基于川崎機器人三維激光切割控制系統設計

劉園園 趙亞琴

摘要：本項目使用MicroChip公司的dspic33ep256mu806芯片，設計了一套基于川崎機器人Ethernet總線式三維激光切割控制系統，設計了激光控制的模擬量、PWM模塊、川崎機器人、水冷機、CCD，切割頭、調高器交互的Ethernet模塊，以及相應的IO模塊，基于C#的Winform設計了相應的HMI界面使操作工可以更加方便的操作，最終實時控制使之可以相互協同，完成三維激光切割作業。常規機器人激光切割大量用于薄汽車鈑金加工，而本項目的CCD模塊可以大大提升厚鈑金件的激光加工效率。

關鍵詞：dspic33ep256mu806;川崎機器人;總線式;三維激光切割;CCD

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2020）21-00-02

0 引言

相較于五軸激光切割機床設備，機器人激光切割設備價格便宜，而且靈活性和可操作性也優于五軸激光切割機床設備[1]。傳統的數控系統類設備[2]，學習成本要高于機器人操作的學習成本。三維激光切割機器人專門用于加工三維異形鈑金件，大量應用于汽車鈑金加工領域，由于是三維空間作業，科學技術含量高，相對于傳統的三維加工，激光切割的加工精度更高且具備較好的靈活性和柔性。

1 川崎機器人

川崎機器人在搬運、焊接、噴涂、打磨等行業有著相當的比重，早年川崎重工以高速高性能聞名世界[3]。本項目所選用的是川崎RS020通用機器人，川崎機器人提供ProfiNet、CC-LINK、Ethernet等總線接口方便用戶靈活控制和對機器人進行二次開發[4]，而且還提供功能強大的AS語言，這是一種完全開放式的語言，可編程性強，機器人相應的姿態、速度、加速度、精度等都可以自己定義變量，可以廣泛應用于各種需要自動作業的場合。

該機器人重復定位精度為±0.04mm，水平伸展距離為1725mm，垂直伸展距離為3078mm，最大速度為11500mm/s，負載為20KG，6軸自由度，速度與臂展可以滿足大部分激光三維鈑金加工的作業要求。

2 基于dspic33ep256mu806的嵌入式控制系統

2.1 dspic33ep256mu806

PIC單片機在工業界和汽車界早已家喻戶曉，它的RISC結構解決了早前馮諾依曼結構單片機的瓶頸問題后，更是以高效率、低功耗、高穩定性，大電流驅動及Flash技術特點，成為工業領域、汽車領域的佼佼者[5]。

DPS的優點在于，基于各種規模的集成電路，可以程序控制，也可模塊化控制，重復性好，計算同一序列的結果都不會有差異，而且穩定性強，且容易實現各種卷積算法，便于各種需要高速信號處理的場合。

DSPIC是Microchip公司在原來PIC單片機的基礎上加入DPS數字信號處理器的功能，基于這兩個功能可以完成各種各樣的實時數字處理，最終應用于電機控制、調制解調器、汽車電路產品、功能電路、工業控制等行業。

2.2 激光功率控制模塊

在鈑金件加工行業，光纖激光器則逐步代替效率低下的YAG激光器，成為金屬鈑金件加工行業的主流激光器[6]。

機器人三維激光切割使用的大部分是光纖激光器，該激光器的控制接口為0～10V模擬量接口，12V～24V的PWM占空比接口，控制導向光光閘和激光開啟關閉，以及反饋激光器故障的I/O口。本項目中，選用的MAX5231芯片，通過對單片機內部的SPI接口模塊編程，完成0～5V的DAC，再通過一個運放，反向放大電壓由0～5V到0～10V即可完成激光器0～10V的模擬量接口控制。選用UCC27321芯片，通過對單片機內部的PWM模塊編程，將PWM輸出口接到UCC27321的輸入口，使PWM的帶負載能力大大提升，可以滿足各種品牌激光器的負載需求。通過單片機的引腳和光耦相互連接，完成激光器導向光光閘和激光開啟關閉I/O口的功能實現。

