焊機配套工業機器人的接口技術

賀 掬，朱柏樹

（1.四川電子機械職業技術學院，四川綿陽621023；2.成都華遠電器設備有限公司，四川成都 610207）

0 前言

國外庫卡、ABB、發那科、安川等，國內新時達、廣數、新松和卡諾普等廠家都在致力于發展機器人或者機器人控制器，焊機更是比比皆是。由于工件的不一致性、作業現場的復雜性和自動化焊接的成本高等問題，使得人工焊接仍然是焊接行業的主流。國內除汽車制造行業普遍使用機器人焊接外，其他行業還是以人工為主，其原因是沒有將機器人焊接很好地應用到這些行業。因此，如何將機器人和焊接電源無縫銜接起來并應用到所需行業顯得格外重要。

1 概述

1.1 機器人焊接電源及其通訊

機器人焊接電源是專門為配套機器人而設計的焊接電源，是一種基于傳統焊接電源并具備機器人接口的焊接電源。機器人接口分為模擬通訊接口和數字通訊接口。傳統的模擬通訊接口一般含有以下幾類信號：（1）機器人控制焊機的開關量信號：啟動信號、送氣信號、送絲信號、退絲信號和開啟焊道搜索信號；（2）焊機反饋給機器人的開關量信號：焊機就緒、引弧成功、粘絲信號和焊道搜索檢測信號；（3）機器人控制焊機的模擬信號：電流（送絲速度）和電壓給定信號；（4）焊機反饋給機器人的模擬信號：電流（送絲速度）和電壓反饋信號。

模擬通訊的優點有：（1）通訊的實時性極強；（2）通訊的可靠性高；（3）安裝調試極為方便；（4）出現通訊故障檢修容易。模擬通訊主要的缺點是通訊連線多，幾根到幾十根，接線復雜，不便于長距離通訊和多個機站組網。模擬通訊是雙向的，如果焊機是模擬通訊接口，意味著機器人也得采用模擬通訊接口，或者通過中轉設備轉接。當下流行的數字通訊有現場總線和工業以太網，通訊信號除了上述的模擬通訊信號外，還包括諸多其他信號，例如：調取焊機的存儲通道號、讀取焊機的錯誤代碼和修正信號等。數字通訊彌補了模擬通訊連線多的缺點，通常只需4～6根組成的屏蔽電纜線即可[1]。

1.2 工業機器人及其通訊

工業機器人（Industrial Robot）是指工業生產中使用的機器人。日本在工業機器人的研究、生產和應用方面都居世界首位。以日本發那科機器人為例，針對國際主流焊機的數字通訊方式如表1所示。工業機器人應用在焊接行業通常配套的均為國外高端焊機，并配有相應的弧焊軟件包，價格昂貴，維護維修困難，機器人焊接系統的維護管理人員成本很高，極大地制約了焊接機器人走入國內中小企業。國內的焊機配套工業機器人，大多單獨使用模擬通訊方式或者通用的總線通訊方式（如Devicenet通訊），不管是模擬通訊方式還是通用總線通訊方式，在配套過程中，基本焊接功能容易實現，但是很難實現包括起止點尋位和焊縫跟蹤等全部功能。因此大部分國內焊機配套的機器人焊接系統都停留在演示和教學階段，很難投入到實際生產中。反之，機器人焊接得不到普及，無數焊工仍然處于惡劣的焊接環境中。

表1 發那科焊接機器人的數字通訊方式

1.3 起止點尋位

在焊接開始前，很多情況下，由于工件的擺放、夾持的誤差或者工件相互的點固誤差，需要尋找實際焊道的起止點位置，并補償被示教的機器人的路徑軌跡，達到校準焊接起止點的目的[2]。工業機器人普遍采用接觸傳感的方式來實現起止點尋位。

接觸傳感的基本工作過程為：機器人系統通過開啟焊道搜索信號使焊機進入焊道搜索狀態，此時焊機在焊接回路的正負極之間輸出一個電壓差，一般低于人體安全電壓，機器人拿持焊槍通過焊絲接觸工件，當焊接回路發生短路時，立刻給機器人一個接觸工件的反饋信號即焊道搜索檢測信號，機器人收到反饋信號后立刻停止，同時記憶該位置[2-3]。在示教時，接觸傳感器檢測出一個工件位置（基準位），再現時再檢測出一個工件位置，兩個位置相減，即計算出偏差量，根據偏差量，機器人計算出補償量，并將補償量反映在該點的執行位置上[4]。由于機器人快速運動地觸碰工件，因此焊道搜索檢測信號必須及時反饋到機器人控制中心并停止機器人動作，使得焊槍不撞到工件，才能得到準確的空間位置。所以焊道搜索檢測信號的實時性尤為重要，采取模擬獨立走線的通訊方式。

