混聯(lián)機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)集成研究

趙慧慧，李志偉，王子德，高洪明，董吉義，胡 藍(lán)

1.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001

0 前言

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）技術(shù)是TWI發(fā)明的一種固相連接新方法，因其有效避免了熔化焊方式帶來的氣孔和裂紋等缺陷，且接頭力學(xué)性能高、焊后板材殘余應(yīng)力小、易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注，目前已在航空航天、船舶制造、軌道交通和電力電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。目前的FSW設(shè)備大多為銑床式攪拌摩擦焊機(jī)和攪拌摩擦焊專機(jī)，由于焊接設(shè)備的柔性限制，焊縫局限在二維平面焊縫上。對于空間曲線的攪拌摩擦焊接，一方面要求焊接系統(tǒng)具有高柔性和高剛度，可以焊接一定厚度的曲線焊縫；另一方面由于空間構(gòu)件的加工、裝配誤差以及設(shè)備剛度不足等原因，焊接過程中軸肩壓入量、焊具末端位置、焊具傾角等過程參數(shù)都會出現(xiàn)不同程度的變化，從而影響焊道質(zhì)量，需要對焊接過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并控制，保證過程參數(shù)的穩(wěn)定。

機(jī)器人FSW設(shè)備與攪拌摩擦焊接專機(jī)相比具有高柔性，可以實(shí)現(xiàn)空間軌跡的自動化焊接，呈現(xiàn)出更高的應(yīng)用潛力［3-4］。但是機(jī)器人FSW設(shè)備的承載能力和剛度較低，焊接過程中機(jī)器人的機(jī)械臂易產(chǎn)生屈服，使得機(jī)器人末端偏離設(shè)定位置，下壓量改變，焊具在側(cè)向也不能對準(zhǔn)焊縫中心，造成焊道表面有飛邊或溝槽、根部未焊透等缺陷，不能形成良好的接頭［5-6］。目前機(jī)器人FSW的焊接過程還未實(shí)現(xiàn)完全的控制［7-8］，其中，攪拌頭傾角主要通過焊接設(shè)備設(shè)定，設(shè)置方式屬于開環(huán)控制；軸肩下壓量主要根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，并在焊接過程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致焊接質(zhì)量很大程度上依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)［9-11］。

目前應(yīng)用的FSW機(jī)器人按機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為：串聯(lián)型FSW機(jī)器人和并聯(lián)型FSW機(jī)器人。串聯(lián)型機(jī)器人的剛度較小，一般適用于薄板的焊接。串聯(lián)型FSW機(jī)器人在點(diǎn)焊上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。常見的有KUKA的KR500-R3機(jī)器人和日本的FANUC機(jī)器人。最早的并聯(lián)型FSW機(jī)器人是Variax機(jī)器人，它由6個(gè)可變長度的支架支撐，主軸固定在6個(gè)支架組成的框架上。后來德國GKSS開發(fā)了并聯(lián)型重載機(jī)器人，該設(shè)備剛度高，但工作空間小，只能焊接小尺寸的零件［12］。因此開發(fā)高剛度、大工作空間的混聯(lián)FSW機(jī)器人系統(tǒng)很有必要。

攪拌摩擦焊串聯(lián)型機(jī)器人負(fù)載小、剛度低，只能焊接復(fù)雜構(gòu)件的薄板，生產(chǎn)能力受限。因此在保證機(jī)器人高柔性的同時(shí)，急需增加機(jī)器人的負(fù)載能力。為了提高機(jī)器人的負(fù)載能力，使得機(jī)器人能夠焊接厚度更大的板材，本文針對焊接空間曲線焊縫的五軸混聯(lián)型機(jī)器人開展機(jī)器人FSW控制系統(tǒng)研究，開發(fā)了中央控制單元及人機(jī)交互系統(tǒng)，對于提高焊接效率和接頭質(zhì)量具有顯著的實(shí)際意義。

1 機(jī)器人FSW系統(tǒng)組成

機(jī)器人FSW系統(tǒng)由機(jī)器人子系統(tǒng)、液壓主軸子系統(tǒng)、傳感與控制子系統(tǒng)和中央控制單元組成。中央控制單元以工控機(jī)為核心，通過易于開發(fā)和維護(hù)的組態(tài)王軟件開發(fā)人機(jī)界面，集成機(jī)器人子系統(tǒng)、傳感與控制子系統(tǒng)和液壓主軸子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控與保存回溯的目的。

