出输入控制卡(12)接收操作杆发来的 主令开关的状态信息；
工业控制计算机(14)上的键盘定义示教功能对应按键为：
选择变位机旋转轴为当前运动轴的“1”键，
选择变位机倾斜轴为当前运动轴的“2”键，
当前运动轴顺时针旋转的“←”键，
当前运动轴逆时针旋转的“→”键，
加快示教运动速度的“↑”键，
降低示教运动速度的“↓”键，
存储当前示教点位置坐标的“S”键，
从当前位置返回上一个已记录的示教位置的“L”键，
从当前位置运动到下一个已记录的示教位置的“N”键，
删除当前位置号已记录的焊接位置示教点的“D”键，
在当前位置的示教点前增加一个示教点的“I”键，
退出示教程序，返回主菜单的“Q”键；
在示教状态时，工业控制计算机(14)分别接收并存储示教位置信息、可 以由示教盒(1)，操作杆(13)和键盘实现三种方式的示教操作，由工控机(14) 记录示教的位置信息；在再现状态时，由专门设计的指令系统编制变位程序来 定义变位顺序，工业控制计算机(14)调出示教位置速度信息，按数字微分分 析插补周期计算插补点的位置坐标，送入运动控制卡(2)中的交流伺服电机的 控制芯片，使变位机按程序规定的运动顺序和速度进行焊接变位的再现过程；
示教盒(1)包括单片机(1-2)，液晶显示模块(1-3)、键盘模块 (1-4)、通信模块(1-1)，键盘按下时，该键对应的特征信息送入键特 征值存储区，由通信模块(1-1)将该信息经工业控制计算机(14)上的通 信接口(14-1)送入工业控制计算机(14)，同时接收工业控制计算机(14) 发来的位置信息，由工业控制计算机(14)将位置信息通过通信接口(14-1) 发送给示教盒(1)中的单片机(1-2)中，单片机(1-2)将位置信息 数制转换后送入显示缓存区，由液晶显示模块(1-3)显示位置信息。
2、根据权利要求1所述数控焊接变位机的控制系统，其特征是操纵杆示教方式， 主要由操纵杆带动4个主令开关实现。
3、根据权利要求1所述的数控焊接变位机控制系统，其特征是示教盒示教方式 由示教盒完成。
4、根据权利要求1所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是位置信息记忆 方法是由工控机在每个数字微分分析中断中累加输出的控制脉冲数得到的。
5、根据权利要求1所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是运动再现过程 由专门编制的指令系统完成，指令系统包括轨迹描述指令、I/O控制指令和程序 控制指令。

技术领域
本发明是一种自动化焊接辅助设备，该设备主要用于配合机器人或自动焊设 备实现优质高效自动焊过程。
技术背景
焊接变位机为两轴结构，包括一个工业控制计算机，旋转轴和倾斜轴，一 个交流伺服变频器，一个驱动倾斜轴的交流伺服电机、一个驱动旋转轴的交流 伺服电机。
发明内容
本发明是一种数控焊接变位机的控制系统，包括一个工业控制计算机，一 个交流伺服变频器，分别驱动倾斜轴和旋转轴的两个交流伺服电机、本发明的 控制系统是由一个工业控制计算机、运动控制卡、输入输出控制卡、接口适配 器、继电器输出卡、示教装置、操纵杆、交流伺服变频器、两个光电编码器、 两个交流伺服电机、抱闸电源和控制接口组成，其中运动控制卡接收工业控制 计算机发送来的插补信息，再由运动控制卡进行DDA差补后输出控制信号，通 过交流伺服变频器控制两个交流伺服电机。
操作杆是由四个主令开关组成，输出输入控制卡接收操作杆发来的主令开 关的状态信息；
工业控制计算机上的键盘定义示教功能对应按键为：
选择变位机旋转轴为当前运动轴的“1”键，
选择变位机倾斜轴为当前运动轴的“2”键，
当前运动轴顺时针旋转的“←”键，
当前运动轴逆时针旋转的“→”键，
加快不教运动速度的“↑”键，
降低示教运动速度的“↓”键，
存储当前示教点位置坐标的“S”键，
从当前位置返回上一个已记录的示教位置的“L”键，
从当前位置运动到下一个已记录的示教位置的“N”键，
删除当前位置号已记录的焊接位置示教点的“D”键，
在当前位置的示教点前增加一个示教点的“I”键，
退出示教程序，返回主菜单的“Q”键；
