基于ARM的機器人自動焊接控制系統(tǒng)

段錦程，石永華，俞國慶，梁 斌

(1.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州510640；2.海裝廣州局，廣東 廣州510000)

基于ARM的機器人自動焊接控制系統(tǒng)

段錦程1，石永華1，俞國慶2，梁 斌2

(1.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州510640；2.海裝廣州局，廣東 廣州510000)

立體曲線焊縫焊接時會產生較大的焊接變形，如以示教方式進行機器人焊接將導致焊接路徑的偏離，必須在焊接過程中進行實時糾偏。設計開發(fā)了一種焊接機器人控制系統(tǒng)，硬件以ARM9-S3C2440為核心，通過RS232與機器人進行通信，編寫了控制軟件，實現(xiàn)了焊接機器人的焊槍位置實時調整，有效應對了焊接熱變形的影響。既保證了焊槍沿著坡口中心運動，又保證了導電嘴到工件的距離(CTWD)，焊接工藝穩(wěn)定，焊縫質量較好。

機器人焊接；ARM；立體曲線焊縫；焊接變形

0 前言

目前商品化、實用化的機器人主要采用示教再現(xiàn)的工作模式，這類機器人在實現(xiàn)動作之前必須人工示教運動軌跡，然后將軌跡程序存儲在記憶裝置中。當機器人工作時，從記憶介質中讀取程序，按照預先示教好的路線和其他參數(shù)機械的重復動作。但是由于焊接是一個極其復雜的高溫、動態(tài)、瞬時過程，工件在焊接過程中不可避免地會產生焊接應力和變形。工件熱變形會使導電嘴偏移待焊坡口中心，也可能使導電嘴至工件的距離(CTWD)發(fā)生變化，從而影響焊接工藝的穩(wěn)定。工件的熱變形量受工件表面積和溫度等多方面參數(shù)的影響，在實踐中很難精確預測熱變形量。尤其是對于較長的待焊焊縫，如船舶和大型工程機械的某些待焊焊縫，工件的熱變形甚至導致焊接失敗，所以開發(fā)一套機器人運動的實時控制系統(tǒng)顯得尤為重要。工人可以在機器人焊接過程中實時控制機器人運動和行走速度，以糾正熱變形帶來的負面影響，一方面保證導電嘴始終沿著待焊坡口中心運動，另一方面也保證了CTWD為恒定值，從而確保立體曲線焊縫的焊接質量。

1 焊接機器人運動學分析

示教再現(xiàn)模式是首先預標定一系列的點形成一條軌跡路線，機器人可以不斷重復行走預定的軌跡路線。機器人軌跡如圖1所示，機器人具有工件坐標系T和未偏移之前的坐標系P，由于機器人只進行平移變換，所以T坐標系與P坐標系保持相同的姿態(tài)，設P齊次坐標為

圖1 P坐標系與T坐標系示意

由于T坐標系與P坐標系姿態(tài)相同，故T的齊次坐標為

即

通過改變式(2)中Δ y、Δ z值，使得機器人能夠相對預先標定的路徑進行偏移。機器人在運行過程中始終以前進方向作為工件坐標系的X方向，如圖2所示，Y方向上的偏移可以保證焊槍對準待焊坡口中心，Z方向的偏移可以保證CTWD距離。

圖2 待焊工件示意

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件結構設計

設計采用ARM7系列的S3C2440作為主控芯片，配備7寸液晶觸摸屏，采用RS232與機器人進行通信，系統(tǒng)穩(wěn)定運行在440 MHz。S3C2440 ARM處理器芯片基于ARM920T內核，最高主頻達530 MHz，芯片本身提供了比較完整的外圍設備，具有外部存儲控制器和片選邏輯、LCD控制器、三通道UART等外圍設備。硬件系統(tǒng)分為觸摸屏及液晶顯示模塊和串行接口模塊，如圖3所示。

(1)觸摸屏和液晶顯示模塊。采用群創(chuàng)AT070TN83 V.1的液晶屏模塊，40PIN接口與S3C2440相應引腳相連接。由于電阻式觸摸屏工作面與外界完全隔離，受環(huán)境影響較小，具有穩(wěn)定性高、不漂移的優(yōu)點，適合工業(yè)現(xiàn)場使用，考慮到焊接工況，故采用四線電阻式觸摸屏。液晶顯示部分采用較常用的7寸液晶顯示屏，分辨率800×480。

(2)串行接口模塊。本模塊主要通過RS-232串口實現(xiàn)與機器人的通信，采用MAX2323芯片作為RS-232接口的收發(fā)器。芯片功耗低，傳輸速率1Mbps。芯片的發(fā)送器和接收器包含16 B的FIFO和移位寄存器。要發(fā)送的數(shù)據(jù)首先被寫入FIFO，然后拷貝到發(fā)送移位寄存器，接著從數(shù)據(jù)輸出端口依次移位輸出。

