2．係統配置：
基於多軸運動控製卡的伺服控製係統硬件組成如圖1所示：


係統包括：
1）PC總線工控機。選用基於ＰＣ總線的工控機IPC-610，該機擁有標準16位數據總線及組態靈活的板塊化係統結構，可根據需要配置板卡。
2）三軸交流伺服運動控製卡。三軸交流伺服運動控製卡PCL-832集成了碼盤計數器和12位的Ｄ/Ａ輸出
，使用數字微分分析技術DDA(Digital Differential Analysis)，實現了高精度位置控製。特殊設計的同步信號保證三軸的同步控製
，可以完成三軸線性插補或兩軸圓弧插補計算，1ms伺服控製更新，12位模擬量輸出，滿刻度為±10Ｖ。能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)精(jing)確(que)位(wei)置(zhi)控(kong)製(zhi)，而(er)且(qie)每(mei)軸(zhou)都(dou)有(you)其(qi)獨(du)立(li)的(de)位(wei)置(zhi)控(kong)製(zhi)芯(xin)片(pian)
，可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)三(san)台(tai)交(jiao)流(liu)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)的(de)完(wan)全(quan)獨(du)立(li)控(kong)製(zhi)。本(ben)文(wen)的(de)數(shu)控(kong)焊(han)接(jie)變(bian)位(wei)機(ji)係(xi)統(tong)僅(jin)使(shi)用(yong)了(le)其(qi)中(zhong)的(de)兩(liang)個(ge)通(tong)道(dao)。
3）開關量輸入/輸出板。開關量輸入/輸出板包括PCL-724和PCLD-885。本係統選用的PCL- 724是數字I/O卡

，24通道，實現內置PLC功能。通過它與機器人通訊，驅動PCLD-885繼電器輸出板實現繼電輸出功能，主要用於與外部焊接控製器、傳感器的通訊
、控製器麵板指示燈開滅以及錯誤報警等。
4）伺服驅動裝置、位置檢測裝置、執行機構和氣缸定位裝置。

3．控製係統設計
3.1 位置控製過程
1）數字微分分析(DDA)
DDA插補控製過程是PCL-832卡工作的核心，見圖2。為了協調控製多軸伺服係統，各軸同時從t1時刻開始發送位置控製給定信號
，同時在t2時刻結束給定信號的發送。t1與t2之間的時間區間定義為一個DDA循環。循環時間由軟件設定。


DDA循環中的每一個脈衝代表伺服電機轉動ｎ度，即代表一個位置給定。可以在軟件中動態地設定每個DDA循環中的脈衝數，每個DDA循環中的脈衝總數就反映了在該循環中位置改變的總量。對交流變頻器連續的脈衝輸出，在宏觀上表現為平穩的位置改變。將脈衝發往ＣＭＤ+或ＣＭＤ-通道決定了電機的轉向，以上的所有工作均由卡上內置的運動ＤＳＰ芯片完成，僅需在一個DDA循環開始前將位置信息寫入運動控製芯片的緩衝區而已。
DDA循環時間代表了控製脈衝序列的開始與結束時間段

，為了保證多軸的協調控製，所有的軸使用了同一個DDA循環時間。軟件設定DDA循環時間可由以下公式(1)計算：
DDA循環時間=0.512ms×寄存器中預設置

(1)寄存器中的預設置可以通過向DDA寄存器的地址中寫入值的方法實現
，由於DDA寄存器是12位寄存器，因此寫入的最大值為4095，而最小值規定為2。根據式(1)
，可知DDA循環時間的設置範圍為1～2000ｍｓ。DDA循環時間越短，則控製軟件的實時性越好，但如果DDA循環時間取得太小，其ＣＰＵ占用率太高，則其它實時控製模塊無法正常運行，故各實時任務的執行頻率應依據其優先級和最壞情況下的運行時間來選取。
2）位置閉環控製過程 PCL-832卡使用比例閉環控製獲得可靠的控製效果。卡中內建了速度反饋環和偏移量機製來消除在輸入很小時而產生的靜態誤差。圖3為PCL- 832運動控製卡的功能模塊示意圖。