在示教状态时，工业控制计算机分别接收并存储示教位置信息、可以由示 教盒，操作杆和键盘实现三种方式的示教操作，由工控机记录示教的位置信息。 在再现状态时，由专门设计的指令系统编制变位程序来定义变位顺序，工业控 制计算机调出示教位置速度信息，按数字微分分析插补周期计算插补点的位置 坐标，送入运动控制卡中的交流伺服电机的控制芯片，使变位机按程序规定的 运动顺序和速度进行焊接变位的再现过程。
示教装置包括单片机，液晶显示模块、键盘模块、通信模块，键盘按下时， 该键对应的特征信息送入键特征值存储区，由通信模块将该信息经工业控制计 算机上的通信接口送入工业控制计算机，同时接收工业控制计算机发来的位置 信息，由工业控制计算机将位置信息通过通信接口发送给示教盒中的单片机中， 单片机将位置信息数制转换后送入显示缓存区，由液晶显示模块显示位置信息。
根据以上所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是操纵杆示教方式主 要由操纵杆带动4个主令开关实现。
根据以上所述的数控焊接变位机控制系统，其特征是示教盒示教方式主要 由示教盒完成。
根据以上所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是位置信息记忆方法 是由工控机在每个数字微分分析中断中累加输出的控制脉冲数得到的。 根据以上所述的数控焊接变位机的控制系统，其特征是运动再现过程由专门编 制的指令系统完成，指令系统包括轨迹描述指令、I/O控制指令和程序控制指令。
附图说明
图1是本发明的系统框图，图2是操纵杆主令开关电路图，图3示教装置 的结构框图，图4示教盒工作的程序流程图，图5是示教和编程再现程序流程 图。工控机为工业控制计算机的简称。
具体实现方式
如图1所示，数控焊接变位机的控制系统为两轴结构，包括一个工业控制 计算机14，旋转轴和倾斜轴(图中未示出)，一个交流伺服变频器5，一 个驱动倾斜轴的交流伺服电机6、一个驱动旋转轴的交流伺服电机7，本 发明的控制系统是由一个工业控制计算机14、运动控制卡2、输入输出控 制卡12、接口适配器14、继电器输出卡10、示教装置(1)、操纵杆(13)、 交流伺服变频器5、两个光电编码器3、4、两个交流伺服电机(6、7)、 抱闸电源8和控制接口9组成，其中运动控制卡2接收工业控制计算 机14发送来的粗插补信息，再由运动控制卡2进行DDA插补后输出控 制信号。
如图2所示，操纵杆13是由四个主令开关组成，输出输入控制卡12 接收操纵杆13发来的主令开关的状态信息。
工业控制计算机14上的键盘定义示教功能对应按键为：
选择变位机旋转轴为当前运动轴的“1”键，
选择变位机倾斜轴为当前运动轴的“2”键，
当前运动轴顺时针旋转的“←”键，
当前运动轴逆时针旋转的“→”键，
加快示教运动速度的“↑”键，
降低示教运动速度的“↓”键，
存储当前示教点位置坐标的“S”键，
从当前位置返回上一个已记录的示教位置的“L”键，
从当前位置运动到下一个已记录的示教位置的“N”键，
删除当前位置号已记录的焊接位置示教点的“D”键，
在当前位置的示教点前增加一个示教点的“I”键，
退出示教程序，返回主菜单的“Q”键；
如图3所示，示教装置 1包括单片机 1-2，液晶显示模块1 - 3、键盘模块 1-4、通信模块 1-1，键盘按下时，该键对应的 特征信息送入键特征值存储区，由通信模块1-1将该信息经工业控制计 算机 14上的通信接 14-1送入工业控制计算机 14，同时接收工 业控制计算机 14发来的位置信息，由工业控制计算机 14将位置信息通 过通信接口 14-1发送给示教盒 1中的单片机1-2中，单片 机 1-2将位置信息数制转换后送入显示缓存区，由液晶显示模块1- 3显示位置信息。
