門洪利　劉華　韓俊德

摘 要：文章主要是對由三個步進電機構(gòu)成的激光焊槍空間位置控制的研究，通過協(xié)調(diào)三個步進電機的速度和角度，使焊槍實現(xiàn)在三維空間中能沿焊接軌跡動作。首先要將軌跡分割近似，確定軌跡在空間中三個坐標分量。計算出角度變化較大的步進電機，以此電機的工作頻率為基準獲得另外兩個電機的工作參數(shù)，保證步進電機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

中圖分類號：TM383 文獻標志碼：A 文章編號：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)先進性。盡管現(xiàn)代高效刀具的價格大大高于傳統(tǒng)標準刀具，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)勞動生產(chǎn)率得到提高且成本有所降低，獲得了更大的經(jīng)濟效益[1-3]。

目前農(nóng)用器具使用過程中主要面臨的問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，則需要大量的時間去完成，大大降低了農(nóng)用機械的工作效率，而本次設(shè)計目的是解決焊槍的位置控制問題，為以后用機械來代替人工進行農(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，進而提高農(nóng)用機械的工作效率和使用壽命[4]。

2 步進電機三軸聯(lián)動控制

如圖1，為旋耕刀刀片，為了能夠?qū)崿F(xiàn)該類型刀片的夾持與激光焊槍的控制，系統(tǒng)采用步進電機三軸聯(lián)動控制方案，如何實現(xiàn)對電機的聯(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系統(tǒng)的重點。激光焊槍的夾持模型如圖2，模型主要由三個步進電機構(gòu)成，分別是X電機、Y電機和Z電機。Y步進電機與Z步進電機之間的距離為L，長度為L的桿轉(zhuǎn)動由Y步進電機控制，長度為d的桿，模擬的是焊槍安放的位置，其轉(zhuǎn)動由Z步進電機控制，Y步進電機在X步進電機的正上方并緊靠X步進電機。下面介紹的電機計算方法是以X步進電機為原點建立空間坐標系，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，將曲線進行分割成各個小段，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A運動到終點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算法來控制電機的動作，進而使焊槍的運動軌跡接近直線，但是直線插補算法只適合軌跡弧度不是很大的情況下，而本此設(shè)計的要求包括軌跡轉(zhuǎn)角為90°的情況，所以只利用直線插補是不能滿足設(shè)計要求的，直線插補是通過每一步進行比較來接近直線的，如果電機也是分步動作的，在軌跡上會出現(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)動算法的基礎(chǔ)上[11]，設(shè)計了一種X、Y、Z三步進電機聯(lián)動控制方法。

首先在空間里建立三維坐標系，使焊槍運動軌跡分布在第一象限，在坐標系內(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。當焊槍進行每一小段移動時，以移動角位移較大的步進電機的脈沖頻率為基準頻率，進而得到其它電機的脈沖發(fā)射頻率，從而控制各步進電機同時啟動同時停止。具體每個步進電機運動參數(shù)的計算方法以焊槍進行直線AB運動為例進行說明。

當X步進電機動作時，其動作范圍如圖4所示：

N是步進電機接收的脈沖個數(shù)，K取決于步進電機的類型，和細分驅(qū)動的細分數(shù)。由式1-12可以算出X、Y和Z步進電機所需的脈沖個數(shù)為Nx、Ny、Nz。假如X電機的角度變化較大，則Y和Z步進電機的接受脈沖頻率為fy和fz。

根據(jù)上述計算出的X、Y、Z步進電機的脈沖數(shù)和脈沖頻率可以對步進電機進行精確控制，這是每一小段的電機控制，控制數(shù)據(jù)可以直接放到存儲器中，用時直接調(diào)用即可。

圖7表示的是電機聯(lián)合動作時的流程圖，可以依次進行計算每段電機的動作參數(shù)。

3 結(jié)束語

本文主要解決的問題是步進電機的選型，步進電機的聯(lián)合控制以保證焊槍能夠跟蹤焊接軌跡和電機聯(lián)合動作時的速度控制等。因本文中使用混合式步進電機作為執(zhí)行機構(gòu)，所以其成本方面較低且控制方法也較為簡單。其中較為創(chuàng)新的地方是步進電機的聯(lián)合控制方法。本文設(shè)計的執(zhí)行機構(gòu)能達到的精度，取決于步進電機的選型，機械結(jié)構(gòu)等。焊槍能否實現(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)還原到空間坐標中去，以便根據(jù)軌跡坐標計算步進電機的變化參數(shù)。

參考文獻：

[1]劉亞靜，李鐵才.電機數(shù)字控制器發(fā)展現(xiàn)狀[J].伺服控制，2011（08）：25-28+32.

[2]J.Denavit， R.S.Hartenberg. A kinematic notation for lower-pair mechanisms based on matrices[J]. ASMF Journal of Applied Mechanics，1995（5）：215-221.

[3]劉寶志.步進電機的精確控制方法研究[D].山東大學(xué)，2010.

[4]花同.步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011，19（15）：13-15.

[5]李磊.基于單片機的步進電機升降速控制研究[J].微電機，2011，44（11）：84-86.

[6]胡赤兵，閆琳，滕舟波.基于鎖相技術(shù)的步進電機速度控制[J].制造業(yè)自動化，2008（03）：67-69.

[7]李智強，周杰，任勝杰.基于單片機的步進電機細分驅(qū)動控制系統(tǒng)[J].機電工程，2007（07）：67-69.

[8]席港港，趙慶志，王軍等.傳統(tǒng)逐點比較法直線插補方法的改進[J].山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，26（01）：67-69.

[9]張立強，談世哲.基于指數(shù)型曲線的步進電動機升降速控制方法[J].工礦自動化，2010，36（03）：85-88.

[10]高琴，劉淑聰，彭宏偉.步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2012，34（01）：150-152.

[11]曹文昌.基于STM32的三維打印機控制系統(tǒng)研究[D].西南石油大學(xué)，2017.