弧焊機器人控制系統設計與研究

摘 要：本文對工業弧焊機器人進行了論述，尤其是對其控制系統的內部與外部連接進行了詳細的描述，明確提出可以通過修改伺服放大器的參數來選擇使用伺服放大器的通訊功能，并對工業計算機和伺服放大器的數據傳輸與匹配功能進行了具體說明。

關鍵詞：弧焊；機器人；控制系統；伺服放大器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.027

1 弧焊機器人概述

工業機器人是現代制造技術發展的重要標志之一，今年來工業機器人的數量增長迅猛，這也加速了工業化進程，尤其是最近幾年在中國，現代工農業生產中正在應用的機器人有半數是焊接機器人。研究資料顯示，截止到目前為止已經出現了三代弧焊機器人，其中最新的第三代弧焊機器人是集多種傳感器于一身的高智能機器人，他在接受作業指令后能根據客觀環境自行編程，有些弧焊機器人還能適時調整程序以適應環境的改變，因此，人工智能化程度很高，現代工業生產和科研院所里面目前主要是這類機器人[1]。

目前，在工農業生產中尤其是汽車制造類企業和汽車零部件生產企業中的焊接機器人所占比重較高，這為工業生產注入了活力。在汽車制造類企業中主要是點焊機器人和弧焊機器人兩種，其中弧焊機器人占40%。最近幾年我國焊接機器人的研究也逐漸展開，特別是在大型厚鋼板的焊接機器人研究方面，上海寶鋼焊接中心開發的雙絲焊實驗設備已制造完畢并通過檢驗；新松公司開發生產的RH6弧焊機器人具有6個自由度，最大工作負荷6公斤，其先進的設計理念已達到國際一流水平[2]。

2 弧焊機器人的構造

一臺完整的弧焊機器人要包括機器人的機械手、控制系統、焊接裝置和焊件夾持裝置，其中的焊接裝置應包括焊槍、焊接電源和送絲機構，這是弧焊機器人必須具有的部分，也是弧焊機器人區別于其他機器人的特征，弧焊機器人必須配備弧焊電源。機械手多種多樣，正置關節式是比較常見的一種，它機構靈活、結構緊湊、空間利用率高、工作空間大并與焊槍固定，用來帶動焊槍運動。夾持裝置用來夾持焊件，有些弧焊機器人上面裝有旋轉工作臺，便于調整焊件位置。

現在工業應用的弧焊機器人通常有5個或6個自由度，焊接速度很高，點對點焊接速度可達60m/min以上，用于教學科研的弧焊機器人焊接速度相對較低，主要以演示和功能實現為主，可以通過示教和再現方式或者通過編程方式進行工作，可操作性很強 [3]。

3 弧焊機器人控制系統設計

3.1 控制系統與外圍設備的連接

弧焊機器人的控制系統不但要控制機械手的運動軌跡，設定運動方向，還要控制外圍設備的所有動作，包括信號傳輸，用來實現焊接設備的開啟、切斷以及安全防護。圖1是弧焊機器人與外部設備的信號連接圖。

弧焊機器人的控制系統與外部設備連接時，傳輸方式有很多種，但通信信號的形式只有數字信號和模擬信號兩種。其中控制柜與外圍設備用模擬信號聯系，外圍設備包括弧焊電源、送絲機構和變位器、夾具等操作裝置。數字信號用來控制設備的啟停、狀態檢測、動態監控，以及設備在使用過程中的故障報警和排除，同時還要保證設備的安全。

弧焊機器人的工作方式大多采用示教式，這跟第一臺弧焊機器人的研究初衷有很大關系，大多數弧焊機器人都有一個可以操作的示教盒，從始點開始，然后用按鍵的方式來確定焊接位置、運動方式（直線或圓弧）、焊槍擺動方式、角度以及各種焊接參數。同時還可利用示教盒控制外圍設備的運動速度等。利用示教盒還可實現焊接工藝操作，包括引弧、施焊、熄弧、填滿弧坑等。演示完成后，弧焊機器人的控制系統會把程序進行自動編輯，等程序生成后即可進行實際的焊接操作。

3.2 控制系統通訊功能的實現

弧焊機器人本體一般都有六個自由度，這是為了實現任意角度的焊接，因此，需要六個伺服電機和相匹配的伺服驅動器來實現，伺服放大器連接的工業計算機發出指令后，伺服放大器會接收到并發出應答信息來實現信號的傳輸和通訊，如果想伺服放大器連續讀取數據，那工業計算機必須重復不斷地發送指令。工業計算機在發送指令或數據的同時必須明確是傳遞給哪一個伺服放大器，這樣傳輸的數據只對指定的伺服放大器才有效，這樣就可以實現定點傳輸。當發送數據時，如果不指定是哪一個伺服放大器，即不提前對數據進行傳輸限定時，那么發送的數據對所有連接在總線上的伺服放大器都有效[4]。

4 結論

弧焊機器人在工業生產和教學科研中起著越來越重要的作用，而控制系統是弧焊機器人的核心與靈魂，我們對弧焊機器人的控制系統內部與外部連接進行了詳細的描述，明確提出可以通過修改伺服放大器的參數來選擇使用伺服放大器的通訊功能，并對工業計算機和伺服放大器的數據傳輸與匹配功能進行了具體說明。

參考文獻：

[1]王銳.焊接機器人控制系統研究分析[J].電子世界，2013（12）：105.

[2]張曉輝.焊接機器人控制系統的研究與設計[D].上海：東華大學，2009.

[3]邱葭菲.焊工工藝學[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2005：173-174.

[4]李永明，王健.焊接機器人控制系統的研究[J].儀表技術，2009（06）：31-33.

作者簡介：張國政，男，山東濰坊人，工學碩士，講師，主要研究方向：機械設計與焊接技術。