DSP在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用

任磊磊，何建萍，王付鑫

（上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620）

0 前言

焊接技術(shù)的發(fā)展融合了計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，使焊接設(shè)備向著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)外目前較高級(jí)的焊接設(shè)備均采用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。在眾多的嵌入式微處理器中，DSP以其特殊的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的信號(hào)處理能力和相對(duì)低廉的價(jià)格，在目前的焊接設(shè)備應(yīng)用中占有舉足輕重的地位。以DSP為核心構(gòu)成的數(shù)學(xué)信號(hào)處理系統(tǒng)與模擬信號(hào)處理系統(tǒng)相比優(yōu)勢(shì)明顯：具有可控性，可預(yù)見(jiàn)性，精度高，穩(wěn)定性好，可靠性和可重復(fù)性好，易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法、大規(guī)模集成等。在此從數(shù)字化焊接電源、人機(jī)交互系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)、焊縫跟蹤系統(tǒng)及焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等方面介紹DSP在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 DSP在數(shù)字化焊機(jī)中的應(yīng)用

現(xiàn)代電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地推動(dòng)了焊接設(shè)備控制技術(shù)和自動(dòng)化水平的提高，使焊機(jī)的發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階。數(shù)字化焊機(jī)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在超強(qiáng)的控制能力和快速的響應(yīng)能力，這兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)使其具備了更完美的控制焊接工藝的潛能[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中提出全數(shù)字化焊機(jī)的概念，全數(shù)字化焊機(jī)應(yīng)包含焊接電源數(shù)字化、送絲系統(tǒng)數(shù)字化和人機(jī)交互系統(tǒng)數(shù)字化。目前數(shù)字化控制的逆變焊機(jī)主要分為：以單片機(jī)作為控制器的較低級(jí)的數(shù)字化焊接，和以DSP+單片機(jī)或者雙DSP為核心組成的雙機(jī)控制系統(tǒng)的較高級(jí)的數(shù)字化焊機(jī)，或稱為全數(shù)字化焊機(jī)。

典型DSP+單片機(jī)雙機(jī)逆變焊機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。該雙機(jī)逆變焊機(jī)包括數(shù)字化的焊接電源，數(shù)字化的送絲系統(tǒng)和數(shù)字化的人機(jī)交互。

圖1 典型DSP和單片機(jī)雙機(jī)逆變焊機(jī)控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)由具有強(qiáng)大實(shí)時(shí)運(yùn)算能力的DSP和具有較強(qiáng)事件管理功能的單片機(jī)組成雙機(jī)系統(tǒng)，DSP負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，單片機(jī)進(jìn)行多任務(wù)管理，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的對(duì)復(fù)雜焊接系統(tǒng)控制的能力，能夠充分發(fā)揮DSP和單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)[2]。

1.1 DSP在數(shù)字化焊接電源中的應(yīng)用

焊接電源作為焊機(jī)最重要的部分，其性能直接決定焊接質(zhì)量?，F(xiàn)代數(shù)字化逆變焊接電源采用微處理器來(lái)控制整個(gè)焊機(jī)系統(tǒng)，對(duì)焊接的控制更全面，從而使焊接電源的操作更簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)試測(cè)試更方便，焊縫的質(zhì)量更好、更具重復(fù)性側(cè)[3-4]。DSP由于其適合處理數(shù)據(jù)量大，并且有較強(qiáng)的事件管理能力、豐富的I/O口等特點(diǎn)在弧焊電源的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被廣泛采用[5]。

DSP控制的數(shù)字化逆變焊接電源原理如圖2所示。主電路采用交流-直流-交流-直流形式，輸入為三相220 V交流電，經(jīng)整理濾波后作為逆變電路的輸入，由DSP本身自帶的事件管理器模塊發(fā)出周期可控的PWM波形，控制逆變器的通斷。變?yōu)楦哳l率的交流電，再經(jīng)變壓器變壓后經(jīng)整流濾波電路輸出直流電供負(fù)載使用。檢測(cè)裝置采集電源的輸出電流和電壓信號(hào)，輸入DSP進(jìn)行運(yùn)算，將控制信號(hào)PWM波形輸入驅(qū)動(dòng)電路，信號(hào)控制逆變器，完成整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖2 DSP控制的數(shù)字化逆變焊接電源