DDA發生器通過ＣＭＤ+和ＣＭＤ-tongdaochanshenglianxudegeidingmaichong。cikongzhimaichongyubianmapanchanshengdefankuimaichongzaibijiaoqizhongjinxingbijiao
，qijieguosongrubilikongzhiqihou，youbilikongzhiqishuchukongzhimaichong
，kongzhimaichongsongruwuchajishuqi，wuchajishuqishishiqudongＤ/Ａ轉換單元
，完成閉環位置控製。當DDA循環發生器被軟件激活後，在下一個DDA循環開始的上升沿
，PCL-832將產生一個中斷
，在中斷程序中，將DDA脈衝緩衝區中的預設值ｎ送入DDA發生器。數目為ｎ個脈衝的脈衝序列將在下一個DDA循環中產生。在控製軟件中
，必須在當前DDA循環完成前
，將預設值送入DDA脈衝緩衝區
，否則在下一個DDA循環中將沒有脈衝輸出。
DDA發(fa)生(sheng)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)脈(mai)衝(chong)與(yu)反(fan)饋(kui)的(de)碼(ma)盤(pan)脈(mai)衝(chong)經(jing)比(bi)較(jiao)器(qi)比(bi)較(jiao)後(hou)送(song)入(ru)誤(wu)差(cha)計(ji)數(shu)器(qi)。根(gen)據(ju)轉(zhuan)動(dong)方(fang)向(xiang)的(de)不(bu)同(tong)，誤(wu)差(cha)計(ji)數(shu)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)上(shang)升(sheng)或(huo)下(xia)降(jiang)，由(you)於(yu)誤(wu)差(cha)計(ji)數(shu)器(qi)直(zhi)接(jie)驅(qu)動(dong)Ｄ/Ａ輸出，因此Ｄ/Ａdeshuchusuiwuchajishuqideshuchubianhuaerbianhua，shibianpinqiqudongdianjizuochuxiangyingdexiangying。dangzhenggekongzhiguochengwanchenghou，wuchajishuqidezhiyinggaiweiling。zaifeizhengchangqingkuangxia
，birumapandianyuandiaodian，zheshifankuixinhaodiushi，namewuchajishuqizhongdezhijianghuichixushangsheng，dianjizhuansuhuiyuelaiyuekuai，zuizhongdaozhiweixiandefasheng。weilebimianzhezhongqingkuangdefasheng，wuchajishuqiguidingleqizuidashangxianzhiwei4095，如果誤差計數器中的實際值超過了該上限值，意味著係統工作異常
，PCL-832卡產生溢出信號並鎖定任何操作
，保證了係統的安全性。

3.2 運動速度的控製
shukonghanjiebianweijiyouliangzhongdaoweifangshi。diyizhongfangshiweidiandaodianfangshi
，zhezhongfangshiyongyugongjianweizhibianhuan，congweizhiyidaoweizhierzhishijingquedikongzhidingweijingdu
，erbuguancongweizhiyidaoweizhieranzhaoshenmeguijiyunxing
，anzhaoshenmesudubianhua。weiletigaoshengchanlv，yibanxianyijiaogaodesuduyunxing
，zaijiejinmubiaoweizhishi，jing1～3級減速，使之慢速趨近目標點，減小定位誤差。在此過程中

