基于網(wǎng)絡(luò)的焊接機(jī)器人控制

張文明 魏心賢 曹振鵬

（1沈陽(yáng)大學(xué)，沈陽(yáng)，110044；2凌源鋼鐵集團(tuán)公司，遼寧朝陽(yáng)，122500）

基于網(wǎng)絡(luò)的焊接機(jī)器人控制

張文明1魏心賢1曹振鵬2

（1沈陽(yáng)大學(xué)，沈陽(yáng)，110044；2凌源鋼鐵集團(tuán)公司，遼寧朝陽(yáng)，122500）

文章綜述生產(chǎn)線上焊接機(jī)器人的軌跡控制原理及基于PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)架構(gòu)，重點(diǎn)論述機(jī)器人伺服系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制各關(guān)節(jié)電機(jī)、進(jìn)而控制軌跡的關(guān)鍵技術(shù)和焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)控制技術(shù)，并利用PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線的控制原理，解決自動(dòng)化生產(chǎn)線中各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息傳遞和協(xié)調(diào)控制問題。

機(jī)器人，智能焊接，PLC，現(xiàn)場(chǎng)總線

機(jī)器人是集機(jī)械設(shè)計(jì)、伺服控制、軌跡規(guī)劃、控制算法、傳感器等技術(shù)于一身的機(jī)電一體化設(shè)備，機(jī)器人對(duì)于軌跡的精度控制有著十分嚴(yán)格的要求，尤其是對(duì)于軌跡精度與焊接質(zhì)量有著絕對(duì)聯(lián)系的焊接機(jī)器人。隨著機(jī)器人焊接工作站越來(lái)越智能化，焊接任務(wù)的自動(dòng)規(guī)劃技術(shù)以及焊接質(zhì)量的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)反饋技術(shù)也顯得尤其重要。

在焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線和數(shù)字化焊接車間中，機(jī)器人等相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量多且位置分散，通常以生產(chǎn)線上的機(jī)器人工作站為單位，因此對(duì)多機(jī)器人工作站同時(shí)工作的控制技術(shù)很關(guān)鍵?？刂萍夹g(shù)的核心在于：讓有限的焊接機(jī)器人資源得到最優(yōu)化的配置，并能通過網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)，產(chǎn)生最大的效益。

1 機(jī)器人軌跡控制

機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)最終都?xì)w結(jié)為相應(yīng)各軸的AC伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)指定路徑的多軸協(xié)調(diào)控制問題，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵。操作人員通過示教器或離線編程，用編程指令或軟件指示機(jī)器人控制器需要完成的任務(wù)，經(jīng)過一級(jí)計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言編譯后送入軸計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)算法處理，實(shí)現(xiàn)軌跡的生成和坐標(biāo)變換[1]。處理后生成的信號(hào)由變頻器完成三相驅(qū)動(dòng)電流脈寬調(diào)制，進(jìn)而協(xié)調(diào)控制各關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位于機(jī)器人腕部末端、直接執(zhí)行工作要求的操作器的工具中心點(diǎn)（TCP）按照要求的軌跡運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)控制如圖1所示。工業(yè)機(jī)器人控制器大多采用二級(jí)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，虛線框內(nèi)為第一級(jí)計(jì)算機(jī).

1.1 一級(jí)計(jì)算機(jī)

又稱控制計(jì)算機(jī)，主要任務(wù)是規(guī)劃和管理機(jī)器人工作過程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。

圖1 機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)控制原理圖

機(jī)器人在示教狀態(tài)時(shí)，接受示教盒送來(lái)的各示教點(diǎn)位置、姿態(tài)信息、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工藝參數(shù)等信息，并通過計(jì)算把各示教點(diǎn)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)值，存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。機(jī)器人在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，從內(nèi)存中逐點(diǎn)取出位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，按一定的時(shí)間節(jié)拍 ( 又稱采樣周期 )進(jìn)行圓弧或直線插補(bǔ)運(yùn)算，算出各插補(bǔ)點(diǎn)的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，然后把各插補(bǔ)點(diǎn)的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值逐點(diǎn)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標(biāo)值，分送至各個(gè)關(guān)節(jié)。

1.2 二級(jí)計(jì)算機(jī)

