基于焊接機(jī)器人的自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李明琨

（廣西南寧技師學(xué)院，廣西 南寧 530031）

焊接技術(shù)是材料加工領(lǐng)域中一項(xiàng)重要的技術(shù)，是材料之間實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度連接的有效手段。經(jīng)過(guò)焊接后兩部分材料能夠永久結(jié)合，因此對(duì)于焊接過(guò)程的第一手工作質(zhì)量要求也比較高，后期的修復(fù)過(guò)程非常困難。焊接工人是一種普通的工種，但是掌握不同技藝和熟練程度的焊接工人所進(jìn)行的焊接過(guò)程有明顯的區(qū)別，具有豐富焊接經(jīng)驗(yàn)以及熟練焊接技能的工人在焊接過(guò)程中能夠平穩(wěn)施焊，得到相對(duì)穩(wěn)定的焊縫性能和均勻的焊縫結(jié)構(gòu)。然而，焊接機(jī)器人的出現(xiàn)逐漸使人們看到了手工焊接操作的弊端所在，大規(guī)模地使用焊接機(jī)器人能夠規(guī)避手工焊接不穩(wěn)定的問(wèn)題，對(duì)于焊接質(zhì)量的普遍提升具有重要的意義。除此之外，焊接實(shí)施過(guò)程中環(huán)境非常惡劣，危險(xiǎn)性比較高，工人因?yàn)楹附硬僮鲉?wèn)題發(fā)生人員受傷甚至死亡的事情屢見(jiàn)不鮮，焊接機(jī)器人的出現(xiàn)使焊接操作人員的工作環(huán)境徹底改變，安全系數(shù)得到了提高。焊接機(jī)器人是機(jī)械制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)化技術(shù)深度發(fā)展融合的產(chǎn)物，能夠替代絕大多數(shù)的焊接操作過(guò)程，是一種科技含量很高的現(xiàn)代化加工設(shè)備。由于焊接機(jī)器人的焊接參數(shù)設(shè)定后，其焊接工藝和焊接質(zhì)量就能夠得到保證，因此在焊接環(huán)境條件相同時(shí)，焊接機(jī)器人所獲得的焊縫質(zhì)量要比手工焊縫質(zhì)量普遍高很多，尤其是在一些需要進(jìn)行復(fù)雜軌跡焊接的情形時(shí)效果更加明顯。焊接機(jī)器人的產(chǎn)生和發(fā)展顯著提高了焊接生產(chǎn)的效率，解放了焊接工人的雙手，對(duì)制造技術(shù)以及材料加工技術(shù)的進(jìn)步起到了重要的作用。

1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體思想

焊接機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)眾多，是一個(gè)集成化程度很高的綜合性自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用機(jī)器人設(shè)計(jì)常用的模塊式設(shè)計(jì)思路。其中焊接機(jī)器人的主機(jī)是一個(gè)可以進(jìn)行操作處理的系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)處理的功能，需要完成的任務(wù)分為識(shí)別和控制兩個(gè)部分，識(shí)別部分是對(duì)焊接機(jī)器人所處焊接狀態(tài)下的各個(gè)位置和各種運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行識(shí)別，對(duì)機(jī)器人的控制部分實(shí)質(zhì)上是對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)進(jìn)行控制，主機(jī)需要根據(jù)機(jī)器人上各個(gè)傳感器和信號(hào)器獲得的信號(hào)進(jìn)行反饋。焊接機(jī)器人的主機(jī)作為整個(gè)機(jī)器人控制的中樞需要具備強(qiáng)大的信息處理能力，以實(shí)現(xiàn)其信息處理以及指令發(fā)送的功能，因此，高性能MCU處理器是焊接機(jī)器人主機(jī)的首選。除了主機(jī)外，還有一個(gè)主要的組成部分就是伺服控制系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)是一種下位控制，負(fù)責(zé)各種舵機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、位置的控制以及力矩選擇，焊接機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)的控制器件以DSP為核心，用高速的通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主機(jī)和伺服控制系統(tǒng)之間的互聯(lián)。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行焊接機(jī)器人硬件選擇時(shí)，首先要進(jìn)行控制芯片的選擇，對(duì)控制芯片進(jìn)行參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)該關(guān)注其加工性能、芯片核心處理器的運(yùn)算速度、芯片控制伺服系統(tǒng)的精確度以及芯片的功率消耗等。一般的芯片工作電壓都是3.3V，鑒于此，應(yīng)該選用與之額定電壓相匹配的外部輔助設(shè)備，如果工作電壓不同，則需要在硬件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)芯片和外部電路之間的有效互聯(lián)進(jìn)行轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。