張純?cè)热瞬捎肈SP作為主控制器和PWM技術(shù)，采用電壓閉環(huán)和電流閉環(huán)負(fù)反饋，通過(guò)電壓和電流實(shí)現(xiàn)了波形控制[6]。姚瑤等人設(shè)計(jì)了一種DSP雙芯結(jié)構(gòu)的弧焊電源控制系統(tǒng)，并解決了兩個(gè)子系統(tǒng)之間的任務(wù)分配與協(xié)調(diào)[7]。曾敏等人設(shè)計(jì)出基于DSP為控制核心的高頻逆變電阻點(diǎn)焊電源。該電源逆變主電路采用有限雙極性的控制方式，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的調(diào)節(jié)。其設(shè)計(jì)的電源可實(shí)現(xiàn)不同電流電壓參數(shù)的輸出[8]。文獻(xiàn)[9-14]采用DSP對(duì)逆變焊接電源控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用PWM波對(duì)焊接電源參數(shù)進(jìn)行控制。

1.2 DSP在數(shù)字化送絲控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

熔化極氣體保護(hù)焊的送絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性直接影響著焊接質(zhì)量，提高送絲系統(tǒng)性能的主要方法是通過(guò)改進(jìn)送絲機(jī)的硬件性能和控制方法[15]。DSP構(gòu)成的數(shù)字化送絲系統(tǒng)，其數(shù)字化控制方式靈活性可靠、響應(yīng)快速，為復(fù)雜控制系統(tǒng)算法的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

在圖2所示的典型DSP和單片機(jī)雙機(jī)逆變焊機(jī)中，DSP與單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，通過(guò)異步串口進(jìn)行信息的交換，控制命令的輸出。楊帥[16]采用TI的TMS320F2812型號(hào)DSP作為送絲系統(tǒng)的主控制器，設(shè)計(jì)的送絲系統(tǒng)在控制送絲速度和數(shù)據(jù)通信方面具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，采用數(shù)字的模糊PID控制算法，取得良好效果，基于DSP的快速運(yùn)算能力，完成實(shí)時(shí)的控制目的。北京工業(yè)大學(xué)黃鵬飛[17]等人采用TMS320F2808作為控制核心，MOSFET作為功率驅(qū)動(dòng)，送絲電機(jī)采用負(fù)反饋閉環(huán)控制，數(shù)字化送絲系統(tǒng)控制策略為模糊PI調(diào)節(jié)控制技術(shù)。基于DSP實(shí)現(xiàn)的模糊PI控制的全數(shù)字化送絲系統(tǒng)，硬件電路簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了調(diào)試難度，配合軟件基本實(shí)現(xiàn)了送絲系統(tǒng)的全數(shù)字化。

在熔化極氣體保護(hù)焊焊接設(shè)備中，對(duì)電弧輸出參數(shù)的控制、與送絲速度之間的協(xié)調(diào)和人機(jī)之間的交互是一個(gè)統(tǒng)一的整體，其工作過(guò)程是一個(gè)多任務(wù)過(guò)程，需要正確的控制時(shí)序。目前國(guó)內(nèi)對(duì)數(shù)字化焊接電源的研究較多，對(duì)數(shù)字化的送絲系統(tǒng)研究較少，對(duì)于高級(jí)的數(shù)字化熔化極氣體保護(hù)焊焊接設(shè)備應(yīng)將數(shù)字化送絲系統(tǒng)與焊接電源協(xié)調(diào)統(tǒng)一，并反映在方便、友好的人機(jī)交互界面上。

1.3 DSP在焊接設(shè)備人機(jī)交互系統(tǒng)中的應(yīng)用

在數(shù)字化焊機(jī)中，人機(jī)交互系統(tǒng)應(yīng)該是焊機(jī)的外在表現(xiàn)，應(yīng)具有方便操作、易于輸入信息、發(fā)出控制指令和觀察信息的顯示裝置，應(yīng)具有靈活性、友好性、明確性、可靠性等特點(diǎn)。奧地利Fronius公司的全數(shù)字化焊機(jī)具有不同工藝、多種材質(zhì)、焊絲直徑可選的功能多樣的人機(jī)交互系統(tǒng)。美國(guó)Miller公司基于微處理器控制的Automatic-M型焊機(jī)可在一個(gè)焊機(jī)上進(jìn)行MIG、脈沖MIG和自適應(yīng)的脈沖MIG焊[18]。