2.3 Ethernet總線模塊

工業現場總線區別于傳統控制線路繁雜的情況，以數字化協議的方式來完成工業現場各種設備、零部件、分總成、控制裝置之間的控制，使之可以相互協作完成工業作業。在惡劣的工業環境中，現場總線的好處在于它的抗干擾能力、接線方便、通信可靠性高、穩定性好、可接入云端大數據等成為越來越多的工廠青睞的控制方式。

本項目中選用的是W5100芯片，這是一款嵌入式以太網控制器，擁有4個獨立的硬件SOCKETS，并且可以基于每個硬件SOCKET做獨立的TCP/IP開發應用，有著8KB的發送緩存區和接收緩存區，可以滿足中小項目的數據開發交互需求，減小單片機的開銷，同時支持SPI和并行總線接口，實時性好，應用于各種工業項目中。所以本項目選用此芯片，設計相應的外圍電路，完成與川崎機器人、CCD模塊、調高器控制系統、焦距控制系統的通信控制。

2.4 氣壓控制模塊

激光切割的過程中，被加工的鈑金件因為材料的不同可能發生熔化切割、汽化切割，那么在這個時候，保護氣體的選擇性就顯得尤其重要。例如，在面對不銹鋼鈑金件加工的時候，我們需要選擇高純度的氮氣作為保護氣體，在氮氣的保護下，不銹鋼鈑金件的斷面不會由于加工過程中的激光高熱量而導致氧化。但是在加工碳鋼鈑金件的時候，我們需要氧氣的助燃作用，使工件的加工速率提高，尤其是對于4mm厚度以上的碳鋼材料，氧氣氣壓控制更是決定了碳鋼材料加工后的斷面好壞。

本項目選用了高精度的比例閥控制模塊，控制接口為4～20ma的模擬量，選擇該電流模擬量的原因是抗干擾能力更好、傳輸距離遠。該模擬量和1～10公斤的氧氣成線性比例關系，選用MAX5231模塊和運放之后，在后面設計外圍轉換電路，將0～10V模擬量轉換為4～20ma模擬量，滿足碳鋼鈑金件的氣體控制需求。

2.5 調高器，焦距控制模塊

三維激光切割是一種高能量的切割，熱影響區小，但是單獨的激光焦點所聚集的能量較高，所以激光切割的過程對激光焦點的位置要求非常嚴格，而且在三維加工異形鈑金件的時候，由于工件大多數區域都是圓弧或者半圓弧形態，如果切割頭與板面的距離不能始終保持一致，那么將大大影響最終的切割效果[7]。

本項目中，選用了總線式電容式高度跟蹤系統，切割頭前面的金屬噴嘴與被加工鈑金件之間的距離產生的間隙電容，通過采集、放大、濾波、處理等外圍電路設計，轉化為切割頭與被加工鈑金件之間的距離，再通過PID算法，控制切割頭上方的電機和切割頭內部的激光聚焦鏡電機，然后動態地調整切割頭和鈑金件之間的距離和激光的焦點位置?；趀thernet的總線方式，可以保證調高器控制模塊和聚焦控制模塊的高實時性、高穩定性和抗干擾性，從而可以滿足高速激光切割的需求[8]。

2.6 CCD視覺模塊

目前，機器視覺與深度學習是人工智能迅猛發展的一個重要方向[9]。通過CMOS或者CCD等圖像攝取器，采集圖像信號，再轉變為數字信號，然后再進行圖像處理，獲得被采集目標的各種信息，如形態、坐標、亮度、顏色等，控制系統對采集來的信號進行各種卷積、池化來提取目標的相關特征值[10]，送入設備主控制系統進行處理，最終完成設備的控制。

