基于ARM的機(jī)器人自動(dòng)焊接控制系統(tǒng)

段錦程，石永華，俞國(guó)慶，梁 斌

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州510640；2.海裝廣州局，廣東 廣州510000)

基于ARM的機(jī)器人自動(dòng)焊接控制系統(tǒng)

段錦程1，石永華1，俞國(guó)慶2，梁 斌2

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州510640；2.海裝廣州局，廣東 廣州510000)

立體曲線(xiàn)焊縫焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形，如以示教方式進(jìn)行機(jī)器人焊接將導(dǎo)致焊接路徑的偏離，必須在焊接過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)，硬件以ARM9-S3C2440為核心，通過(guò)RS232與機(jī)器人進(jìn)行通信，編寫(xiě)了控制軟件，實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)器人的焊槍位置實(shí)時(shí)調(diào)整，有效應(yīng)對(duì)了焊接熱變形的影響。既保證了焊槍沿著坡口中心運(yùn)動(dòng)，又保證了導(dǎo)電嘴到工件的距離(CTWD)，焊接工藝穩(wěn)定，焊縫質(zhì)量較好。

機(jī)器人焊接；ARM；立體曲線(xiàn)焊縫；焊接變形

0 前言

目前商品化、實(shí)用化的機(jī)器人主要采用示教再現(xiàn)的工作模式，這類(lèi)機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)動(dòng)作之前必須人工示教運(yùn)動(dòng)軌跡，然后將軌跡程序存儲(chǔ)在記憶裝置中。當(dāng)機(jī)器人工作時(shí)，從記憶介質(zhì)中讀取程序，按照預(yù)先示教好的路線(xiàn)和其他參數(shù)機(jī)械的重復(fù)動(dòng)作。但是由于焊接是一個(gè)極其復(fù)雜的高溫、動(dòng)態(tài)、瞬時(shí)過(guò)程，工件在焊接過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。工件熱變形會(huì)使導(dǎo)電嘴偏移待焊坡口中心，也可能使導(dǎo)電嘴至工件的距離(CTWD)發(fā)生變化，從而影響焊接工藝的穩(wěn)定。工件的熱變形量受工件表面積和溫度等多方面參數(shù)的影響，在實(shí)踐中很難精確預(yù)測(cè)熱變形量。尤其是對(duì)于較長(zhǎng)的待焊焊縫，如船舶和大型工程機(jī)械的某些待焊焊縫，工件的熱變形甚至導(dǎo)致焊接失敗，所以開(kāi)發(fā)一套機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)顯得尤為重要。工人可以在機(jī)器人焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和行走速度，以糾正熱變形帶來(lái)的負(fù)面影響，一方面保證導(dǎo)電嘴始終沿著待焊坡口中心運(yùn)動(dòng)，另一方面也保證了CTWD為恒定值，從而確保立體曲線(xiàn)焊縫的焊接質(zhì)量。

1 焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

示教再現(xiàn)模式是首先預(yù)標(biāo)定一系列的點(diǎn)形成一條軌跡路線(xiàn)，機(jī)器人可以不斷重復(fù)行走預(yù)定的軌跡路線(xiàn)。機(jī)器人軌跡如圖1所示，機(jī)器人具有工件坐標(biāo)系T和未偏移之前的坐標(biāo)系P，由于機(jī)器人只進(jìn)行平移變換，所以T坐標(biāo)系與P坐標(biāo)系保持相同的姿態(tài)，設(shè)P齊次坐標(biāo)為

圖1 P坐標(biāo)系與T坐標(biāo)系示意

由于T坐標(biāo)系與P坐標(biāo)系姿態(tài)相同，故T的齊次坐標(biāo)為

即

通過(guò)改變式(2)中Δ y、Δ z值，使得機(jī)器人能夠相對(duì)預(yù)先標(biāo)定的路徑進(jìn)行偏移。機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中始終以前進(jìn)方向作為工件坐標(biāo)系的X方向，如圖2所示，Y方向上的偏移可以保證焊槍對(duì)準(zhǔn)待焊坡口中心，Z方向的偏移可以保證CTWD距離。

