基于高速DSP技術的低成本智能焊接機器人設計與研究

盧紹慶

(中國船舶集團有限公司 七五〇試驗場，昆明 650216)

0 引言

隨著現代工業化發展，焊接技術在機械設備生產制造、危險性較大的核工業、航空航天技術、交通能源技術、化工石油及建筑領域、電子生產行業中的應用越來越廣泛，先進計算機設計/控制技術、應用電子技術、智能數控技術及無人機器人技術的發展為自動化無人焊接技術奠定了堅實基礎。

在工業生產中，經常需要用焊接工藝將金屬件、金屬板進行固定連接[1]，一般采用手工方式完成這種焊接工作，但是存在明顯的不足之處：(1)焊接質量依賴焊工技術水平及操作時的臨場發揮狀態，產品質量不穩定，操作人員勞動強度大，身體容易疲勞，勞累后易出錯，這直接影響到焊接產品的制造質量問題；(2)焊接環境一般比較惡劣，焊接過程會產生有毒氣體、物質及光輻射，對工人的身體健康造成明顯損害；(3)純手工操作，除產品焊接質量難以保證外，勞動安全生產事故率較高，而生產效率還比較低[2]。

針對目前存在的這些情況，資金流轉比較充裕的國內公司、企業普遍采取直接引進國外技術較先進的通用工業機器人解決問題；但是進口產品往往價格昂貴、現場維修困難、維護保養成本較高，而且國外廠家經常將常用功能設計為擴展功能配件，需要額外采購以提高附加值，這些配件甚至達到和機器人本體比擬的較高價格，這種行為是多數企業所無法承擔的。

因此集中力量，開發一種符合我國實際國情，針對專門焊接生產的工作任務，且設備精度適中，價格明顯便宜、易于維護保養、而焊接質量達到標準的智能化工業機器人勢在必行。

1 低成本焊接機器人結構

圖1所示為一種可以替代進口昂貴產品，基于現代高速DSP控制技術開發的低成本工業智能焊接機器人結構。

圖1 焊接機器人組成結構圖

低成本工業智能焊接機器人由支撐底座、機器人主豎軸、機器人大搖臂、機器人小搖臂、焊槍立軸、焊槍立軸外套軸、焊槍頭、齒輪組、電機組、編碼器組、機器人控制器等部分組成。

其中，焊接機器人支撐底座上設計有調整裝置，可以手動調節整個機器人水平位置，給機器人提供一個穩固的操作基礎。如圖1所示，支撐底座上設置有一個機器人主豎軸，作為機器人主體。在機器人主豎軸上設計安裝有一個可以圍繞主豎軸轉動的大搖臂(機器人主臂)，通過主臂可以控制機器人的活動范圍。

在機器人大搖臂的外端部位，通過鉸接方式，設計了一個機器人小搖臂，擴展機器人活動范圍，小搖臂可以圍繞大搖臂鉸接部位自由活動。在機器人小搖臂的外端部位，通過鉸接方式，設計了一個可以垂直運動的焊槍立軸，在焊槍立軸外面設計一個焊槍立軸外套軸，可以圍繞焊槍立軸做旋轉運動。在焊槍立軸外套軸的下端部位鉸接一個焊槍頭作為作業工裝[3]。

在機器人大搖臂、小搖臂，機器人立軸、立軸外套軸，以及焊槍頭的旋轉部位專門獨立安裝了一套電機驅動、檢測機構，包含驅動電機、減速齒輪以及傳感器組(編碼器及位置檢測傳感器)。機器人大搖臂和小搖臂的轉動動作，機器人立軸的升降運動，以及焊槍頭的擺動動作均通過相應的驅動電機及減速齒輪帶動運行，通過同軸安裝的編碼器及位置檢測傳感器對轉動角度或升降位移信號進行采集測量[4]。

在焊接機器人的上方位置，安裝一臺機器人控制器，內含機器人運動控制電路、機器人操作界面、手動控制按鈕等部分。通過電纜將各編碼器及位置檢測傳感器信號接入控制器，通過機器人控制器實時控制各驅動電機的轉動，最終帶動機器人大搖臂、小搖臂轉動，機器人立軸、立軸外套軸和焊槍頭的相應動作[5]。

