農(nóng)用刀具激光焊槍空間位置電機(jī)控制

門(mén)洪利　劉華　韓俊德

摘 要：文章主要是對(duì)由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的激光焊槍空間位置控制的研究，通過(guò)協(xié)調(diào)三個(gè)步進(jìn)電機(jī)的速度和角度，使焊槍實(shí)現(xiàn)在三維空間中能沿焊接軌跡動(dòng)作。首先要將軌跡分割近似，確定軌跡在空間中三個(gè)坐標(biāo)分量。計(jì)算出角度變化較大的步進(jìn)電機(jī)，以此電機(jī)的工作頻率為基準(zhǔn)獲得另外兩個(gè)電機(jī)的工作參數(shù)，保證步進(jìn)電機(jī)的同啟同停且焊槍的軌跡盡量接近理想軌跡。

關(guān)鍵詞：刀具；空間位置；控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TM383 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）04-0020-03

Abstract： This paper mainly studies the spatial position control of the laser welding torch which is composed of three stepping motors. By coordinating the speed and angle of the three stepping motors， the welding torch can move along the welding trajectory in three-dimensional space. First， the trajectory is segmented and approximated to determine the three coordinate components of the trajectory in space. Then， the stepper motor with large angle change is calculated， and the working parameters of the other two motors are obtained based on the working frequency of the motor， which ensures that the synchronous start and stop of the stepper motor and the trajectory of the welding torch are as close as possible to the ideal trajectory.

Keywords： cutter； space position； control

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)發(fā)展，激光加工技術(shù)已被逐漸應(yīng)用到各行各業(yè)中，并顯示出巨大的技術(shù)先進(jìn)性。盡管現(xiàn)代高效刀具的價(jià)格大大高于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)刀具，但由于其優(yōu)良的性能，使加工質(zhì)量和效率得到大幅度提高，從而使制造業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率得到提高且成本有所降低，獲得了更大的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。

目前農(nóng)用器具使用過(guò)程中主要面臨的問(wèn)題是刀片的磨損和斷裂，如果刀具的焊接工作由人工執(zhí)行，則需要大量的時(shí)間去完成，大大降低了農(nóng)用機(jī)械的工作效率，而本次設(shè)計(jì)目的是解決焊槍的位置控制問(wèn)題，為以后用機(jī)械來(lái)代替人工進(jìn)行農(nóng)用刀具焊接提供一種參考方法，提高焊接的質(zhì)量和速度，進(jìn)而提高農(nóng)用機(jī)械的工作效率和使用壽命[4]。

2 步進(jìn)電機(jī)三軸聯(lián)動(dòng)控制

如圖1，為旋耕刀刀片，為了能夠?qū)崿F(xiàn)該類(lèi)型刀片的夾持與激光焊槍的控制，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)三軸聯(lián)動(dòng)控制方案，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的聯(lián)合控制，使得激光焊槍在空間中能夠跟蹤焊接軌跡是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)。激光焊槍的夾持模型如圖2，模型主要由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，分別是X電機(jī)、Y電機(jī)和Z電機(jī)。Y步進(jìn)電機(jī)與Z步進(jìn)電機(jī)之間的距離為L(zhǎng)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的桿轉(zhuǎn)動(dòng)由Y步進(jìn)電機(jī)控制，長(zhǎng)度為d的桿，模擬的是焊槍安放的位置，其轉(zhuǎn)動(dòng)由Z步進(jìn)電機(jī)控制，Y步進(jìn)電機(jī)在X步進(jìn)電機(jī)的正上方并緊靠X步進(jìn)電機(jī)。下面介紹的電機(jī)計(jì)算方法是以X步進(jìn)電機(jī)為原點(diǎn)建立空間坐標(biāo)系，并使焊接軌跡保持在空間第一象限[5]。

假設(shè)工件的焊接路徑是在同一平面上的曲線，將曲線進(jìn)行分割成各個(gè)小段，這里的分割要使分割得到的每段曲線接近直線，如圖3所示。

假設(shè)焊槍從起點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)B，理想情況下焊槍的軌跡應(yīng)該是直線，我們可以利用直線插補(bǔ)算法來(lái)控制電機(jī)的動(dòng)作，進(jìn)而使焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡接近直線，但是直線插補(bǔ)算法只適合軌跡弧度不是很大的情況下，而本此設(shè)計(jì)的要求包括軌跡轉(zhuǎn)角為90°的情況，所以只利用直線插補(bǔ)是不能滿足設(shè)計(jì)要求的，直線插補(bǔ)是通過(guò)每一步進(jìn)行比較來(lái)接近直線的，如果電機(jī)也是分步動(dòng)作的，在軌跡上會(huì)出現(xiàn)明顯的參差效果。為了使焊槍軌跡盡可能的接近直線，在參考三維打印技術(shù)X、Y兩軸聯(lián)動(dòng)算法的基礎(chǔ)上[11]，設(shè)計(jì)了一種X、Y、Z三步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制方法。

首先在空間里建立三維坐標(biāo)系，使焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡分布在第一象限，在坐標(biāo)系內(nèi)將線段路徑分解為X軸方向分量、Y軸方向分量和Z軸方向分量。當(dāng)焊槍進(jìn)行每一小段移動(dòng)時(shí)，以移動(dòng)角位移較大的步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率為基準(zhǔn)頻率，進(jìn)而得到其它電機(jī)的脈沖發(fā)射頻率，從而控制各步進(jìn)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)同時(shí)停止。具體每個(gè)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算方法以焊槍進(jìn)行直線AB運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行說(shuō)明。

當(dāng)X步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作時(shí)，其動(dòng)作范圍如圖4所示：

N是步進(jìn)電機(jī)接收的脈沖個(gè)數(shù)，K取決于步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型，和細(xì)分驅(qū)動(dòng)的細(xì)分?jǐn)?shù)。由式1-12可以算出X、Y和Z步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖個(gè)數(shù)為Nx、Ny、Nz。假如X電機(jī)的角度變化較大，則Y和Z步進(jìn)電機(jī)的接受脈沖頻率為fy和fz。

根據(jù)上述計(jì)算出的X、Y、Z步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)和脈沖頻率可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確控制，這是每一小段的電機(jī)控制，控制數(shù)據(jù)可以直接放到存儲(chǔ)器中，用時(shí)直接調(diào)用即可。

圖7表示的是電機(jī)聯(lián)合動(dòng)作時(shí)的流程圖，可以依次進(jìn)行計(jì)算每段電機(jī)的動(dòng)作參數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要解決的問(wèn)題是步進(jìn)電機(jī)的選型，步進(jìn)電機(jī)的聯(lián)合控制以保證焊槍能夠跟蹤焊接軌跡和電機(jī)聯(lián)合動(dòng)作時(shí)的速度控制等。因本文中使用混合式步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以其成本方面較低且控制方法也較為簡(jiǎn)單。其中較為創(chuàng)新的地方是步進(jìn)電機(jī)的聯(lián)合控制方法。本文設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能達(dá)到的精度，取決于步進(jìn)電機(jī)的選型，機(jī)械結(jié)構(gòu)等。焊槍能否實(shí)現(xiàn)跟蹤焊接軌跡，很大程度取決于焊接軌跡的數(shù)據(jù)采集，并將軌跡數(shù)據(jù)還原到空間坐標(biāo)中去，以便根據(jù)軌跡坐標(biāo)計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的變化參數(shù)。

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