焊接機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為電路電子DSP、一些特殊環(huán)節(jié)的硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以及對(duì)芯片電路和外部電路的保護(hù)設(shè)計(jì)等。DSP設(shè)計(jì)要為焊接機(jī)器人提供總線接口以及數(shù)字接口，要具有仿真電路、故障電路以及保護(hù)電路等功能。除此以外，電路電子DSP在設(shè)計(jì)時(shí)還要兼顧對(duì)電路的檢測(cè)以及對(duì)電路的抗干擾功能。

在焊接機(jī)器人的電路設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)是最為關(guān)鍵的步驟，作為電路核心設(shè)計(jì)，在焊接機(jī)器人的自動(dòng)化控制中起到了關(guān)鍵作用。焊接機(jī)器人需要進(jìn)行實(shí)時(shí)控制以完成精確的焊接過(guò)程，因此電路控制的實(shí)時(shí)性對(duì)時(shí)鐘電路來(lái)講意義非凡。時(shí)鐘電路的硬件設(shè)計(jì)選擇供電外部振蕩器，將時(shí)鐘電路的頻率設(shè)定為10MHz，采用低電壓的設(shè)計(jì)思路。根據(jù)盡可能簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)原則，DSP的時(shí)鐘輸入端和XTA1可以直接相連接，需要注意的是，在進(jìn)行振蕩器選配時(shí)，應(yīng)該尤其注意其電平數(shù)值，最佳的方案是選擇3.3V電平的振蕩器。如果選擇另一種5V電平的振蕩器進(jìn)行匹配，則應(yīng)該采用電平轉(zhuǎn)換器將5V的電平轉(zhuǎn)換為3.3V電平，以實(shí)現(xiàn)有源振蕩器和時(shí)鐘輸入端的可靠對(duì)接。而在實(shí)際的控制電路使用過(guò)程中，倍頻和分頻操作可以滿足不同電路模塊對(duì)電路頻率的接口需求。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人的焊接功能，除了以電路以及控制芯片為核心的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，軟件的設(shè)計(jì)也尤為重要。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常分為三個(gè)環(huán)節(jié)，即上層開發(fā)環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及底層控制程序。上層開發(fā)是為了給用戶一個(gè)測(cè)試控制器，方便實(shí)現(xiàn)控制要求的軟件平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)開發(fā)需要滿足控制器在復(fù)雜干擾的環(huán)境中可靠的工作，它的作用就是負(fù)責(zé)在不同網(wǎng)絡(luò)中的通信。對(duì)于底層開發(fā)的程序設(shè)計(jì)主要是針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)功能來(lái)考慮，一般采用的是C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編程開發(fā)，是整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)可以根據(jù)傳感器的狀態(tài)值實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)和電路電壓之間的自動(dòng)切換，另外就是，通過(guò)一定的算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置和速度的精確控制，并且不同模式之間可以自由地切換。軟件運(yùn)行過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種故障的檢測(cè)和診斷作業(yè)，包括CAN的通信故障、功率器件的過(guò)載故障和系統(tǒng)的運(yùn)行故障等。

本次DSP開發(fā)選用的是 TM32.LF2407開發(fā)系統(tǒng)，有高效的C編譯器，簡(jiǎn)化的匯編語(yǔ)言，是基于Windows系統(tǒng)的可視化調(diào)用接口，可以兼容不同的仿真接口，代碼工具箱采用CCS推出的軟件集成開發(fā)環(huán)境，利用CCS對(duì)程序進(jìn)行一些管理和編譯工作，主要是完善用戶的開發(fā)試驗(yàn)環(huán)境。

