基于網(wǎng)絡(luò)的焊接機器人控制

張文明1 魏心賢1 曹振鵬2

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

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

關(guān)鍵詞：機器人，智能焊接，PLC，現(xiàn)場總線

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

在焊接自動化生產(chǎn)線和數(shù)字化焊接車間中，機器人等相關(guān)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量多且位置分散，通常以生產(chǎn)線上的機器人工作站為單位，因此對多機器人工作站同時工作的控制技術(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 機器人軌跡控制

機器人各關(guān)節(jié)的運動最終都歸結(jié)為相應(yīng)各軸的AC伺服電機的轉(zhuǎn)動，工業(yè)機器人實現(xiàn)指定路徑的多軸協(xié)調(diào)控制問題，是機器人運動控制的關(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器人控制器需要完成的任務(wù)，經(jīng)過一級計算機的語言編譯后送入軸計算機進行運動算法處理，實現(xiàn)軌跡的生成和坐標(biāo)變換[1]。處理后生成的信號由變頻器完成三相驅(qū)動電流脈寬調(diào)制，進而協(xié)調(diào)控制各關(guān)節(jié)電機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)位于機器人腕部末端、直接執(zhí)行工作要求的操作器的工具中心點（TCP）按照要求的軌跡運動。機器人關(guān)節(jié)電機控制如圖1所示。工業(yè)機器人控制器大多采用二級計算機結(jié)構(gòu)，虛線框內(nèi)為第一級計算機.

1.1 一級計算機

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

圖1 機器人關(guān)節(jié)電機控制原理圖

機器人在示教狀態(tài)時，接受示教盒送來的各示教點位置、姿態(tài)信息、運動參數(shù)和工藝參數(shù)等信息，并通過計算把各示教點的關(guān)節(jié)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)值，存入計算機內(nèi)存。機器人在自動運行時，從內(nèi)存中逐點取出位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，按一定的時間節(jié)拍 ( 又稱采樣周期 )進行圓弧或直線插補運算，算出各插補點的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，然后把各插補點的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值逐點轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標(biāo)值，分送至各個關(guān)節(jié)。

1.2 二級計算機

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

二級計算機接收一級計算機送來的各關(guān)節(jié)下一步預(yù)達到位置和姿態(tài)等數(shù)據(jù)，對其進行均勻細分處理，以求運動軌跡更為平滑。然后，它將各關(guān)節(jié)的細步期望值逐點送給AC伺服電機，同時檢測光電碼盤信號，直到其準(zhǔn)確到位，并實時對AC伺服電機進行閉環(huán)控制。

隨著高性能微處理器(MCU)、數(shù)字信號處理器(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)動信號給伺服放大器，進而控制AC伺服電機按照給定的信號轉(zhuǎn)動，并經(jīng)過編碼器實時對速度進行控制。通常，CPU模塊還具備通過與不同類型的I/O模塊連接，實現(xiàn)與其他外部設(shè)備或機器人通信的作用。

2 機器人焊接控制

機器人的控制系統(tǒng)不僅要保證機器人的精確運動，而且要具有可擴充性，以控制周邊設(shè)備確保焊接工藝的實施。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，它不僅能夠根據(jù)計算機預(yù)定的焊接程序完成焊接參數(shù)輸入以及隨機器人運行軌跡實時性變化，而且能夠及時準(zhǔn)確地進行焊接系統(tǒng)故障自診斷，并實現(xiàn)與機器人控制計算機及示教盒的交互通信。

2.1 機器人外圍設(shè)備控制

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

機器人的控制系統(tǒng)與所有設(shè)備的通信信號有數(shù)字量信號和模擬量信號。用模擬信號聯(lián)系的有焊接電源、送絲機構(gòu)以及操作機 ( 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構(gòu)電源一般都需有光電隔離，控制系統(tǒng)對操作機電動機的伺服控制與對機器人伺服控制電動機的要求相仿，通常采用雙伺服環(huán)以確保工件焊縫到位精度與機器人到位精度相等。數(shù)字量信號則負(fù)責(zé)各設(shè)備的啟動、停止、安全以及狀態(tài)檢測。

2.2 焊接質(zhì)量智能控制

焊接工藝參數(shù)對焊接質(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)備不是一個獨立控制的個體，焊槍的運行速度和工作角分別由機器人的運動速度和關(guān)節(jié)姿態(tài)決定，焊接質(zhì)量必須由這些焊接參數(shù)的有機配合才能保證。因此，讓機器人運動控制與焊接參數(shù)規(guī)劃形成緊密耦合的統(tǒng)一整體，并對之進行聯(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。

焊接動態(tài)過程的實時信息反饋也是焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵，智能反饋主要指傳感器對焊接過程中的熔池尺寸、熔透、成形以及屯弧行為等參數(shù)進行在線檢測，從而實現(xiàn)焊接質(zhì)量的實時控制。視覺焊縫跟蹤和熔池狀態(tài)反饋是焊接機器人傳感系統(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，機器人焊縫跟蹤識別技術(shù)一般采用激光、結(jié)構(gòu)光等主動視覺的方法，對焊件進行特征提取，從而正確導(dǎo)引機器人焊槍終端沿實際焊縫完成期望的軌跡運動。由于焊接過程復(fù)雜的干擾因素、強烈非線性以及大量的不確定性因素的作用，對焊接過程可靠而實用的檢測一直是矚目的難題。從熔池動態(tài)變化和熔透特征檢測的角度看，目前計算機視覺技術(shù)、溫度場測量、熔池激勵振蕩、電弧傳感等方法用于實時控制的效果較好。