如图4所示，数控焊接变位机的控制系统在示教状态时，接收示教系统送 来的各示教点的位置信息，并存入工业控制计算机 14的内存中，完成整个 示教过程后将各示教点的位置信息存入工业控制计算机 14硬盘中。数控焊 接变位机在再现状态时，系统先从硬盘中将各示教点信息调入内存，再从内存 中逐点取出其位置坐标值，按数字微分分析(DDA)插补周期，对它进行直线 插补，计算出各插补点的位置坐标，生成运动轨迹。然后逐点把各插补点的位 置坐标分送给运动控制卡2的各轴DSP控制芯片。DSP控制芯片的任务是 进行交流伺服电机6、7的闭环控制，它接收了系统送来的各轴下一步期 望到达的位置后，又在DDA控制周期内做进一步的脉冲均匀细分，以求运动轨 迹更为平滑。然后将各轴的下一细步期望值还点送给交流伺服电机6、7， 同时检测光电编码盘3、4的反馈信号，直到其准确到位。
交流伺服电机6、7的运动是由每个DDA循环中的控制脉冲数决定的， 而控制脉冲数是由控制软件在每个DDA循环开始前写入控制脉冲寄存器中的。 只要将各轴所有DDA控制过程中所发出的脉冲数累加以后的总脉冲数减去最后 运动停止时各轴误差计数器中的值，就得到了各轴从上一点运动到当前点所产 生的脉冲总数。如果两示教点之间共有同个DDA控制循环，则可接式1计算两 示教点之间的两轴脉冲数差，如果开始点的坐标以绝对零点为参照系则可以确 定各示教点的坐标。
counti倾斜＝∑DDA倾斜_pulsej-err_count倾斜
counti旋转＝∑DDA旋转_pulsej-err_count旋转
式中：
counti倾斜、counti旋转分别为倾斜轴和旋转轴从第i-1个示教点到第i个示教 点之间的各轴脉冲数差，也就是第i-1个示教点到第i个示教点之间的坐标差。
DDA倾斜_pulsej、DDA旋转_pulsej分别为倾斜轴和旋转轴在第j个DDA控制 循环中所发出的脉冲数。
err_count倾斜、err_count旋转分别为倾斜轴和旋转轴在运动结束后，各个轴 的误差计数器中的值。
数控焊接变位机控制系统中设计采用了三种不同形式的示教手段：键盘示 教、操纵杆示教和示教装置示教。
键盘示教是在工业控制计算机(14)的键盘上定义一些功能键，分别代表 各个示教功能，由主控程序扫描键盘，当发现有键按下时，通过键盘扫描码获 得键值，调用相应的程序完成该键所定义的功能；
操纵杆作为辅助的示教工具，操纵杆安装在控制柜上。操纵杆实际上是组 合在一起的四个主令开关，操纵杆向不同的方向换档就会带动不同的开关开合， 将这四个开关的状态送人输入输出控制卡，由程序判断操纵杆特征值。
示教盒示教是数控焊接变位机的控制系统示教的主要方式。它是专门设计 的以单片机为核心的下位机，示教功能完备。如图3、图4所示，示教盒工作时， 程序不断地扫描示教盒的功能键和数字键，如果有键按下，产生中断过程，在 键盘中断处理程序中将该键对应的特征值送入按键特征值存储变量中。在主循 环中将显示特征值存储器中的内客送入液晶显示模块。程序中设计了定时中断， 在定时中断处理程序中执行串口通讯过程，在该过程中将按键特征值存储变量 中将内容发送给工业控制计算机14，同时接收工业控制计算机14发来的 位置和速度信息，将位置和速度信息存储在显示特征值存储器中。工业控制计 算机14根接收的特征值控制数控焊接变位机实现要求的运动过程，并将位 置速度信息通过串口实时发送给示教盒。
实现运动再现过程需要有运动控制指令系统的支持。该数控焊接变位机的 控制系统的运动控制指令其编程指令主要分为三类：程序控制指令，轨迹描述 指令和I/O控命指令。程序控制指令的主要任务是定义数控焊接变位机运动程 序的开始与结束；轨迹托述指令用于定义数控焊接变位机的运动轨迹、焊接顺 序及定义焊接速度；I/O控制指个主要对I/O口的操作，并控制数控焊接变位 机与机器人或自动焊设备的通讯。
要实现操作者编程控制数控焊接变位机的运动，主要完成两个过程——示 教和编程再现。示教主要完成各位置点的位置示教功能，并把各点的位置坐标 记录到文件中去。编程主要实现对数控焊接变位机各位置示教点运动描述，通 过I/O控制实现与机器人的运动协调工作。示教实际上是对数控焊接变位机运 动坐标的描述，而运动控制程序是对数控焊接变位机运动过程的描述，二者缺 一不可。
数控焊接变位机运动控制程序解释器将位置示教点的信息文件和运动控制 程序的信息文件链接后，形成运动参数，转变成计算机内部指令执行后实现数 控焊接变位机的编程运动。其过程如图5所示。