2 焊接機(jī)器人功能調(diào)試

焊接機(jī)器人的功能控制面板上布置了一個(gè)電源指示燈，能夠隨時(shí)顯示電源的供電情況。如果焊接機(jī)器人供電線路出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)該進(jìn)行電路檢查以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、排查疑點(diǎn)。如果供電良好，則應(yīng)該進(jìn)行焊接機(jī)器人供電極性的檢查，查看伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向情況。首先應(yīng)該對(duì)伺服電機(jī)施加小電流檢查運(yùn)動(dòng)的極性，而后再進(jìn)行大電流檢查，如果在極性檢測(cè)之初就施加大電流很容易使舵機(jī)運(yùn)動(dòng)至極限位置，受到機(jī)器人結(jié)構(gòu)的影響，舵機(jī)運(yùn)動(dòng)至極限位置時(shí)可能出現(xiàn)被機(jī)器人結(jié)構(gòu)所制動(dòng)的情況，此時(shí)舵機(jī)就很容易損壞。除極性檢查外，還要對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行關(guān)節(jié)活動(dòng)情況的檢查，各個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)該能根據(jù)預(yù)定的程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成預(yù)定程序要求的動(dòng)作。對(duì)基本軸的S軸進(jìn)行操作時(shí)，操作S+鍵焊接機(jī)器人的本體應(yīng)該能夠進(jìn)行向左旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，在操作S+鍵時(shí)，應(yīng)能夠向相反的方向運(yùn)動(dòng)。焊接機(jī)器人控制面板上的基本軸L軸控制機(jī)器人下臂的前后運(yùn)動(dòng)，當(dāng)操作L+鍵時(shí)，焊接機(jī)器人的下臂應(yīng)能夠向后運(yùn)動(dòng)，反之，當(dāng)操作L-鍵時(shí)，焊接機(jī)器人的下臂向前運(yùn)動(dòng)。對(duì)焊接機(jī)器人基本軸的U軸進(jìn)行操作時(shí)可以完成上臂的上下運(yùn)動(dòng)，同樣有兩個(gè)功能按鍵使上臂分別向上運(yùn)動(dòng)或者向下運(yùn)動(dòng)。對(duì)基本軸調(diào)試完成后，即對(duì)焊接機(jī)器人的腕部軸進(jìn)行調(diào)試，腕部軸分為R軸、T軸和B軸，分別完成機(jī)器人上臂帶手腕回轉(zhuǎn)、機(jī)器人手腕上下運(yùn)動(dòng)以及機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)的功能。每個(gè)腕部控制軸同樣布置兩個(gè)功能按鍵，一個(gè)是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)軸，另一個(gè)是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)軸，經(jīng)過(guò)上述調(diào)試后，焊接機(jī)器人的供電系統(tǒng)調(diào)試以及關(guān)節(jié)處軸運(yùn)動(dòng)調(diào)試完成。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的材料技術(shù)相比其他發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)講起步較晚，材料加工也是制約工業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)跨越式發(fā)展，高技術(shù)含量的焊接技術(shù)有了更廣泛的需求，焊接機(jī)器人正契合了這種時(shí)代背景，在機(jī)械加工以及零部件制造領(lǐng)域讓人們看到了誘人的應(yīng)用前景。在汽車的結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域以及汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中，焊接機(jī)器人已經(jīng)率先應(yīng)用于生產(chǎn)線中，這表明焊接機(jī)器人的產(chǎn)生和發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而采用機(jī)器人進(jìn)行焊接最重要的就是其自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)是制造和量產(chǎn)的靈魂所在。本文通過(guò)對(duì)焊接機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究得知，在進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮結(jié)構(gòu)性問(wèn)題以及整體性問(wèn)題，把機(jī)器人的控制系統(tǒng)從上到下分為幾個(gè)組成部分，再解決各個(gè)組成部分之間的溝通與互聯(lián)。對(duì)硬件的設(shè)計(jì)應(yīng)該注意硬件與硬件之間的通信接口是否一致，能否實(shí)現(xiàn)可靠通信。對(duì)軟件的設(shè)計(jì)核心是設(shè)計(jì)思路的制定，這對(duì)于焊接機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。