機(jī)器人FSW控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為控制層、傳感層和執(zhí)行層三個(gè)層級，控制層包括中央控制單元的人機(jī)界面、液壓控制柜的PLC以及混聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動控制器，傳感層包括傳感與控制子系統(tǒng)的激光測距傳感器和電機(jī)編碼器，執(zhí)行層包括泵站電機(jī)、液壓主軸和機(jī)器人。

圖1 機(jī)器人FSW控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of robotic FSW system

1.1 機(jī)器人子系統(tǒng)

機(jī)器人子系統(tǒng)為Trimule800五軸混聯(lián)型機(jī)器人，由機(jī)器人運(yùn)動控制器、機(jī)器人本體、手持操作單元和變位機(jī)構(gòu)成，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。機(jī)器人本體由具有1T2R工作能力的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和二自由度A/C擺頭串聯(lián)而成，機(jī)器人具有三個(gè)平移自由度和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度［13］。機(jī)器人運(yùn)動過程中，C擺配合自轉(zhuǎn)，主軸固定在A擺上。機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加緊湊，剛度較串聯(lián)型更大，軸向方向可承載3 t、徑向方向可承載1.5 t的力。

表1 機(jī)器人技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of robot

機(jī)器人運(yùn)動控制器由CNC主控系統(tǒng)、I/O板卡、伺服驅(qū)動/電機(jī)、人機(jī)交互界面及CNC操作面板等核心功能模塊組成。其中，CNC主控系統(tǒng)采用嵌入式運(yùn)動控制平臺，人機(jī)交互界面采用QT軟件開發(fā)，機(jī)器人子系統(tǒng)內(nèi)的主機(jī)與從機(jī)之間采用以太網(wǎng)TCP/IP通訊方式。與變位機(jī)聯(lián)動控制可實(shí)現(xiàn)6自由度下對4～12 mm厚度高強(qiáng)度鋁合金構(gòu)件復(fù)雜空間曲線焊縫的攪拌摩擦焊接。建立機(jī)器人變形模型，通過伺服電機(jī)的扭矩反饋，在英威騰控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)末端變形補(bǔ)償功能。

1.2 液壓主軸子系統(tǒng)

液壓主軸子系統(tǒng)包括液壓主軸和控制柜，控制柜電機(jī)帶動馬達(dá)（油泵）旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)從油箱中吸油，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓油的壓力能，液壓油通過集成塊（或閥組合）由液壓閥實(shí)現(xiàn)了方向、壓力、流量調(diào)節(jié)后，經(jīng)外接管路傳輸?shù)揭簤簷C(jī)械的油缸或油馬達(dá)中，從而控制了液動機(jī)方向的變換、力量的大小及速度的快慢，推動液壓主軸做功。

為達(dá)到機(jī)器人攪拌摩擦焊工藝要求，液壓主軸的最高轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，主軸頭所承受的最大扭矩為120 N·m?？刂破鳛槲鏖T子的S7-SMART可編程邏輯控制器，控制執(zhí)行層液壓主軸的啟停、轉(zhuǎn)速設(shè)置、顯示、記錄等功能，CPU模塊標(biāo)配PROFINET接口，支持西門子S7協(xié)議、TCP/IP協(xié)議。

1.3 傳感與控制子系統(tǒng)

由于機(jī)器人運(yùn)動過程中C擺配合自轉(zhuǎn)，安裝在A擺上的焊具前端或后端用于檢測焊縫偏差或下壓量的現(xiàn)有傳感方式因C擺的旋轉(zhuǎn)而不再處于焊具前端或后端，使得傳感器失效而不能使用。針對該難點(diǎn)設(shè)計(jì)了激光環(huán)掃式傳感與自適應(yīng)控制系統(tǒng)，可以在線檢測攪拌頭傾角、焊縫偏差和軸肩壓入量，并實(shí)現(xiàn)恒傾角控制、恒下壓量控制和焊縫跟蹤。