，對運行速度不做控製
，僅限定運行速度低於設計轉速即可。
第(di)二(er)種(zhong)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)為(wei)軌(gui)跡(ji)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)
，這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)用(yong)於(yu)焊(han)接(jie)狀(zhuang)態(tai)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)變(bian)位(wei)機(ji)的(de)運(yun)動(dong)用(yong)於(yu)將(jiang)工(gong)件(jian)上(shang)的(de)焊(han)縫(feng)變(bian)位(wei)到(dao)水(shui)平(ping)或(huo)船(chuan)型(xing)位(wei)置(zhi)，但(dan)在(zai)焊(han)接(jie)較(jiao)大(da)的(de)管(guan)-板或管-管(guan)焊(han)縫(feng)時(shi)需(xu)要(yao)多(duo)次(ci)變(bian)位(wei)方(fang)能(neng)焊(han)完(wan)一(yi)條(tiao)焊(han)縫(feng)，增(zeng)加(jia)了(le)接(jie)頭(tou)數(shu)量(liang)，影(ying)響(xiang)焊(han)縫(feng)質(zhi)量(liang)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)連(lian)續(xu)焊(han)接(jie)
，這(zhe)時(shi)可(ke)讓(rang)機(ji)器(qi)人(ren)焊(han)槍(qiang)不(bu)動(dong)而(er)讓(rang)變(bian)位(wei)機(ji)旋(xuan)轉(zhuan)實(shi)現(xian)連(lian)續(xu)焊(han)接(jie)，這(zhe)種(zhong)狀(zhuang)態(tai)下(xia)不(bu)僅(jin)要(yao)求(qiu)具(ju)有(you)準(zhun)確(que)的(de)定(ding)位(wei)功(gong)能(neng)，而(er)且(qie)要(yao)求(qiu)運(yun)行(xing)的(de)速(su)度(du)是(shi)可(ke)控(kong)的(de)
，對(dui)於(yu)不(bu)同(tong)的(de)工(gong)件(jian)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)焊(han)接(jie)規(gui)範(fan)。由(you)於(yu)自(zi)動(dong)焊(han)的(de)焊(han)接(jie)速(su)度(du)影(ying)響(xiang)焊(han)接(jie)熱(re)輸(shu)入(ru)和(he)焊(han)接(jie)熔(rong)深(shen)等(deng)指(zhi)標(biao)，因(yin)此(ci)運(yun)行(xing)速(su)度(du)的(de)均(jun)勻(yun)性(xing)對(dui)焊(han)縫(feng)質(zhi)量(liang)有(you)較(jiao)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)
，這(zhe)就(jiu)要(yao)求(qiu)對(dui)速(su)度(du)進(jin)行(xing)高(gao)精(jing)度(du)的(de)控(kong)製(zhi)。
在DDA循xun環huan中zhong，每mei次ci插cha補bu結jie束shu後hou，控kong製zhi裝zhuang置zhi向xiang每mei一yi個ge運yun動dong軸zhou輸shu出chu基ji準zhun脈mai衝chong序xu列lie，每mei個ge脈mai衝chong代dai表biao了le最zui小xiao位wei移yi，脈mai衝chong序xu列lie的de頻pin率lv代dai表biao了le軸zhou的de運yun動dong速su度du，而er脈mai衝chong的de數shu量liang表biao示shi移yi動dong量liang。
在DDA控製過程中
，影響運行速度主要有兩個因素。一是DDA循環間隔時間，即粗插補的時間周期;二是每一個DDA控製周期內所發出的控製脈衝數。根據控製精度要求
，已經將粗插補時間周期定為5ms，因此在係統中影響速度的因素主要為每個DDA控製周期內所發出的脈衝數
，每個DDA控製周期內所發出的脈衝數愈多，則運行速度愈快

，隻要控製每個DDA循環的脈衝數就可控製運行速度。雖然在每一個DDA控製周期內仍然是根據偏差變化的變速控製，但由於DDA粗插補時間周期非常短(ms級)，因此在運動的宏觀表現上是平滑的勻速運動。

4．控製係統運行結果

4.1 速度控製結果
圖4ａ和圖4ｂ分別為固定DDA循環時間5ms條件下，實驗得出的每個DDA循環中輸出脈衝數與傾斜軸和旋轉軸轉速之間的對應關係。由實驗結果可以看出
，在固定DDA循環時間內，每個DDA循環中輸出的DDA脈衝數與轉速是嚴格的線形關係。在變位機的額定速度範圍內，傾斜軸的速度控製相對誤差最大為0.309%。旋轉軸的速度控製相對誤差最大為1.827%，完全滿足焊接時對速度均勻性的要求。


