基于焊接機器人的自動化控制系統(tǒng)設計

李明琨

（廣西南寧技師學院，廣西 南寧 530031）

焊接技術是材料加工領域中一項重要的技術，是材料之間實現高強度連接的有效手段。經過焊接后兩部分材料能夠永久結合，因此對于焊接過程的第一手工作質量要求也比較高，后期的修復過程非常困難。焊接工人是一種普通的工種，但是掌握不同技藝和熟練程度的焊接工人所進行的焊接過程有明顯的區(qū)別，具有豐富焊接經驗以及熟練焊接技能的工人在焊接過程中能夠平穩(wěn)施焊，得到相對穩(wěn)定的焊縫性能和均勻的焊縫結構。然而，焊接機器人的出現逐漸使人們看到了手工焊接操作的弊端所在，大規(guī)模地使用焊接機器人能夠規(guī)避手工焊接不穩(wěn)定的問題，對于焊接質量的普遍提升具有重要的意義。除此之外，焊接實施過程中環(huán)境非常惡劣，危險性比較高，工人因為焊接操作問題發(fā)生人員受傷甚至死亡的事情屢見不鮮，焊接機器人的出現使焊接操作人員的工作環(huán)境徹底改變，安全系數得到了提高。焊接機器人是機械制造技術和計算機自動化技術深度發(fā)展融合的產物，能夠替代絕大多數的焊接操作過程，是一種科技含量很高的現代化加工設備。由于焊接機器人的焊接參數設定后，其焊接工藝和焊接質量就能夠得到保證，因此在焊接環(huán)境條件相同時，焊接機器人所獲得的焊縫質量要比手工焊縫質量普遍高很多，尤其是在一些需要進行復雜軌跡焊接的情形時效果更加明顯。焊接機器人的產生和發(fā)展顯著提高了焊接生產的效率，解放了焊接工人的雙手，對制造技術以及材料加工技術的進步起到了重要的作用。

1 自動化控制系統(tǒng)設計

1.1 總體思想

焊接機器人的系統(tǒng)設計思路較為復雜，結構眾多，是一個集成化程度很高的綜合性自動化系統(tǒng)，對焊接機器人進行設計時采用機器人設計常用的模塊式設計思路。其中焊接機器人的主機是一個可以進行操作處理的系統(tǒng)，具有實時處理的功能，需要完成的任務分為識別和控制兩個部分，識別部分是對焊接機器人所處焊接狀態(tài)下的各個位置和各種運動行為進行識別，對機器人的控制部分實質上是對各個關節(jié)處的伺服電機進行控制，主機需要根據機器人上各個傳感器和信號器獲得的信號進行反饋。焊接機器人的主機作為整個機器人控制的中樞需要具備強大的信息處理能力，以實現其信息處理以及指令發(fā)送的功能，因此，高性能MCU處理器是焊接機器人主機的首選。除了主機外，還有一個主要的組成部分就是伺服控制系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)是一種下位控制，負責各種舵機轉速的調節(jié)、位置的控制以及力矩選擇，焊接機器人伺服控制系統(tǒng)的控制器件以DSP為核心，用高速的通訊網絡實現主機和伺服控制系統(tǒng)之間的互聯。

1.2 硬件設計

在進行焊接機器人硬件選擇時，首先要進行控制芯片的選擇，對控制芯片進行參數選擇時應該關注其加工性能、芯片核心處理器的運算速度、芯片控制伺服系統(tǒng)的精確度以及芯片的功率消耗等。一般的芯片工作電壓都是3.3V，鑒于此，應該選用與之額定電壓相匹配的外部輔助設備，如果工作電壓不同，則需要在硬件設計時對芯片和外部電路之間的有效互聯進行轉換設計。

焊接機器人的硬件設計系統(tǒng)分為電路電子DSP、一些特殊環(huán)節(jié)的硬件驅動設計以及對芯片電路和外部電路的保護設計等。DSP設計要為焊接機器人提供總線接口以及數字接口，要具有仿真電路、故障電路以及保護電路等功能。除此以外，電路電子DSP在設計時還要兼顧對電路的檢測以及對電路的抗干擾功能。

在焊接機器人的電路設計中，時鐘電路的設計是最為關鍵的步驟，作為電路核心設計，在焊接機器人的自動化控制中起到了關鍵作用。焊接機器人需要進行實時控制以完成精確的焊接過程，因此電路控制的實時性對時鐘電路來講意義非凡。時鐘電路的硬件設計選擇供電外部振蕩器，將時鐘電路的頻率設定為10MHz，采用低電壓的設計思路。根據盡可能簡化的設計原則，DSP的時鐘輸入端和XTA1可以直接相連接，需要注意的是，在進行振蕩器選配時，應該尤其注意其電平數值，最佳的方案是選擇3.3V電平的振蕩器。如果選擇另一種5V電平的振蕩器進行匹配，則應該采用電平轉換器將5V的電平轉換為3.3V電平，以實現有源振蕩器和時鐘輸入端的可靠對接。而在實際的控制電路使用過程中，倍頻和分頻操作可以滿足不同電路模塊對電路頻率的接口需求。

