基于光电传感器智能焊缝跟踪系统设计说明书(论文).doc

课 程 设 计 说 明 书 基于光电传感器的智能焊缝 跟踪系统的设计 摘要 焊接自动化具有提高生产效率，优化产品质量和改善劳动条件等优点，能够大力促进制造业经济的发展，而焊缝跟踪技术是实现焊接自动化的必要技术，因此，发展焊缝跟踪技术具有重要意义。 本系统的执行机构采用的是小车配合双十字滑架的模式。系统经过理论分析，建立了相应的数学模型，并在此基础上设计了符合系统要求的模糊-PID控制系统。模糊-PID控制系统采用开关切换控制的方式，在大误差范围内采用PID控制，在小误差范围内则转换成模糊控制，两者的转换由微机程序根据事先给定的误差范围自动选择切换。仿真设计表明，该模型不仅简单可靠，而且跟踪精度高。 相关的焊接实验与仿真表明，光电传感器式焊缝自动跟踪系统总体上达到了设计要求，具有深入开发的潜力。 关键词：光电传感器，焊缝跟踪，单片机，模糊-PID控制，控制器 目录 第一章 绪论 2 1.选题依据及课题意义 2 2.本文设计的主要内容 2 第二章 光电传感器的设计 3 2.1 光电传感器的组成和原理 3 2.1.1 光电传感器的元件组成 3 2.1.2 光电传感器的电路设计 4 2.1.3 传感器元件的选择和工作特性 4 2.2 影响光电传感器工作的因素 6 2.2.1 传感器高度实验 6 2.2.2 工件表面状况影响实验 7 2.2.3 人工辅助线影响实验 7 2.2.4 弧光影响实验 8 2.2.5 白线偏移实验及数据处理 9 第三章 硬件选择及系统整体组成 12 3.1 MSC-51单片机系统 12 3.2 单片机的P口分配 12 3.3 单片机存储空间分配 12 第四章 焊缝跟踪控制系统 14 4.1 控制原理 14 4.2 数学模型 14 4.3 控制器的设计 15 4.4 Fuzzy-PID复合控制器 16 4.5 PID控制部分 17 4.6 仿真与分析 18 心得 19 参考文献 20  第一章 绪论 1.选题依据及课题意义 焊接技术作为一门综合性应用技术，具有多学科交叉融合的特点。焊接技术的自动化、柔性化与智能化是未来焊接技术发展的必然趋势。采用机器人焊接不但可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、而且可以实现小批量产品的焊接自动化。 随着科学技术的不断发展，和对产品质量要求的不断提高，弧焊机器人正朝着“高效化、自动化、智能化、柔性化”的方向发展，所采用的传感器多是电弧传感器或光电传感器。但从整体上看，目前国内外大量应用的弧焊机器人系统基 2.本文设计的主要内容 （1）设计并自制光电传感器，分析哪些主要因素影响传感器的精准度和灵敏度，最终确定传感器的最佳工作状态。 （2）为了进一步提高传感器识别的精确度和灵敏度，使之能够对工件不同表面状态的焊缝保持一定的跟踪精度，需要改进光电传感器的信号采集和数据处理方式。 第二章 光电传感器的设计 2.1 光电传感器的组成和原理 2.1.1 光电传感器的元件组成 光电传感器核心元件主要有两部分组成，一部分是光源，也就是发光器件，我们在这里选用发光二极管;别一部分是对光源发出光的接受元件，也就是光敏元件，我们在这里选用光敏三极管作为接受元件。 对于发光器件，我们选用发光二极管，发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N 区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。它们具有以下几种特点：发光(能量转换) 效率高，反应(开关)时间快——可以达到很高的闪烁频率，使用寿命长,耐震荡等机械冲击，体积小，便于聚焦。 本实验中作为接受元件的光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。因此，它与光敏二极管相比，具有更大的光电流放大作用，也即有更高的灵敏度。光敏三极管工作原理图如下图2-1所示。 图2-1 光敏三级管的工作原理图 2.1.2 光电传感器的电路设计 由光敏三极管的工作原理，我们可以知道，光敏三极管在一定的光强度照射时，它处于导通准状态，当在一定的有效范围内时，光强度增大（或减小），光敏三极管的电阻也就减小（或增大），当与它串联的电阻一旦选定确定时，每