焊接機(jī)器人在自動化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

樂 健，黃玉水，張 華，胡凌燕

（南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

目前，自動化專業(yè)課程教學(xué)理論性強(qiáng)，與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系少，學(xué)生不了解相關(guān)課程的實(shí)際應(yīng)用，學(xué)習(xí)的積極性、主動性不高。為了激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，需要研究面向新工科的交叉研究平臺的構(gòu)建與有效運(yùn)行[1]。許多教師在這方面進(jìn)行了探索，如：對綜合性大學(xué)自動化專業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系的探索[2]，將五軸工業(yè)機(jī)器人引入機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3]，將機(jī)器人聲源定位系統(tǒng)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4]，對機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革與實(shí)踐[5]，對Android 手機(jī)控制球形機(jī)器人實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]，對結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的嵌入式實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行探索[7]，對基于機(jī)器人足球平臺的工程訓(xùn)練進(jìn)行研究等[8]。焊接機(jī)器人是一種實(shí)際應(yīng)用很普遍的工業(yè)機(jī)器人，焊接機(jī)器人技術(shù)涉及機(jī)械、電子、傳感技術(shù)、智能控制算法和程序設(shè)計(jì)等課程知識。本文將研究自主移動焊接機(jī)器人在自動化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1 自主移動焊接機(jī)器人的機(jī)械部分

圖1 焊接機(jī)器人機(jī)械部分

圖1 為焊接機(jī)器人的機(jī)械部分，圖1(a)為焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括輪式移動系統(tǒng)、十字滑塊系統(tǒng)、焊槍轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)電弧傳感焊槍及機(jī)器人外殼等。學(xué)生需針對焊接任務(wù)，利用機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等相關(guān)課程知識，對機(jī)器人的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。還要利用二維機(jī)械制圖軟件 CAD 及三維機(jī)械制圖軟件 CATIA 分別繪制機(jī)器人的二維圖及三維圖，如圖1(b)所示。使學(xué)生將機(jī)械設(shè)計(jì)制造相關(guān)課程的理論知識融入實(shí)際工程應(yīng)用中。

2 自主移動焊接機(jī)器人的硬件部分

如圖2 所示，焊接機(jī)器人系統(tǒng)的硬件部分主要包括焊縫跟蹤系統(tǒng)的硬件部分和焊接系統(tǒng)的硬件部分。焊縫跟蹤系統(tǒng)的硬件部分主要包括人機(jī)交互模塊、信號采集模塊、電弧轉(zhuǎn)速控制模塊和運(yùn)動控制模塊。人機(jī)交互模塊通過單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工作狀態(tài)顯示及機(jī)器人工作模式的輸入；信號采集模塊利用數(shù)據(jù)采集卡采集多種傳感器的輸出信號，主要包括焊接電流、滑塊位置信號、超聲波信號，并將采集到的信號通過PC104 總線輸入到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中；電弧轉(zhuǎn)速控制模塊對電弧轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，并實(shí)現(xiàn)起弧、熄弧控制；運(yùn)動控制模塊就是利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對輸入信號及采集到的傳感信號進(jìn)行處理，通過運(yùn)動控制卡及電機(jī)驅(qū)動器，控制各電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動。焊接系統(tǒng)的硬件部分主要包括焊接參數(shù)改變模塊及送絲速度調(diào)節(jié)模塊。通過自主移動焊接機(jī)器人硬件部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠使學(xué)生了解單片機(jī)技術(shù)、電機(jī)運(yùn)動控制技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)及電子線路 CAD 等課程的實(shí)際應(yīng)用，從而加深對這些課程理論知識的理解。

圖2 焊接機(jī)器人硬件部分

3 自主移動焊接機(jī)器人的傳感技術(shù)

自主移動焊接機(jī)器人需要利用多種傳感器采集反映機(jī)器人工作狀態(tài)的信號，這些傳感器包括霍爾電流傳感器、電弧轉(zhuǎn)速傳感器、旋轉(zhuǎn)電弧傳感器、超聲波傳感器和滑塊位置傳感器等。

3.1 霍爾電流傳感器

圖3 為霍爾電流傳感器實(shí)物圖及其工作原理示意圖。圖3(a)為霍爾電流傳感器實(shí)物圖，需要引出3 根線，分別是地線、+24 V 電源線及信號輸出線。圖3(b)為其工作原理示意圖，其中，d為霍爾器件的厚度，I為偏置電流，B為磁場強(qiáng)度，U為霍爾傳感器輸出的霍爾電壓。焊接纜線通過霍爾電流傳感器中的孔，并產(chǎn)生磁場，磁場強(qiáng)度大小與焊接電流大小成正比，將產(chǎn)生的磁場B垂直作用于霍爾傳感器中的霍爾器件上，根據(jù)霍爾效應(yīng)，感應(yīng)出霍爾電壓U，其值與通過纜線的焊接電流成正比，從而根據(jù)霍爾電壓U實(shí)現(xiàn)對焊接電流的測量。

圖3 霍爾電流傳感器實(shí)物圖及其工作原理示意圖

3.2 電弧轉(zhuǎn)速傳感器

圖4 為電弧轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)物圖及其工作原理示意圖。圖4(a)為電弧轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)物圖，共有3 根引線，分別為地線、+5 V 電源線及輸出電壓U引出線。圖4(b)為電弧轉(zhuǎn)速傳感器工作原理示意圖，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的凹槽轉(zhuǎn)動至光發(fā)射器與光接收器的連線上時(shí)，光接收器可以接收到光發(fā)射器發(fā)射出的光，使光接收器導(dǎo)通，使輸出電壓U輸出低電平；當(dāng)轉(zhuǎn)子上的凹槽未轉(zhuǎn)動至光發(fā)射器與光接收器的連線上時(shí)，光接收器沒有接收到光發(fā)射器發(fā)射出的光，光接收器未導(dǎo)通，使輸出電壓U輸出高電平。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一圈，輸出一次低電平，通過測量單位時(shí)間內(nèi)傳感器輸出低電平的次數(shù)，實(shí)現(xiàn)對電弧轉(zhuǎn)速的測量，為電弧轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制提供反饋信號，實(shí)現(xiàn)對電弧轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。