又稱軸計(jì)算機(jī)，主要部件為與機(jī)器人手臂內(nèi)AC伺服電機(jī)相連接的伺服放大器和CPU模塊。

二級(jí)計(jì)算機(jī)接收一級(jí)計(jì)算機(jī)送來(lái)的各關(guān)節(jié)下一步預(yù)達(dá)到位置和姿態(tài)等數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行均勻細(xì)分處理，以求運(yùn)動(dòng)軌跡更為平滑。然后，它將各關(guān)節(jié)的細(xì)步期望值逐點(diǎn)送給AC伺服電機(jī)，同時(shí)檢測(cè)光電碼盤信號(hào)，直到其準(zhǔn)確到位，并實(shí)時(shí)對(duì)AC伺服電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。

隨著高性能微處理器(MCU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的發(fā)展，數(shù)字伺服控制技術(shù)已成為工業(yè)伺服系統(tǒng)的主流。CPU通過脈寬調(diào)節(jié)，將程序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成伺服驅(qū)動(dòng)信號(hào)給伺服放大器，進(jìn)而控制AC伺服電機(jī)按照給定的信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)，并經(jīng)過編碼器實(shí)時(shí)對(duì)速度進(jìn)行控制。通常，CPU模塊還具備通過與不同類型的I/O模塊連接，實(shí)現(xiàn)與其他外部設(shè)備或機(jī)器人通信的作用。

2 機(jī)器人焊接控制

機(jī)器人的控制系統(tǒng)不僅要保證機(jī)器人的精確運(yùn)動(dòng)，而且要具有可擴(kuò)充性，以控制周邊設(shè)備確保焊接工藝的實(shí)施。焊接控制器通常是由CPU 、EPROM 及部分外圍接口芯片組成最小控制系統(tǒng)，在焊接時(shí)，它不僅能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)預(yù)定的焊接程序完成焊接參數(shù)輸入以及隨機(jī)器人運(yùn)行軌跡實(shí)時(shí)性變化，而且能夠及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行焊接系統(tǒng)故障自診斷，并實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)及示教盒的交互通信。

2.1 機(jī)器人外圍設(shè)備控制

焊接機(jī)器人工作站除了要控制機(jī)器人機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，還需控制外圍設(shè)備的動(dòng)作、開啟、切斷以及安全防護(hù)等，一套完整的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)，它包括機(jī)器人機(jī)械手、控制系統(tǒng)、焊接裝置、焊件夾持裝置等。

機(jī)器人的控制系統(tǒng)與所有設(shè)備的通信信號(hào)有數(shù)字量信號(hào)和模擬量信號(hào)。用模擬信號(hào)聯(lián)系的有焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)以及操作機(jī) ( 包括夾具、變位器等) 。這些設(shè)備需通過控制系統(tǒng)預(yù)置參數(shù)，通常是通過 D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換器給定基準(zhǔn)電壓，控制器與焊接電源和送絲機(jī)構(gòu)電源一般都需有光電隔離，控制系統(tǒng)對(duì)操作機(jī)電動(dòng)機(jī)的伺服控制與對(duì)機(jī)器人伺服控制電動(dòng)機(jī)的要求相仿，通常采用雙伺服環(huán)以確保工件焊縫到位精度與機(jī)器人到位精度相等。數(shù)字量信號(hào)則負(fù)責(zé)各設(shè)備的啟動(dòng)、停止、安全以及狀態(tài)檢測(cè)。

2.2 焊接質(zhì)量智能控制

焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量有著最直接的影響，因此確定準(zhǔn)確的工藝參數(shù)至關(guān)重要。通常，焊接參數(shù)的自動(dòng)生成是通過焊接參數(shù)規(guī)劃控制器把焊縫信息數(shù)據(jù)如焊縫空間位置、接頭形式及成型要求輸入到參數(shù)規(guī)劃模型中完成，規(guī)劃模型通常為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、模糊控制理論及專家系統(tǒng)理論三大模型的綜合運(yùn)用[2]，規(guī)劃參數(shù)通常包括焊接電流、焊接電壓、焊槍速度及焊槍工作角等。焊接設(shè)備不是一個(gè)獨(dú)立控制的個(gè)體，焊槍的運(yùn)行速度和工作角分別由機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和關(guān)節(jié)姿態(tài)決定，焊接質(zhì)量必須由這些焊接參數(shù)的有機(jī)配合才能保證。因此，讓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與焊接參數(shù)規(guī)劃形成緊密耦合的統(tǒng)一整體，并對(duì)之進(jìn)行聯(lián)合規(guī)劃，才能生成更準(zhǔn)確的焊接工藝參數(shù)，保證焊接質(zhì)量。