傳感與控制子系統(tǒng)主要由激光測距傳感器、帶有編碼器的伺服電機(jī)、傳動裝置、導(dǎo)電滑環(huán)等組成，如圖2所示。檢測原理為：伺服電機(jī)以一定頻率驅(qū)動激光測距傳感器繞攪拌頭旋轉(zhuǎn)，獲取攪拌頭附近工件表面點(diǎn)（簡稱“檢測點(diǎn)”）的高度（簡稱h），激光測距傳感器的測量值通過導(dǎo)電滑環(huán)傳送；檢測點(diǎn)對應(yīng)的位置（簡稱n）通過脈沖采集裝置采集編碼器的脈沖信息獲得，通過檢測點(diǎn)高度h及檢測點(diǎn)位置n即可求得檢測點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)（x，y，z）；激光測距傳感器繞攪拌頭旋轉(zhuǎn)一周為一個(gè)檢測周期，對一個(gè)檢測周期內(nèi)的檢測點(diǎn)三維坐標(biāo)（簡稱“點(diǎn)云”）去噪、擬合、提取特征即可得到傾角、下壓量和焊縫偏差等信息。

圖2 傳感與控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of sensing control subsystem

激光測距傳感器為德國SICK公司的OD5000-C85T20單點(diǎn)式激光測距傳感器，檢測范圍85±20 mm，最大檢測頻率為80 kHz，重復(fù)精度0.1 μm。伺服電機(jī)為日本Panasonic公司的R2AA04010F電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。

2 機(jī)器人FSW系統(tǒng)集成

2.1 機(jī)器人FSW控制目標(biāo)

工件的加工裝配存在偏差，以及機(jī)械臂在大的過程力作用下產(chǎn)生變形，使得焊具末端與理想位置存在偏差。通過對FSW過程的在線檢測，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人FSW的焊縫跟蹤、恒位置控制、恒壓力控制以及恒傾角控制，得到高質(zhì)量的焊接接頭。

2.2 機(jī)器人FSW控制方案

為了完成機(jī)器人攪拌摩擦焊接過程，需要將上述各子系統(tǒng)集成到一起。針對該需求，本文開發(fā)了機(jī)器人攪拌摩擦焊中央控制單元，以便于協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人攪拌摩擦焊接過程。

中央控制單元由總控計(jì)算機(jī)、操作臺以及人機(jī)界面組成，通過方便操作的人機(jī)界面，集成機(jī)器人子系統(tǒng)、傳感與控制子系統(tǒng)和液壓主軸子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控與保存回溯的目的?；诮M態(tài)王軟件，結(jié)合工業(yè)數(shù)字化和信息化要求，開發(fā)出友好的人機(jī)操作界面，操作菜單包括工作模式設(shè)置、參數(shù)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警信息、訪問權(quán)限設(shè)置以及當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)和模式狀態(tài)欄，并進(jìn)行操作盒的適配。中央控制單元設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 中央控制單元設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig.3 Central control unit design architecture diagram

機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)集成框圖如圖4所示。中央控制單元與主軸子系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議通訊。在組態(tài)王軟件中定義主軸設(shè)備，選擇“西門子”—“S7-200（TCP）”，設(shè)置串口號為COM20，定義其設(shè)備地址為192.168.1.3：0（與液壓控制柜的PLC設(shè)備地址一致）。找到工控機(jī)系統(tǒng)中的以太網(wǎng)配置，將其IP地址和主軸PLC地址綁定在同一網(wǎng)段下。隨后在控制面板中找到“設(shè)置PG/PC接口（32位）”，將應(yīng)用程序訪問點(diǎn)和對應(yīng)的網(wǎng)卡匹配。組態(tài)軟件通過配置主軸IP地址和CPU槽號，利用已經(jīng)編寫好的TCP/IP通訊協(xié)議的動態(tài)鏈接庫，調(diào)用提前設(shè)置好本機(jī)的IP地址、CPU的IP地址以及多上位機(jī)參數(shù)的初始化配置文件（.ini文件），配置文件如圖5所示，即可實(shí)現(xiàn)通訊功能。中央控制單元與主軸子系統(tǒng)通訊成功后，通過調(diào)用PLC中的變量地址，即可實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置與讀取、電機(jī)啟動停止和馬達(dá)啟動停止等功能。

圖4 機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)集成框圖Fig.4 Integrated block diagram of robotic FSW system

圖5 組態(tài)王與主軸通訊的配置Fig.5 Configuration of KingView and spindle communication

傳感與控制子系統(tǒng)與機(jī)器人子系統(tǒng)之間建立通訊，通訊協(xié)議為TCP/IP。傳感與控制子系統(tǒng)為客戶端，機(jī)器人子系統(tǒng)為服務(wù)端。建立通訊后，傳感與控制子系統(tǒng)可實(shí)時(shí)讀取機(jī)器人的狀態(tài)、模式、焊具中心點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)控制機(jī)器人的運(yùn)行和暫停，并向機(jī)器人發(fā)送各個(gè)軸的調(diào)整量，控制焊具的移動，實(shí)現(xiàn)過程控制和焊縫跟蹤。