圖2 待焊工件示意

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用ARM7系列的S3C2440作為主控芯片，配備7寸液晶觸摸屏，采用RS232與機(jī)器人進(jìn)行通信，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在440 MHz。S3C2440 ARM處理器芯片基于ARM920T內(nèi)核，最高主頻達(dá)530 MHz，芯片本身提供了比較完整的外圍設(shè)備，具有外部存儲(chǔ)控制器和片選邏輯、LCD控制器、三通道UART等外圍設(shè)備。硬件系統(tǒng)分為觸摸屏及液晶顯示模塊和串行接口模塊，如圖3所示。

(1)觸摸屏和液晶顯示模塊。采用群創(chuàng)AT070TN83 V.1的液晶屏模塊，40PIN接口與S3C2440相應(yīng)引腳相連接。由于電阻式觸摸屏工作面與外界完全隔離，受環(huán)境影響較小，具有穩(wěn)定性高、不漂移的優(yōu)點(diǎn)，適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用，考慮到焊接工況，故采用四線(xiàn)電阻式觸摸屏。液晶顯示部分采用較常用的7寸液晶顯示屏，分辨率800×480。

(2)串行接口模塊。本模塊主要通過(guò)RS-232串口實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的通信，采用MAX2323芯片作為RS-232接口的收發(fā)器。芯片功耗低，傳輸速率1Mbps。芯片的發(fā)送器和接收器包含16 B的FIFO和移位寄存器。要發(fā)送的數(shù)據(jù)首先被寫(xiě)入FIFO，然后拷貝到發(fā)送移位寄存器，接著從數(shù)據(jù)輸出端口依次移位輸出。

2.2 界面和軟件設(shè)計(jì)

界面如圖4所示，分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域。A區(qū)為細(xì)調(diào)節(jié)區(qū)，當(dāng)按下A區(qū)向左按鈕時(shí)，觸發(fā)觸摸屏中斷，單片機(jī)在中斷處理程序中采集ADCDAT數(shù)據(jù)后判定觸摸位置為A區(qū)向左按鈕的位置。然后向RS232發(fā)送控制左微調(diào)控制字符“AAA1N”。機(jī)器人定時(shí)查詢(xún)串口數(shù)據(jù)后執(zhí)行IF判定語(yǔ)句，IF receive_data＝AAA1N；offs_y＝offs_y+0.2，使變量off_y增加0.2，機(jī)器人通過(guò)Corrwrite指令講寫(xiě)入偏差量off_y，使得式(2)中平移算子Trans(Δ x，Δ y，Δ z)中Δ y增加0.2，機(jī)器人工件坐標(biāo)系T將沿Y方向偏移0.2的距離。

調(diào)用函數(shù)B區(qū)為數(shù)據(jù)顯示區(qū)，分別實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人反饋的偏移量和速度信息。C區(qū)為粗調(diào)節(jié)區(qū)，可以使機(jī)器人在工件坐標(biāo)系Y軸或者Z軸方向上偏移1 mm。D區(qū)為速度調(diào)節(jié)區(qū)，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)器人手臂的行走速度來(lái)獲得較為平整的焊縫。

由于該控制器軟件規(guī)模比較小，故選擇前后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)，中斷程序?yàn)榍芭_(tái)程序，顯示界面為后臺(tái)程序。主控芯片程序流程如圖5所示。觸摸屏中斷產(chǎn)生時(shí)，程序執(zhí)行ADC中斷，獲得寄存器ADCDAT中數(shù)據(jù)，判定觸摸點(diǎn)的位置，根據(jù)位置信息發(fā)送相應(yīng)控制字符到RS232，中斷返回后顯示相關(guān)數(shù)值。

圖3 硬件電路

圖4 控制界面

2.3 與機(jī)器人的通信

采用RS232進(jìn)行通信。單片機(jī)處理完觸摸屏中斷后，根據(jù)觸摸位置來(lái)發(fā)送相應(yīng)的控制字符到RS232相應(yīng)寄存器，機(jī)器人采用輪詢(xún)方式訪(fǎng)問(wèn)相應(yīng)串口，得到數(shù)據(jù)后調(diào)用IF指令判定數(shù)據(jù)，再去執(zhí)行相應(yīng)操作。