焊接動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)信息反饋也是焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵，智能反饋主要指?jìng)鞲衅鲗?duì)焊接過程中的熔池尺寸、熔透、成形以及屯弧行為等參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。視覺焊縫跟蹤和熔池狀態(tài)反饋是焊接機(jī)器人傳感系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，為了獲取焊縫接頭的三維輪廓并克服焊接過程中弧光的干擾，機(jī)器人焊縫跟蹤識(shí)別技術(shù)一般采用激光、結(jié)構(gòu)光等主動(dòng)視覺的方法，對(duì)焊件進(jìn)行特征提取，從而正確導(dǎo)引機(jī)器人焊槍終端沿實(shí)際焊縫完成期望的軌跡運(yùn)動(dòng)。由于焊接過程復(fù)雜的干擾因素、強(qiáng)烈非線性以及大量的不確定性因素的作用，對(duì)焊接過程可靠而實(shí)用的檢測(cè)一直是矚目的難題。從熔池動(dòng)態(tài)變化和熔透特征檢測(cè)的角度看，目前計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、溫度場(chǎng)測(cè)量、熔池激勵(lì)振蕩、電弧傳感等方法用于實(shí)時(shí)控制的效果較好。

3 網(wǎng)絡(luò)控制焊接機(jī)器人

機(jī)器人焊接工作站常作為生產(chǎn)線上某一從站，數(shù)量較多且位置分散，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化則必須將所有的機(jī)器人連接成為網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)控制。PLC為控制核心，通過現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)時(shí)與焊接機(jī)器人、現(xiàn)場(chǎng)焊接設(shè)備通信，連接其他設(shè)備如人機(jī)界面(操作臺(tái)和上位機(jī))、各個(gè)安全繼電器、安全設(shè)備終端(如激光掃描器、安全光柵、安全門等)，形成一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)，并針對(duì)網(wǎng)絡(luò)終端出現(xiàn)的問題，進(jìn)行及時(shí)處理。這一網(wǎng)絡(luò)可以通過各種通信線路與上位計(jì)算機(jī)連接，以組成規(guī)模大、功能強(qiáng)、可靠性高的綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（如圖2所示），對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控、診斷和管理[3]?，F(xiàn)場(chǎng)總線的終端模塊將采集的信號(hào)輸送到PLC中，PLC根據(jù)預(yù)先編制好的邏輯判斷程序，對(duì)接收到的信號(hào)做出相應(yīng)處理，并發(fā)送結(jié)果變量給各相關(guān)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有序而穩(wěn)定的連續(xù)工作。

圖2 焊接機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制圖

3.1 PLC控制

可邏輯編程控制器（PLC）硬件包括：中央控制處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、電源及編程器。邏輯控制指令是PLC中最基本最常見的指令，是構(gòu)成編程梯形圖和語(yǔ)句表的基本成分。基本邏輯控制指令通常指位邏輯指令、定時(shí)器指令及計(jì)數(shù)器指令。邏輯控制類程序通常采用梯形圖編程，它與繼電器電路圖控制邏輯的梯形圖概念相同，表達(dá)了系統(tǒng)中全部動(dòng)作的相互關(guān)系。如果使用圖形編程器(LCD或CRT)，畫出梯形圖則相當(dāng)于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器；如果是簡(jiǎn)易編程器，則往往要經(jīng)過助記符程序轉(zhuǎn)換，才能將其輸入到可編程序控制器中。

PLC是實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、測(cè)量、處理和傳輸?shù)木唧w控制者。PLC一方面協(xié)調(diào)控制現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備按照工藝順序要求工作，另一方面它接受編程設(shè)備的配置信息，向上層設(shè)備發(fā)送實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息和設(shè)備狀態(tài)信息，供上層設(shè)備統(tǒng)計(jì)、診斷和顯示。