3 網(wǎng)絡(luò)控制焊接機器人

機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，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化則必須將所有的機器人連接成為網(wǎng)絡(luò)的形式進行統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)控制。PLC為控制核心，通過現(xiàn)場總線實時與焊接機器人、現(xiàn)場焊接設(shè)備通信，連接其他設(shè)備如人機界面(操作臺和上位機)、各個安全繼電器、安全設(shè)備終端(如激光掃描器、安全光柵、安全門等)，形成一個工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)，并針對網(wǎng)絡(luò)終端出現(xiàn)的問題，進行及時處理。這一網(wǎng)絡(luò)可以通過各種通信線路與上位計算機連接，以組成規(guī)模大、功能強、可靠性高的綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（如圖2所示），對機器人生產(chǎn)線進行監(jiān)控、診斷和管理[3]?，F(xiàn)場總線的終端模塊將采集的信號輸送到PLC中，PLC根據(jù)預(yù)先編制好的邏輯判斷程序，對接收到的信號做出相應(yīng)處理，并發(fā)送結(jié)果變量給各相關(guān)系統(tǒng)，實現(xiàn)有序而穩(wěn)定的連續(xù)工作。

圖2 焊接機器人網(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)成編程梯形圖和語句表的基本成分?；具壿嬁刂浦噶钔ǔＶ肝贿壿嬛噶?、定時器指令及計數(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，表達了系統(tǒng)中全部動作的相互關(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是實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是對所有數(shù)據(jù)進行采集、測量、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)送實時生產(chǎn)信息和設(shè)備狀態(tài)信息，供上層設(shè)備統(tǒng)計、診斷和顯示。

生產(chǎn)線上的PLC從站與機器人的控制分別編程，機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)通常需要多個機器人協(xié)調(diào)工作方可完成，這必須借助PLC控制程序?qū)λ袡C器人進行統(tǒng)一管理，協(xié)調(diào)控制。因此，PLC與機器人內(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，通過機器人控制計算機（一級計算機）上的網(wǎng)絡(luò)通信接口對機器人發(fā)送指令:通知機器人準(zhǔn)備焊接、機器人焊接、機器人停止焊接(出現(xiàn)故障)。機器人反饋給PLC指令：機器人焊接姿態(tài)、機器人運行狀態(tài)。PLC根據(jù)機器人反饋的信息進行下一步操作，也可以根據(jù)生產(chǎn)線變化對機器人的控制計算機（一級計算機）發(fā)出相應(yīng)的焊接生產(chǎn)程序調(diào)用信號以實現(xiàn)柔性生產(chǎn)。機器人內(nèi)置控制器計算機根據(jù)相應(yīng)程序?qū)斎胄盘栠M行處理，調(diào)用事先定義好的機器人作業(yè)程序模塊。新的作業(yè)程序重新進入軸計算機（二級計算機)完成機器人的新軌跡姿態(tài)生成，從而完成新的焊接作業(yè)任務(wù)。

3.2 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)

目前生產(chǎn)中運用的現(xiàn)場總線主要有：FF、Profibus、WorldFIP、ControlNet/DeviveNet、CAN等。現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點的數(shù)字通信技術(shù)，主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化設(shè)備、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信，以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(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現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，把分散的現(xiàn)場設(shè)備(智能化且?guī)в型ㄐ沤涌谌鏡S-485串行接口)與遠程監(jiān)控計算機連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實際需要的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS）。該系統(tǒng)既是一個開放的通信網(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)場總線把通用或?qū)Ｓ玫奈⑻幚砥髦萌雮鹘y(tǒng)的現(xiàn)場測量設(shè)備，使之現(xiàn)場就可完成本該由中央控制器完成的一些低級控制功能，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)，用于整個生產(chǎn)線的組網(wǎng)。第一層基于Internet的管理層和上位機廣域網(wǎng)，用于各部門的管理和信息的統(tǒng)計；第二層是基于以太網(wǎng)的上位機(工業(yè)計算機)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)場情況；第三層是基于現(xiàn)場總線的主控制器（PLC從站）和執(zhí)行單元（焊接機器人）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)場的各種設(shè)備（如I/O設(shè)備、傳感器、變送器、變頻與驅(qū)動等），進行實時現(xiàn)場控制、信號反饋等。

4 結(jié)語

焊接機器人的設(shè)計參數(shù)通常包括自由度個數(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，不僅要求焊槍運動軌跡與焊縫的準(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，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)焊縫的自動識別、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器人除了受自身控制系統(tǒng)的控制自主運行外，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)的遠程控制，以保證焊接機器人與生產(chǎn)線其他自動設(shè)備的同步運行。

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[作者簡介] 張文明，教授，碩士生導(dǎo)師，沈陽大學(xué)焊接實驗室主任，主要從事焊接自動化及其裝備研究。