2.4 ABB機(jī)器人程序流程

機(jī)器人程序采用RAPID語(yǔ)言編寫(xiě)，采用指令I(lǐng)TIME使程序每0.6 s產(chǎn)生一次中斷，如圖6所示。機(jī)器人在中斷程序中獲取串口字符，再執(zhí)行相應(yīng)操作。采用指令Corrwrite將偏差量寫(xiě)入變量off_set中，焊接機(jī)器人根據(jù)偏差量相對(duì)于預(yù)訂軌跡進(jìn)行偏移。定義變量speed_move，通過(guò)指令SpeedRefresh改變機(jī)器人行走速度。

圖5 控制系統(tǒng)程序流程

主要的RAPID編碼如下：

機(jī)器人中斷服務(wù)程序?yàn)椋?/p>

添加

3 立體曲線(xiàn)焊縫焊接試驗(yàn)

在圖7所示的焊接試樣中，由于焊接距離比較長(zhǎng)，焊接過(guò)程的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致工件坡口向右偏移f，通過(guò)調(diào)整機(jī)器人使其偏移f來(lái)彌補(bǔ)工件的偏移。如圖8b所示，當(dāng)機(jī)器人從P1點(diǎn)移動(dòng)到P2點(diǎn)的過(guò)程中，操作者在I點(diǎn)點(diǎn)擊了觸摸屏上的向右微調(diào)的按鈕，機(jī)器人向右移動(dòng)偏移量f后平行于直線(xiàn)P1P2的方向移動(dòng)到P3點(diǎn)。從而消除了工件變形對(duì)后續(xù)焊接的影響。同理，在運(yùn)行過(guò)程中，操作者可以通過(guò)上下方向的按鈕來(lái)產(chǎn)生工件坐標(biāo)系上Z方向上的偏移，保證焊槍相對(duì)工件的距離，從而保證穩(wěn)定的焊絲伸長(zhǎng)量。

圖7 焊接試樣

4 結(jié)論

基于ARM的機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在焊接機(jī)器人示教再現(xiàn)模式下的位置實(shí)時(shí)調(diào)整，操作直觀簡(jiǎn)單，通過(guò)控制機(jī)器人在工件坐標(biāo)系上的Y軸和Z軸上的偏移，可以保證焊接電弧在坡口中心，并能夠保證導(dǎo)電嘴到工件的距離。通過(guò)改變曲線(xiàn)焊縫不同位置時(shí)機(jī)器人手臂行走速度從而保證焊縫的平滑，獲得了良好的立體曲線(xiàn)焊縫質(zhì)量。

圖8 實(shí)際焊接結(jié)果

[1]汪家勝，鐘良文.數(shù)字化焊接電源的觸摸屏控制界面設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2010，40(10)：45-48.

[2]朱志強(qiáng).焊接機(jī)器人示教系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及其圖像的示教新方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[3]張正兵，李曉娜.機(jī)器人在焊接中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2008，38(6)：44-47.

[4]基于S3C2440處理器的打印模塊的設(shè)計(jì)[J].控制工程，2010，17(2)：252-256

[5]杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

Study on the control system of automatic welding system based on ARM

DUAN Jin-cheng1，SHI Yong-hua1，YU Guo-qing2，LIANG Bin2
(1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Guangzhou Bureau，Equipment Department of China Navy，Guangzhou 510000，China)

Welding distortion emerges in three-dimensional seam welding.The teaching-playback robot can not correct the deviation real-timely by itself.Therefore，it is necessary to correct the deviation during welding process real-timely.Based on ARM9-S3C2440，by using RS-232 to communicate with welding robot，this control system can adjust the welding traveling path in real-time.It can control the position of the welding torch to get rid of the side effect of hot deformation.Using this control system,it is guaranteed that not only the welding torch moves along the seam center，but also that the contact tube to workpiece distance(CTWD)is equal.In welding experiments，it produces good welding quality.

robot welding；ARM；three dimensional seam；welding deformation

TG409

A

1001-2303(2011)07-0015-05

2011-05-13；

2011-06-30

海軍裝備部科研資助項(xiàng)目；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2009ZM0318)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50705030)

段錦程(1986—)，男，湖南株州人，在讀碩士，主要從事焊接自動(dòng)化、機(jī)器人控制的研究。