北京工業(yè)大學(xué)[19]的盧振洋等人針對(duì)薄板鋁合金變極性電源，采用DSP+MCU的通訊方式設(shè)計(jì)了數(shù)字化的人機(jī)交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)設(shè)置、修改、保存、調(diào)用，能夠?qū)崟r(shí)顯示焊接參數(shù)，且具有良好的兼容性。上海工程技術(shù)大學(xué)的何建萍等人[18]采用DSP+MCU的雙機(jī)系統(tǒng)，采用菜單式鍵輸入和液晶顯示輸入/輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互系統(tǒng)。上述的DSP+MCU的雙機(jī)系統(tǒng)，將對(duì)速度要求不高的人機(jī)接口交給單片機(jī)管理，節(jié)省了DSP資源，使其充分發(fā)揮高速優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，而單片機(jī)完成鍵盤、顯示或者上位機(jī)通信。河海大學(xué)的姚河清[20]等人對(duì)全數(shù)字化多功能焊機(jī)人機(jī)交互界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，三片DSP分別負(fù)責(zé)人機(jī)交互、焊機(jī)電源和送絲系統(tǒng)的控制。實(shí)現(xiàn)了焊接系統(tǒng)參數(shù)的給定、存儲(chǔ)、調(diào)用和現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)顯示。

目前國(guó)外典型的高級(jí)數(shù)字化焊機(jī)大多采用DSP+單片機(jī)的雙機(jī)控制系統(tǒng)，各大公司也基于此雙機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出多種類型的焊機(jī)。在不改變硬件的情況下，只要通過(guò)接口便可對(duì)焊機(jī)進(jìn)行更新?lián)Q代，為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化以及診斷提供硬件支持。我國(guó)目前的數(shù)字化焊機(jī)還停留在初級(jí)水平，國(guó)內(nèi)數(shù)字化焊機(jī)的研究主要集中在北京工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)等幾所高校[2，4]，數(shù)字化焊機(jī)在多功能的專家數(shù)據(jù)庫(kù)、焊機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化以及產(chǎn)品的可靠性等方面有待進(jìn)一步發(fā)展。

2 DSP在焊縫跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用

焊縫自動(dòng)跟蹤在焊接工業(yè)中占有極其重要的地位，焊縫自動(dòng)跟蹤的精度和實(shí)時(shí)性對(duì)保證焊接質(zhì)量有著不可估量的作用[21]。焊縫跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一為控制器的選擇，要求設(shè)計(jì)功能強(qiáng)、成本低，且能合理有效的協(xié)調(diào)各自由度控制的原理與方法。DSP因其適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息處理，具有快速的計(jì)算能力與強(qiáng)大的控制功能將成為焊縫跟蹤控制器的主流[22]。

DSP控制的典型焊縫跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3所示。傳感器用于獲取工件焊縫的圖像，軟件對(duì)焊縫圖像進(jìn)行處理，得到焊縫偏差等信息。將偏差信息輸入DSP，由DSP根據(jù)偏差執(zhí)行相應(yīng)的控制策略，發(fā)出控制信號(hào)，控制焊槍位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)焊槍進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。

圖3 DSP控制的典型焊縫跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)

北京石油化工大學(xué)的曹建樹(shù)[23]等人設(shè)計(jì)了一種基于DSP的用于球罐全位置多層焊自動(dòng)跟蹤的控制系統(tǒng)。杜興吉[24]等人基于DSP采用Fuzzy-P雙?？刂茖?duì)不銹鋼焊管等離子弧焊的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了焊槍對(duì)焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤。曹麗婷[25]等人以DSP作為控制核心，采用模糊-比例雙?？刂?，產(chǎn)生控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)焊槍橫向和縱向步進(jìn)電機(jī)調(diào)整焊槍實(shí)時(shí)跟蹤焊縫。北京工業(yè)大學(xué)的徐夢(mèng)龍[26]等人基于DSP研究了焊縫跟蹤的控制系統(tǒng)的組成和算法，其功能完善，工作穩(wěn)定可靠，跟蹤精度高。

工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本、德國(guó)的焊接自動(dòng)化、機(jī)械化程度已達(dá)60%～70%，而我國(guó)僅為20%～30%。因此，發(fā)展和應(yīng)用新型焊接自動(dòng)化技術(shù)對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)將起到巨大的作用。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)跟蹤是自動(dòng)化焊接和智能化焊接的重要內(nèi)容[22，24，27]。目前，在焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究中，大部分系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行焊縫跟蹤中偏差信息的處理。但是，DSP可將更先進(jìn)的算法應(yīng)用到已存在的數(shù)字電動(dòng)機(jī)控制中，DSP實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力比單片機(jī)強(qiáng)大，因此，DSP在焊縫跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用將成為主流。