本項目中選擇的CCD模塊是針對厚異形鈑金件進行加工的，目前厚板的加工使用的是分段穿孔和漸進穿孔的控制模式，由DSPIC主控制系統、調高器和焦距控制模塊協同完成。這樣穿孔的效率其實并不高，所以在此基礎上增加了CCD視覺模塊，實時監控穿孔的過程，只要激光一旦穿過厚鈑金件，CCD模塊通過計算后，立刻返回一個信號給DSPIC控制系統，通知DSPIC控制系統已經完成穿孔的工藝，可以進行切割，由此，大大提高了厚鈑金件加工效率。

3 基于C#的Winform人機交互界面

Winform是基于.NET Framework環境的開發技術，它含有窗體、控件、圖形平臺，可以在此基礎上設計，部署各種圖像，與傳統的Windows應用程序MFC相比，做了大量的封裝和保護，不會輕易出現類似指針內存泄漏的情況[11]，雖然在運行速度上和MFC相差了一個等級，但是在有嵌入式系統的實時運動控制裝置情況下，不需要太好的運行效率，簡單，好上手，可以快速開發各類工業控制的上位機HMI界面。

本項目使用Winform進行開發，該HMI涵蓋了與機器人的實時交互，與DSPIC控制系統的實時交互，基于Ethernet總線下的TCP/IP，完成了機器人的各軸示教模式下的點動、機器人的坐標顯示、機器人的關節角度顯示、手動設置激光器的功率大小、PWM的大小、調高器的高度設定、焦距的設定、輔助氣體的氣壓設定、激光器光閘開關、輔助氣體比例閥電磁閥的開關、CCD視覺模塊的反饋控制等，實現了各模塊的相互配合。

4 操作流程的實現

首先，操作工通過上位機HMI監測各種模塊的反饋信號，看是否存在警報。如果不存在警報，則開始設定激光器的功率大小，PWM的大小，設定調高器的高度，焦距，設定輔助氣體的氣壓，測試激光器光閘開關，輔助氣體比例閥電磁閥的開關是否存在故障，檢測光斑中心點位置是否正常，檢測CCD視覺模塊的反饋控制是否正常。

在各模塊都正常的情況下，根據加工鈑金件的厚度，材料，選擇不同的激光加工工藝，然后開始示教編程，完成各種LMOVE、C1MOVE、C2MOVE，并且指定相應的運動速度。在完成編程之后，將機器人由示教模式切換到循環模式，運行剛剛示教的程序。

在循環的過程中，如果存在切割頭沒有垂直于加工面，或者切割頭與工件相互干涉的情況，那么停下來，切換回示教模式，對問題點進行重新位置修正。在確認循環模式下沒有問題后，打開激光器的光閘總開關，進行最終的三維激光切割作業。

5 結語

隨著用人成本的逐步提高，通過機器人等自動化設備替換人工作業已是大勢所趨，未來重復密集性勞動必將被機器人完全取代。本文介紹了基于川崎機器人與DSPIC嵌入式控制系統的三維激光切割機器人的控制系統設計，通過不同的程序設定，可以滿足更多企業柔性化生產的要求，為企業降低大量的生產成本?；贓thernet的總線控制架構，不但通信速度快、抗干擾能力強、傳輸距離遠，還易于連接控制其他機器人作業線，如傳送帶上的碼垛機器人、噴涂機器人等生產模塊，以便減少生產周期。隨著越來越多用戶的個性化定制需求，該Ethernet總線式控制模塊可以直接接入互聯網系統，將所有監控的生產數據、控制數據等上傳到云端，實現更多的功能，使工業生產更加數據化和智能化，擁有更好的發展前景。

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[11] 望滿春，張煥兵.一種基于KUKA機器人控制的激光切割方法[J].機電技術，2018（02）：14-15.

作者簡介：劉園園（1994—），女，山東菏澤人，碩士在讀，研究方向：工業智能控制。

趙亞琴（1973—），女，山西忻州人，博士，教授，系本文通訊作者，研究方向：圖像處理、智能控制。