圖4 電弧轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)物圖及其工作原理示意圖

3.3 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器

圖5 為旋轉(zhuǎn)電弧傳感器實(shí)物圖及其工作原理示意圖。圖5(a)為實(shí)物圖，共有5 根引線，分別為用于給直流電機(jī)供電的+24 V 引線及地線、+5 V 引線、地線及電弧轉(zhuǎn)速信號輸出引線。

圖5 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器實(shí)物圖及其工作原理示意圖

圖 5(b)為旋轉(zhuǎn)電弧傳感器工作原理示意圖[9-11]，電弧從位置B逆時(shí)針轉(zhuǎn)動至位置C、位置D及位置E，使干伸長先變長，后變短，對應(yīng)焊接電流先變小，后變大。同理，當(dāng)電弧從位置E轉(zhuǎn)動至位置F，再至位置G、位置B時(shí)，干伸長先變長，后變短，使焊接電流先變小，后變大。通過分析曲線GBC對應(yīng)的焊接電流之和與曲線CDEFG對應(yīng)的焊接電流之和的關(guān)系，即可基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器實(shí)現(xiàn)對焊槍相對于角焊縫焊接偏差的識別。

3.4 超聲波傳感器

圖6 為超聲波傳感器的實(shí)物圖及其工作原理示意圖。圖6(a)為超聲波傳感器實(shí)物圖，共含有3 根引線，分別為+12 V 的電源線、地線及信號輸出線。圖6(b)為超聲波傳感器工作原理示意圖，超聲波傳感器輸出電壓的大小與傳感器前端離前方障礙物的距離成線性關(guān)系，通過建立輸出電壓與距離的數(shù)學(xué)模型[12]，可實(shí)現(xiàn)對超聲波傳感器與前方障礙物距離的測量。

圖6 超聲波傳感器實(shí)物圖及其工作原理示意圖

3.5 滑塊位置傳感器

圖7 為滑塊位置傳感器實(shí)物圖及其工作原理示意圖。圖7(a)為滑塊位置傳感器實(shí)物圖，其有3 根引出線，分別為+5 V 的電源線、地線及信號輸出線。圖7(b)為滑塊位置傳感器工作原理示意圖，滑塊位置傳感器固定于機(jī)器人本體上，金屬反射片固定于水平滑塊或垂直滑塊上，并隨著滑塊運(yùn)動而運(yùn)動，當(dāng)其運(yùn)動至滑塊位置傳感器的正前方時(shí)，滑塊位置傳感器輸出信號端輸出高電平，否則輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)對滑塊位置的檢測。

圖7 滑塊位置傳感器實(shí)物圖及其工作原理示意圖

通過焊接機(jī)器人傳感系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠使學(xué)生了解多種類型傳感器的用途、工作原理及使用方法。

4 程序設(shè)計(jì)

工具欄和菜單欄是對應(yīng)的，其中，工具欄包括焊縫跟蹤、手動控制、參數(shù)設(shè)置、歷史記錄和系統(tǒng)測試等?？梢酝ㄟ^左鍵單擊工具欄對應(yīng)的圖標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對不同模塊的測試。如左鍵單擊焊縫跟蹤圖標(biāo)后（見圖8），可選擇焊縫類型和焊絲類型，然后單擊開始按鈕；當(dāng)需要停止焊接時(shí)，單擊停止按鈕。單擊打開按鈕后，彈出的窗口用于設(shè)置間斷焊的參數(shù)。

圖8 焊縫跟蹤焊接操作界面

圖9 為機(jī)器人跟蹤焊接直角焊縫程序流程圖。當(dāng)機(jī)器人開始焊接時(shí)，基于多傳感器采集的信號，并通過濾波，識別出焊槍空間姿態(tài)的數(shù)學(xué)模型；利用偏差識別算法，識別出焊接偏差；采用智能控制技術(shù)，控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動；基于輪子、水平滑塊和垂直滑塊的協(xié)調(diào)運(yùn)動跟蹤焊接直角焊縫。使學(xué)生能夠利用MFC（microsoft foundation classes，微軟基礎(chǔ)類庫）編寫人機(jī)交互界面，使用C 語言和C++語言實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤控制算法。

圖9 機(jī)器人跟蹤焊接直角焊縫程序流程圖

5 結(jié)語

本文研制的自主移動焊接機(jī)器人，為自動化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的設(shè)備，使學(xué)生能夠利用其進(jìn)行與機(jī)械、電子、單片機(jī)、傳感技術(shù)和程序設(shè)計(jì)等自動化專業(yè)課程相關(guān)的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

利用自主移動焊接機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械部分、硬件部分、傳感技術(shù)及程序設(shè)計(jì)等，進(jìn)行了彎曲直角焊縫的跟蹤焊接。使學(xué)生不但掌握了機(jī)器人相關(guān)的理論知識，并通過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)問題、改進(jìn)理論，達(dá)到產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的目的，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

通過將生產(chǎn)、學(xué)習(xí)和研究過程相結(jié)合，使學(xué)習(xí)來源于生產(chǎn)，并最終服務(wù)于生產(chǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，提高學(xué)生的理論知識水平及工程實(shí)踐能力。