2.2 界面和軟件設計

界面如圖4所示，分為A、B、C、D四個區(qū)域。A區(qū)為細調節(jié)區(qū)，當按下A區(qū)向左按鈕時，觸發(fā)觸摸屏中斷，單片機在中斷處理程序中采集ADCDAT數(shù)據(jù)后判定觸摸位置為A區(qū)向左按鈕的位置。然后向RS232發(fā)送控制左微調控制字符“AAA1N”。機器人定時查詢串口數(shù)據(jù)后執(zhí)行IF判定語句，IF receive_data＝AAA1N；offs_y＝offs_y+0.2，使變量off_y增加0.2，機器人通過Corrwrite指令講寫入偏差量off_y，使得式(2)中平移算子Trans(Δ x，Δ y，Δ z)中Δ y增加0.2，機器人工件坐標系T將沿Y方向偏移0.2的距離。

調用函數(shù)B區(qū)為數(shù)據(jù)顯示區(qū)，分別實時顯示機器人反饋的偏移量和速度信息。C區(qū)為粗調節(jié)區(qū)，可以使機器人在工件坐標系Y軸或者Z軸方向上偏移1 mm。D區(qū)為速度調節(jié)區(qū)，通過調節(jié)機器人手臂的行走速度來獲得較為平整的焊縫。

由于該控制器軟件規(guī)模比較小，故選擇前后臺軟件結構，中斷程序為前臺程序，顯示界面為后臺程序。主控芯片程序流程如圖5所示。觸摸屏中斷產生時，程序執(zhí)行ADC中斷，獲得寄存器ADCDAT中數(shù)據(jù)，判定觸摸點的位置，根據(jù)位置信息發(fā)送相應控制字符到RS232，中斷返回后顯示相關數(shù)值。

圖3 硬件電路

圖4 控制界面

2.3 與機器人的通信

采用RS232進行通信。單片機處理完觸摸屏中斷后，根據(jù)觸摸位置來發(fā)送相應的控制字符到RS232相應寄存器，機器人采用輪詢方式訪問相應串口，得到數(shù)據(jù)后調用IF指令判定數(shù)據(jù)，再去執(zhí)行相應操作。

2.4 ABB機器人程序流程

機器人程序采用RAPID語言編寫，采用指令ITIME使程序每0.6 s產生一次中斷，如圖6所示。機器人在中斷程序中獲取串口字符，再執(zhí)行相應操作。采用指令Corrwrite將偏差量寫入變量off_set中，焊接機器人根據(jù)偏差量相對于預訂軌跡進行偏移。定義變量speed_move，通過指令SpeedRefresh改變機器人行走速度。

圖5 控制系統(tǒng)程序流程

主要的RAPID編碼如下：

機器人中斷服務程序為：

添加

3 立體曲線焊縫焊接試驗

在圖7所示的焊接試樣中，由于焊接距離比較長，焊接過程的熱效應會導致工件坡口向右偏移f，通過調整機器人使其偏移f來彌補工件的偏移。如圖8b所示，當機器人從P1點移動到P2點的過程中，操作者在I點點擊了觸摸屏上的向右微調的按鈕，機器人向右移動偏移量f后平行于直線P1P2的方向移動到P3點。從而消除了工件變形對后續(xù)焊接的影響。同理，在運行過程中，操作者可以通過上下方向的按鈕來產生工件坐標系上Z方向上的偏移，保證焊槍相對工件的距離，從而保證穩(wěn)定的焊絲伸長量。

圖7 焊接試樣

4 結論

基于ARM的機器人控制系統(tǒng)實現(xiàn)了在焊接機器人示教再現(xiàn)模式下的位置實時調整，操作直觀簡單，通過控制機器人在工件坐標系上的Y軸和Z軸上的偏移，可以保證焊接電弧在坡口中心，并能夠保證導電嘴到工件的距離。通過改變曲線焊縫不同位置時機器人手臂行走速度從而保證焊縫的平滑，獲得了良好的立體曲線焊縫質量。

圖8 實際焊接結果

[1]汪家勝，鐘良文.數(shù)字化焊接電源的觸摸屏控制界面設計[J].電焊機，2010，40(10)：45-48.

[2]朱志強.焊接機器人示教系統(tǒng)開發(fā)及其圖像的示教新方法研究[D].杭州：浙江大學，2008.

[3]張正兵，李曉娜.機器人在焊接中的應用[J].電焊機，2008，38(6)：44-47.

[4]基于S3C2440處理器的打印模塊的設計[J].控制工程，2010，17(2)：252-256

[5]杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.

Study on the control system of automatic welding system based on ARM

DUAN Jin-cheng1，SHI Yong-hua1，YU Guo-qing2，LIANG Bin2
(1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Guangzhou Bureau，Equipment Department of China Navy，Guangzhou 510000，China)

Welding distortion emerges in three-dimensional seam welding.The teaching-playback robot can not correct the deviation real-timely by itself.Therefore，it is necessary to correct the deviation during welding process real-timely.Based on ARM9-S3C2440，by using RS-232 to communicate with welding robot，this control system can adjust the welding traveling path in real-time.It can control the position of the welding torch to get rid of the side effect of hot deformation.Using this control system,it is guaranteed that not only the welding torch moves along the seam center，but also that the contact tube to workpiece distance(CTWD)is equal.In welding experiments，it produces good welding quality.

robot welding；ARM；three dimensional seam；welding deformation

TG409

A

1001-2303(2011)07-0015-05

2011-05-13；

2011-06-30

海軍裝備部科研資助項目；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2009ZM0318)；國家自然科學基金資助項目(50705030)

段錦程(1986—)，男，湖南株州人，在讀碩士，主要從事焊接自動化、機器人控制的研究。