3 DSP在焊接多軸機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器中的應(yīng)用

焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人，是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)，具有三個(gè)或更多可編程的軸[28-29]。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人控制系統(tǒng)的重要組成部分，運(yùn)動(dòng)控制器作為PC機(jī)與伺服電機(jī)的橋梁，是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心[30]。對(duì)于數(shù)控的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，最重要是控制各個(gè)軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

目前運(yùn)動(dòng)控制器主要有：（1）基于單片機(jī)或微處理器型；（2）基于專用的集成電路型；（3）基于數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)處理器（DSP）型；（4）基于可編程邏輯器件型。對(duì)于DSP型的運(yùn)動(dòng)控制器，由于DSP高速數(shù)據(jù)處理能力保證了復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)，因此這類控制器可保證多軸運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制、復(fù)雜軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)插補(bǔ)運(yùn)算，能夠完成閉環(huán)控制。DSP主要接受上位機(jī)的指令或者從非易失性存儲(chǔ)器中讀取指令。

文獻(xiàn)[31]在具有六個(gè)自由度的焊接機(jī)器人上研究多軸運(yùn)動(dòng)控制器平臺(tái)，采用PC+DSP控制器的方案，用具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的DSP對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，輔以CPLD作為DSP的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)邏輯控制和I/O擴(kuò)展任務(wù)。文獻(xiàn)[32]針對(duì)管道插接焊接自動(dòng)化應(yīng)用方面所存在的問(wèn)題，采用PC+DSP的開(kāi)放式控制模式，進(jìn)行了開(kāi)放式管道插接專用焊接機(jī)器人系統(tǒng)及控制方法研究。建立了基于PC+DSP控制模式下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和焊接工藝參數(shù)控制的集成控制的硬件平臺(tái)。文獻(xiàn)[33]采用DSP與FPGA相結(jié)合的技術(shù)設(shè)計(jì)了三軸運(yùn)動(dòng)控制卡，應(yīng)用于數(shù)控焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，DSP芯片具有大容量數(shù)據(jù)處理能力，F(xiàn)PGA具有可編程性、高集成度的特點(diǎn)，使得控制系統(tǒng)更具模塊化且更加開(kāi)放化，增加了機(jī)器人工作的靈敏度與柔性，其硬件系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 基于DSP+FPGA的三軸運(yùn)動(dòng)控制器硬件模塊

焊接機(jī)器人具有能夠提高勞動(dòng)效率、改善勞動(dòng)者環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、焊接質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)機(jī)器人安裝量每年不斷遞增。對(duì)于焊接機(jī)器人的研究，運(yùn)動(dòng)控制器是其核心，因其具有多個(gè)自由度，控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理量大，且要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因此，DSP很適合作為運(yùn)動(dòng)控制器的控制核心。但是其缺點(diǎn)是DSP在結(jié)構(gòu)上是串行的，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理速度受限制，如果采用多個(gè)DSP則會(huì)增加成本，且需要另加部件，功耗大。

4 結(jié)論

DSP因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適合實(shí)時(shí)信號(hào)的處理，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。因此，DSP應(yīng)用于焊接設(shè)備中可以有效地解決焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)控制問(wèn)題，特別是為現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的智能算法，如專家系統(tǒng)、模糊控制等需要大量實(shí)時(shí)運(yùn)算的場(chǎng)合提供硬件支持。

目前采用DSP與單片機(jī)或雙DSP組成的雙機(jī)系統(tǒng)對(duì)焊機(jī)進(jìn)行數(shù)字化是研究熱點(diǎn)，可以充分發(fā)揮DSP的數(shù)據(jù)處理能力和單片機(jī)的任務(wù)管理能力，對(duì)復(fù)雜的焊接過(guò)程進(jìn)行控制，可達(dá)到滿意的效果。除此之外，隨著焊接設(shè)備向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化方向發(fā)展，具有DSP的雙機(jī)系統(tǒng)為這種趨勢(shì)提供了硬件上的支持。目前國(guó)內(nèi)焊接設(shè)備數(shù)字化的水平不高，有的只是外表數(shù)字化，內(nèi)部并沒(méi)有真正數(shù)字化，部分還處于實(shí)驗(yàn)階段，市場(chǎng)上的高端數(shù)字化焊機(jī)大多依賴進(jìn)口。對(duì)于DSP在焊接自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用，如焊縫跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為主流，在焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器中應(yīng)用中，主要完成數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)控制算法的計(jì)算等功能，由于其片上資源的限制，通常需要通過(guò)其他芯片擴(kuò)展其功能。隨著DSP功能越來(lái)越強(qiáng)大，新產(chǎn)品的不斷推出，DSP在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

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