门洪利　刘华　韩俊德

摘 要：文章主要是对由三个步进电机构成的激光焊枪空间位置控制的研究，通过协调三个步进电机的速度和角度，使焊枪实现在三维空间中能沿焊接轨迹动作。首先要将轨迹分割近似，确定轨迹在空间中三个坐标分量。计算出角度变化较大的步进电机，以此电机的工作频率为基准获得另外两个电机的工作参数，保证步进电机的同启同停且焊枪的轨迹尽量接近理想轨迹。

关键词：刀具；空间位置；控制

中图分类号：TM383 文献标志码：A 文章编号：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

随着科学技术的突飞猛进发展，激光加工技术已被逐渐应用到各行各业中，并显示出巨大的技术先进性。尽管现代高效刀具的价格大大高于传统标准刀具，但由于其优良的性能，使加工质量和效率得到大幅度提高，从而使制造业劳动生产率得到提高且成本有所降低，获得了更大的经济效益[1-3]。

目前农用器具使用过程中主要面临的问题是刀片的磨损和断裂，如果刀具的焊接工作由人工执行，则需要大量的时间去完成，大大降低了农用机械的工作效率，而本次设计目的是解决焊枪的位置控制问题，为以后用机械来代替人工进行农用刀具焊接提供一种参考方法，提高焊接的质量和速度，进而提高农用机械的工作效率和使用寿命[4]。

2 步进电机三轴联动控制

如图1，为旋耕刀刀片，为了能够实现该类型刀片的夹持与激光焊枪的控制，系统采用步进电机三轴联动控制方案，如何实现对电机的联合控制，使得激光焊枪在空间中能够跟踪焊接轨迹是整个系统的重点。激光焊枪的夹持模型如图2，模型主要由三个步进电机构成，分别是X电机、Y电机和Z电机。Y步进电机与Z步进电机之间的距离为L，长度为L的杆转动由Y步进电机控制，长度为d的杆，模拟的是焊枪安放的位置，其转动由Z步进电机控制，Y步进电机在X步进电机的正上方并紧靠X步进电机。下面介紹的电机计算方法是以X步进电机为原点建立空间坐标系，并使焊接轨迹保持在空间第一象限[5]。

假设工件的焊接路径是在同一平面上的曲线，将曲线进行分割成各个小段，这里的分割要使分割得到的每段曲线接近直线，如图3所示。

假设焊枪从起点A运动到终点B，理想情况下焊枪的轨迹应该是直线，我们可以利用直线插补算法来控制电机的动作，进而使焊枪的运动轨迹接近直线，但是直线插补算法只适合轨迹弧度不是很大的情况下，而本此设计的要求包括轨迹转角为90°的情况，所以只利用直线插补是不能满足设计要求的，直线插补是通过每一步进行比较来接近直线的，如果电机也是分步动作的，在轨迹上会出现明显的参差效果。为了使焊枪轨迹尽可能的接近直线，在参考三维打印技术X、Y两轴联动算法的基础上[11]，设计了一种X、Y、Z三步进电机联动控制方法。

首先在空间里建立三维坐标系，使焊枪运动轨迹分布在第一象限，在坐标系内将线段路径分解为X轴方向分量、Y轴方向分量和Z轴方向分量。当焊枪进行每一小段移动时，以移动角位移较大的步进电机的脉冲频率为基准频率，进而得到其它电机的脉冲发射频率，从而控制各步进电机同时启动同时停止。具体每个步进电机运动参数的计算方法以焊枪进行直线AB运动为例进行说明。

当X步进电机动作时，其动作范围如图4所示：

N是步进电机接收的脉冲个数，K取决于步进电机的类型，和细分驱动的细分数。由式1-12可以算出X、Y和Z步进电机所需的脉冲个数为Nx、Ny、Nz。假如X电机的角度变化较大，则Y和Z步进电机的接受脉冲频率为fy和fz。

根据上述计算出的X、Y、Z步进电机的脉冲数和脉冲频率可以对步进电机进行精确控制，这是每一小段的电机控制，控制数据可以直接放到存储器中，用时直接调用即可。

图7表示的是电机联合动作时的流程图，可以依次进行计算每段电机的动作参数。

3 结束语

本文主要解决的问题是步进电机的选型，步进电机的联合控制以保证焊枪能够跟踪焊接轨迹和电机联合动作时的速度控制等。因本文中使用混合式步进电机作为执行机构，所以其成本方面较低且控制方法也较为简单。其中较为创新的地方是步进电机的联合控制方法。本文设计的执行机构能达到的精度，取决于步进电机的选型，机械结构等。焊枪能否实现跟踪焊接轨迹，很大程度取决于焊接轨迹的数据采集，并将轨迹数据还原到空间坐标中去，以便根据轨迹坐标计算步进电机的变化参数。

参考文献：

[1]刘亚静，李铁才.电机数字控制器发展现状[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]刘宝志.步进电机的精确控制方法研究[D].山东大学，2010.

[4]花同.步进电机控制系统设计[J].电子设计工程，2011，19（15）：13-15.

[5]李磊.基于单片机的步进电机升降速控制研究[J].微电机，2011，44（11）：84-86.

[6]胡赤兵，闫琳，滕舟波.基于锁相技术的步进电机速度控制[J].制造业自动化，2008（03）：67-69.

[7]李智强，周杰，任胜杰.基于单片机的步进电机细分驱动控制系统[J].机电工程，2007（07）：67-69.

[8]席港港，赵庆志，王军等.传统逐点比较法直线插补方法的改进[J].山东理工大学学报（自然科学版），2012，26（01）：67-69.

[9]张立强，谈世哲.基于指数型曲线的步进电动机升降速控制方法[J].工矿自动化，2010，36（03）：85-88.

[10]高琴，刘淑聪，彭宏伟.步进电机控制系统的设计及应用[J].制造业自动化，2012，34（01）：150-152.

[11]曹文昌.基于STM32的三维打印机控制系统研究[D].西南石油大学，2017.