中央控制單元與傳感與控制子系統(tǒng)的通訊協(xié)議為Modbus RTU。在組態(tài)王6.60軟件中定義傳感與控制子系統(tǒng)設(shè)備，命名為“Modbus”。選擇“莫迪康”-“ModbusRTU”，設(shè)置串口號為COM11，定義其設(shè)備地址為1。組態(tài)王以定時(shí)查詢方式向傳感與控制子系統(tǒng)發(fā)送查詢指令，傳感與控制子系統(tǒng)收到組態(tài)王的查詢指令后，根據(jù)Modbus報(bào)文格式返回變量值。中央控制單元可通過傳感與控制子系統(tǒng)獲取機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)、模式、焊具中心點(diǎn)坐標(biāo)，并控制機(jī)器人的運(yùn)行和暫停。

3 人機(jī)界面開發(fā)

基于組態(tài)王軟件，開發(fā)了機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的中央控制單元人機(jī)交互界面。人機(jī)交互界面由登錄界面、工作模式設(shè)置界面、參數(shù)監(jiān)視界面、歷史數(shù)據(jù)界面、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表界面、報(bào)警信息界面組成，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)的采集、保存記錄以及焊接過程檢測控制等功能。

如圖6所示，在“工作模式設(shè)置”界面，界面的左下角為頁面切換菜單，界面的右下角展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，操作人員可選擇不同的控制模式，設(shè)置焊縫跟蹤模式啟用開關(guān)、恒下壓量控制啟用開關(guān)、恒傾角控制啟用開關(guān)，三個(gè)系統(tǒng)可以單獨(dú)開啟或同時(shí)開啟使用。

圖6 工作模式設(shè)置界面Fig.6 Working mode setting interface

手動模式下通過操作盒進(jìn)行人工控制，自動模式下通過傳感與控制子系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)自動控制?？梢钥刂埔簤褐鬏S的電機(jī)與馬達(dá)的啟停，設(shè)置相應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速。同時(shí)，可以實(shí)時(shí)顯示基本的焊接工藝參數(shù)值，包括攪拌頭壓力、下壓量、焊縫偏差、攪拌頭傾角、主軸轉(zhuǎn)速和焊接速度等。

數(shù)據(jù)監(jiān)視示意如圖7所示。在“參數(shù)監(jiān)視”界面，組態(tài)軟件通過調(diào)用驅(qū)動文件，中央控制單元將以一定的時(shí)間間隔為周期采集從傳感與控制子系統(tǒng)和液壓主軸子系統(tǒng)寄存器相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，并以折線圖的形式繪制在坐標(biāo)系中。

圖7 參數(shù)監(jiān)視界面Fig.7 Parameter monitoring interface

操作人員可以在頂層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化監(jiān)控、記錄存儲、導(dǎo)出曲線和數(shù)據(jù)，并可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求回看某一個(gè)或某幾個(gè)變量的數(shù)據(jù)圖形曲線。

圖8為混聯(lián)機(jī)器人焊接的曲面構(gòu)件的試驗(yàn)工裝及樣件，該樣件的接頭為正弦型空間曲線，通過設(shè)計(jì)的工裝保證構(gòu)件的上下面均為剛性約束。由焊道可知，焊接質(zhì)量良好。驗(yàn)證了混聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)具有焊接復(fù)雜空間焊縫的能力。

圖8 曲面構(gòu)件焊接工裝及樣件Fig.8 Welding tooling and samples of curved components

4 結(jié)論

（1）以工控機(jī)為核心，開發(fā)了機(jī)器人FSW中央控制單元，通過TCP/IP、Modbus RTU協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人、液壓主軸、傳感與控制等子系統(tǒng)的集成。

（2）利用組態(tài)王軟件，開發(fā)了機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)人機(jī)交互界面，具有登錄管理、焊接模式設(shè)置、設(shè)備狀態(tài)顯示等功能。

（3）利用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)焊接過程參數(shù)的記錄、顯示和存儲，可用于焊接過程數(shù)字化及焊接質(zhì)量追溯。