生產(chǎn)線上的PLC從站與機(jī)器人的控制分別編程，機(jī)器人的控制程序主要負(fù)責(zé)完成自身的作業(yè)，而生產(chǎn)線中的作業(yè)任務(wù)通常需要多個(gè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作方可完成，這必須借助PLC控制程序?qū)λ袡C(jī)器人進(jìn)行統(tǒng)一管理，協(xié)調(diào)控制。因此，PLC與機(jī)器人內(nèi)置控制系統(tǒng)的通信顯得尤為重要。

PLC采用問答式的串行通信方式，通過機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)（一級(jí)計(jì)算機(jī)）上的網(wǎng)絡(luò)通信接口對(duì)機(jī)器人發(fā)送指令:通知機(jī)器人準(zhǔn)備焊接、機(jī)器人焊接、機(jī)器人停止焊接(出現(xiàn)故障)。機(jī)器人反饋給PLC指令：機(jī)器人焊接姿態(tài)、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)。PLC根據(jù)機(jī)器人反饋的信息進(jìn)行下一步操作，也可以根據(jù)生產(chǎn)線變化對(duì)機(jī)器人的控制計(jì)算機(jī)（一級(jí)計(jì)算機(jī)）發(fā)出相應(yīng)的焊接生產(chǎn)程序調(diào)用信號(hào)以實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。機(jī)器人內(nèi)置控制器計(jì)算機(jī)根據(jù)相應(yīng)程序?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行處理，調(diào)用事先定義好的機(jī)器人作業(yè)程序模塊。新的作業(yè)程序重新進(jìn)入軸計(jì)算機(jī)（二級(jí)計(jì)算機(jī))完成機(jī)器人的新軌跡姿態(tài)生成，從而完成新的焊接作業(yè)任務(wù)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)

目前生產(chǎn)中運(yùn)用的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有：FF、Profibus、WorldFIP、ControlNet/DeviveNet、CAN等?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信技術(shù)，主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化設(shè)備、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信，以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。通常采用RS-485技術(shù)以雙絞線作為通信電纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，把分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(智能化且?guī)в型ㄐ沤涌谌鏡S-485串行接口)與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS）。該系統(tǒng)既是一個(gè)開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)，它與集散控制系統(tǒng)（DCS）最大的區(qū)別在于：現(xiàn)場(chǎng)總線把通用或?qū)Ｓ玫奈⑻幚砥髦萌雮鹘y(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備，使之現(xiàn)場(chǎng)就可完成本該由中央控制器完成的一些低級(jí)控制功能，使得自控系統(tǒng)也加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列。

機(jī)器人焊接生產(chǎn)線控制使用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用于整個(gè)生產(chǎn)線的組網(wǎng)。第一層基于Internet的管理層和上位機(jī)廣域網(wǎng)，用于各部門的管理和信息的統(tǒng)計(jì)；第二層是基于以太網(wǎng)的上位機(jī)(工業(yè)計(jì)算機(jī))和各條生產(chǎn)線的主控制器（PLC主站）網(wǎng)絡(luò)層，用于監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況；第三層是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的主控制器（PLC從站）和執(zhí)行單元（焊接機(jī)器人）的網(wǎng)絡(luò)，處于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最底層，直接連接現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備（如I/O設(shè)備、傳感器、變送器、變頻與驅(qū)動(dòng)等），進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制、信號(hào)反饋等。

4 結(jié)語(yǔ)

焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)通常包括自由度個(gè)數(shù)、工作范圍、負(fù)載能力、焊接速度以及焊接精度，在焊接過程中，不僅要求焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡與焊縫的準(zhǔn)確吻合，還要保證合適的焊槍姿態(tài)。

智能化焊接技術(shù)是目前學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)，主要包括焊接任務(wù)規(guī)劃、軌跡跟蹤控制、傳感系統(tǒng)、過程模型以及智能控制等方面，智能化焊接通過各種傳感器和閉環(huán)控制系統(tǒng)的集成，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫的自動(dòng)識(shí)別、焊接路徑規(guī)劃、焊縫跟蹤以及恒壓力控制。智能控制包括所有機(jī)器人除了受自身控制系統(tǒng)的控制自主運(yùn)行外，還必須通過網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)接受可編程控制器和在線監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，以保證焊接機(jī)器人與生產(chǎn)線其他自動(dòng)設(shè)備的同步運(yùn)行。

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張文明，教授，碩士生導(dǎo)師，沈陽(yáng)大學(xué)焊接實(shí)驗(yàn)室主任，主要從事焊接自動(dòng)化及其裝備研究。