1.3 軟件設計

為實現焊接機器人的焊接功能，除了以電路以及控制芯片為核心的硬件系統(tǒng)設計外，軟件的設計也尤為重要。軟件系統(tǒng)設計通常分為三個環(huán)節(jié)，即上層開發(fā)環(huán)節(jié)、驅動程序設計以及底層控制程序。上層開發(fā)是為了給用戶一個測試控制器，方便實現控制要求的軟件平臺，驅動開發(fā)需要滿足控制器在復雜干擾的環(huán)境中可靠的工作，它的作用就是負責在不同網絡中的通信。對于底層開發(fā)的程序設計主要是針對伺服驅動的運動功能來考慮，一般采用的是C語言來進行編程開發(fā)，是整個控制系統(tǒng)的基礎。

對焊接機器人進行軟件設計可以根據傳感器的狀態(tài)值實現無刷電機和電路電壓之間的自動切換，另外就是，通過一定的算法實現電機位置和速度的精確控制，并且不同模式之間可以自由地切換。軟件運行過程中可以實現對各種故障的檢測和診斷作業(yè)，包括CAN的通信故障、功率器件的過載故障和系統(tǒng)的運行故障等。

本次DSP開發(fā)選用的是 TM32.LF2407開發(fā)系統(tǒng)，有高效的C編譯器，簡化的匯編語言，是基于Windows系統(tǒng)的可視化調用接口，可以兼容不同的仿真接口，代碼工具箱采用CCS推出的軟件集成開發(fā)環(huán)境，利用CCS對程序進行一些管理和編譯工作，主要是完善用戶的開發(fā)試驗環(huán)境。

2 焊接機器人功能調試

焊接機器人的功能控制面板上布置了一個電源指示燈，能夠隨時顯示電源的供電情況。如果焊接機器人供電線路出現問題，應該進行電路檢查以發(fā)現問題、排查疑點。如果供電良好，則應該進行焊接機器人供電極性的檢查，查看伺服電機的運動方向情況。首先應該對伺服電機施加小電流檢查運動的極性，而后再進行大電流檢查，如果在極性檢測之初就施加大電流很容易使舵機運動至極限位置，受到機器人結構的影響，舵機運動至極限位置時可能出現被機器人結構所制動的情況，此時舵機就很容易損壞。除極性檢查外，還要對焊接機器人進行關節(jié)活動情況的檢查，各個關節(jié)應該能根據預定的程序進行運動，完成預定程序要求的動作。對基本軸的S軸進行操作時，操作S+鍵焊接機器人的本體應該能夠進行向左旋轉動作，在操作S+鍵時，應能夠向相反的方向運動。焊接機器人控制面板上的基本軸L軸控制機器人下臂的前后運動，當操作L+鍵時，焊接機器人的下臂應能夠向后運動，反之，當操作L-鍵時，焊接機器人的下臂向前運動。對焊接機器人基本軸的U軸進行操作時可以完成上臂的上下運動，同樣有兩個功能按鍵使上臂分別向上運動或者向下運動。對基本軸調試完成后，即對焊接機器人的腕部軸進行調試，腕部軸分為R軸、T軸和B軸，分別完成機器人上臂帶手腕回轉、機器人手腕上下運動以及機器人手臂回轉的功能。每個腕部控制軸同樣布置兩個功能按鍵，一個是逆時針旋轉軸，另一個是順時針旋轉軸，經過上述調試后，焊接機器人的供電系統(tǒng)調試以及關節(jié)處軸運動調試完成。

3 結語

我國的材料技術相比其他發(fā)達國家來講起步較晚，材料加工也是制約工業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，隨著我國的經濟跨越式發(fā)展，高技術含量的焊接技術有了更廣泛的需求，焊接機器人正契合了這種時代背景，在機械加工以及零部件制造領域讓人們看到了誘人的應用前景。在汽車的結構件制造領域以及汽車零部件生產企業(yè)中，焊接機器人已經率先應用于生產線中，這表明焊接機器人的產生和發(fā)展具有重要的現實意義。而采用機器人進行焊接最重要的就是其自動化控制系統(tǒng)的設計，設計是制造和量產的靈魂所在。本文通過對焊接機器人總體設計的研究得知，在進行機器人控制系統(tǒng)總體設計時，應著重考慮結構性問題以及整體性問題，把機器人的控制系統(tǒng)從上到下分為幾個組成部分，再解決各個組成部分之間的溝通與互聯。對硬件的設計應該注意硬件與硬件之間的通信接口是否一致，能否實現可靠通信。對軟件的設計核心是設計思路的制定，這對于焊接機器人軟件設計至關重要。