4.2 位置控製結果
精(jing)確(que)的(de)位(wei)置(zhi)控(kong)製(zhi)對(dui)於(yu)焊(han)接(jie)機(ji)器(qi)人(ren)用(yong)數(shu)控(kong)焊(han)接(jie)變(bian)位(wei)機(ji)是(shi)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)的(de)。影(ying)響(xiang)位(wei)置(zhi)控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)的(de)主(zhu)要(yao)外(wai)部(bu)因(yin)素(su)有(you)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)和(he)運(yun)行(xing)速(su)度(du)等(deng)。為(wei)了(le)檢(jian)測(ce)數(shu)控(kong)焊(han)接(jie)變(bian)位(wei)機(ji)的(de)位(wei)置(zhi)控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)
，本(ben)文(wen)在(zai)不(bu)同(tong)條(tiao)件(jian)下(xia)對(dui)焊(han)接(jie)變(bian)位(wei)機(ji)的(de)到(dao)位(wei)精(jing)度(du)進(jin)行(xing)了(le)實(shi)測(ce)(注：實驗中用光電編碼盤的反饋信號作為到位精度的標準，配合錐銷插孔檢測。光電編碼盤為25000個脈衝/轉，係統中的4倍頻後可達到100000個脈衝/轉)。
1) 負載變化。進行了從空載到負載200kg的位控精度實驗。在實驗過程中
，讓變位機在各個工作角度示教5個點，然後讓其由第一點依次運動到第五點，這樣的實驗按不同負載共做了5組。結果表明，負載的變化對精度的影響較小，變位機的到位精度控製在±1個脈衝之間。
2)速度變化。粗插補時間周期定為5ms，傾斜和旋轉兩軸的每個DDA控製周期內所發出的脈衝數按照1，5，10，15和20個分為5gezu，celiangrenyilianggeshijiaoweizhidedaoweijingdu，shiyanjieguobiaoming，yunxingsududuiweizhijingduyouyidingyingxiang，suduyuekuaijingduyuecha，danzaibianweijishejisudufanweinei，daoweijingdukongzhizai±3個脈衝之間。
綜上所述，數控焊接變位機的位置控製精度總體可以做到小於或等於3個位置脈衝，由此可知其理論位置控製。
相對誤差為3/100000=0.0003%(變位機運行在360°以內)。　　
絕對誤差為3×3.14×1000/100000=0.0942(ｍｍ)(工作台邊緣
，工作台直徑為1000(ｍｍ)。
可見其定位精度在工作台邊沿處理論值可達到±0.1ｍｍ。由(you)於(yu)到(dao)位(wei)誤(wu)差(cha)通(tong)過(guo)檢(jian)測(ce)碼(ma)盤(pan)反(fan)饋(kui)而(er)得(de)到(dao)，而(er)碼(ma)盤(pan)反(fan)饋(kui)檢(jian)測(ce)不(bu)到(dao)由(you)於(yu)齒(chi)輪(lun)間(jian)隙(xi)所(suo)造(zao)成(cheng)的(de)誤(wu)差(cha)，因(yin)此(ci)這(zhe)部(bu)分(fen)誤(wu)差(cha)是(shi)檢(jian)測(ce)不(bu)到(dao)的(de)。為(wei)了(le)檢(jian)測(ce)係(xi)統(tong)的(de)實(shi)際(ji)到(dao)位(wei)誤(wu)差(cha)，進(jin)行(xing)了(le)錐(zhui)銷(xiao)插(cha)孔(kong)檢(jian)驗(yan)(錐銷和錐孔偏差5個脈衝
，錐銷就不能完全插入)，不同位置、速度和負載進行了多次試驗
，錐銷均能完全插入
，因此可知工作台邊沿定位精度≤5×3.14×1000/100000=0.157(ｍｍ)。

4.3 焊接實驗
weileyanzhengzhenggekongzhixitongdekongzhijingduhekekaoxing
，duidianxinghanjianjinxingleduocihanjieshiyan
，jieguozhengminggaixitongmanzuyujiqirenpeihegongzuodeweizhikongzhihesudukongzhijingduyaoqiu。

5. 結論

弧焊機器人用數控焊接變位機控製係統采用研華PCL-832三軸伺服運動控製卡，基於數字微分分析控製，實現了對弧焊機器人用數控焊接變位機的位置、速su度du和he運yun動dong軌gui跡ji的de精jing確que控kong製zhi。由you於yu使shi用yong多duo軸zhou控kong製zhi卡ka使shi得de係xi統tong結jie構gou簡jian單dan，控kong製zhi軟ruan件jian開kai發fa簡jian化hua。實shi驗yan表biao明ming該gai控kong製zhi係xi統tong可ke靠kao性xing高gao
，穩wen態tai精jing度du好hao，重zhong複fu定ding位wei精jing度du達da到dao±0.1ｍｍ。

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