1.4 焊縫跟蹤

焊縫跟蹤是指通過傳感器來識別或者校準焊接路徑的辦法，使得焊接過程始終沿著實際的焊縫進行，傳感器是其重要的組成部分，一般采用接觸式傳感器、電弧傳感器、視覺傳感器和光電傳感器等來實現。通常把采用電弧傳感器來實現焊縫跟蹤的方法稱為電弧跟蹤，工業機器人焊接工作站主要采用視覺跟蹤和電弧跟蹤，由于焊接環境復雜多樣，電弧焊接本來就產生高強度的光和熱，使得視覺跟蹤難度大、可靠性低、成本高，而電弧跟蹤是較為廉價可行的焊縫跟蹤技術。

電弧跟蹤主要是在中厚板焊接中所使用的一種功能，該功能使流過焊絲和加工工件之間的電流值保持對機器人進行一定的補償。由此，加工工件被稍許偏離地設置時，在加工工件中出現偏差時，或者加工工件因熱應變而變形時，機器人會自動地對焊接路徑進行補償，進行適當的焊接。電弧傳感器的作用，以發那科R-30iB機器人為例：可以進行上下方向和左右方向的補償；只有在使用擺焊時，可以進行左右方向的補償，其中，只對正弦型擺焊有效；可以在直線和圓弧路徑中使用。

電弧傳感器是在焊接過程中實時采樣電流信號來實現電弧跟蹤，因此，焊縫跟蹤的準確程度與機器人得到的電流信號息息相關，對電流反饋通訊的實時性要求較高。

2 集成焊接系統

集成焊接系統主要由FAUNC R-30iB機器人、華遠焊機NB-350HD（ROB）、億伯特焊槍和倍福模塊等組成。如圖1所示，FAUNC機器人由機器人控制柜、機器人本體和連線等組成，華遠焊機由焊接電源、送絲機構和通訊電纜等組成，機器人接線盒由機器人IO接口插座、倍福模塊和轉接插座等組成。

圖1 集成焊接系統框圖

FAUNC R-30iB Mate機器人控制柜是整個集成焊接系統的控制中心，指揮機器人本體的焊接行走軌跡，并實時控制機器人焊接電源。CRW11輸出控制電纜（1號線）是與焊接電源進行模擬通訊的電纜，包括與焊接電源通訊的除電流電壓反饋信號外的所有信號線；DEVICENET總線（2號線）與機器人控制盒中的倍福模塊相連，倍福模塊將焊機反饋的電流電壓信號轉換為數字信號并以DEVICENET現場總線的方式與機器人進行通訊；通訊電纜（3號線）是焊接電源機器人接口的專用通訊電纜，包含與機器人通訊的所有信號線；防碰撞傳感器電纜（4號線）將防碰撞信號反饋給機器人以及輸出驅動防碰撞傳感器的驅動信號；前下面板6芯控制電纜（5號線）是焊機與送絲機構的通訊電纜，包含電機的驅動信號線、氣閥的控制信號線和點動送絲控制線；焊接電纜正極線（6號線）接送絲機構上的焊槍。

由于起止點尋位要求高實時性，選用了模擬通訊方法，通過發那科模擬接口板與焊機進行通訊；由于電弧跟蹤的實時性要求以及軟硬件的現實配置空間，選用了倍福模塊轉總線的方法實現，并讓最少的模擬信號通過倍福模塊轉接到機器人的DEVIECENET總線；由于使用的是發那科非指定的國內焊機，在軟件配置時通過此種混合通訊的方式與焊機通訊，達到并行不悖，不但實現了基本的焊接控制功能，而且實現了起止點尋位和電弧跟蹤功能。

混合通訊應用于在機器人與焊機的集成通訊，既采用了傳統的模擬通訊方式（盡可能多地將通訊信號納入到此種通訊方式中），也采用了流行的現場總線通訊方式（單獨將電弧跟蹤需要的電流反饋信號納入此種通訊方式中）。不但解決了多個信號實時性的要求，而且解決了國內焊機以全功能配套國際主流機器人軟件配置方面的問題。焊接功能齊備，滿足中厚板大多數復雜的焊接現場需求。

3 結論

介紹了一種如何利用焊機配套工業機器人的混合通訊方法，不但實現了焊機（以華遠焊機為例）配套機器人的普通焊接功能，而且實現了起止點尋位和焊縫跟蹤功能，使得整套焊接設備能很好運用于中厚板生產焊接中，對工件的加工、點固和夾持誤差和焊接過程中的熱變形均有良好的自校準功能。