智能焊接機器人的關鍵核心技術在于控制其動作的運動控制系統。

2 焊接機器人控制系統設計

為了能夠原位替代進口某型昂貴的專用焊接機器人系統，需要對原系統設備進行專門分析研究。由于國外技術封鎖，進口設備可供研究的資料很少，機器人大多數技術指標缺乏，只能從實機能夠達到的技術能力進行逆向研究，并參考說明書上簡要的描述進行分析。

對比進口智能焊接機器人，得到如下機器人技術參數數據，作為替代進口設備的參考技術指標。

2.1 機器人主要技術指標

機器人主要指標參數包括如下。

1)作業對象：平面焊接、簡單平面多曲線焊接、復雜三維空間焊接、復雜三維空間多工位多點、多部位、連續焊接；

2)示教學習能力：具備人工介入半自動示教學習，脫機自動運行能力；

3)焊接質量：超過熟練專業焊工水平；

4)供電電源：AC220V；

5)設備能耗：1.5 kW；

6)設備重量：小于178 kg；

7)設備尺寸：1 100 mm×980 mm×1 450 mm(長×寬×高)；

8)主要附件：觸摸式控制面板、手持操作器、標準焊機安裝工裝；

9)焊接工裝：標準焊機(AC220V供電、RS485通信接口控制)。

2.2 機器人控制系統組成

智能焊接機器人的核心控制系統組成如圖2所示，控制系統采用基于現代DSP(數字信號處理器)技術架構為核心構建運動控制器，主要由DSP運動控制器、步進電機驅動器、步進電機、手持操作器、編碼器、電源等組成。

圖2 焊接機器人控制系統組成

從技術角度而言，智能焊接機器人實際上是一個多自由度(多關節)運動控制的機器人，其機器人大搖臂、小搖臂，機器人立軸，以及可以旋轉運動的焊槍均為單個可以獨立運動的關節，構成了四自由度運動機器人模型。

其中DSP運動控制器為焊接機器人系統的控制核心，主要完成機器人多自由度(多關節)運動控制數學建模，根據各編碼器測量得到的各個關節手臂的運動角度，解算得到最末關節處連接的焊槍的絕對坐標位置，并根據系統設置的運動控制模式(直線運動或圓弧運動)，進行直線插補計算或圓弧插補運算，得到下一個機器人各關節的目的運動軌跡點，再解算出各個關節手臂的目標運動角度，并將控制指令發送到驅動各個關節的步進電機驅動器，驅動對應的步進電機進行旋轉動作，從而完成一次各關節運動控制動作。

機器人控制系統采用增量式編碼器測量焊接機器人各個關節的實際位置，并使用對射式光電傳感器測量各關節的物理零點位置，供機器人上電時執行自動“回零位”操作，建立角位移測量系統。

控制系統擴展兩路RS485通訊鏈路，一路連接手持操作器，用于操作人員進行機器人手動控制及示教操作。另一路用于連接智能焊機，進行聯動控制。焊接機器人各運動手臂使用步進電機進行驅動控制，根據實際安裝位置，依次分為X軸、Y軸、Z軸、A軸、焊槍手腕共五軸聯動。

3 焊接機器人運動控制器

焊接機器人運動控制器是整個焊接機器人系統的中樞神經大腦，主要由計算機硬件、計算機軟件和專門設計的電路組成。其中計算機硬件為計算機軟件系統提供運行平臺[6]，計算機軟件的控制功能通過硬件平臺去實現。焊接機器人控制器的應用軟件由操作系統軟件和用戶應用軟件組成，整個應用軟件包括了焊接機器人專用語言(G代碼)翻譯解析、機器人運動學解算、動力學計算、焊接系統硬件控制、機器人系統自診斷、自保護等功能。

考慮到機器人控制系統需要進行大量運動學和動力學實時數學運算，因此焊接機器人運動控制器采用現代DSP(數字信號處理器)技術構建控制系統。焊接機器人運動控制器主要由DSP(數字信號處理器)、RS485通訊擴展電路、并行輸入擴展電路、增量式編碼器擴展電路、并行輸出擴展電路、步進電機控制差分輸出擴展電路、存儲器電路、電源變換電路及設備外殼等組成(如圖3所示為DSP控制系統組成)。

圖3 DSP控制系統組成

其中，DSP(數字信號處理器)選用美國TI公司高性能、高速度TMS320VC33型浮點型DSP作為主控制器，TMS320VC33是美國TI公司推出的TMS320系列第三代數字信號處理器，作為C32系列DSP的升級產品，TMS320VC33 基于32位浮點運算單元，采用LQFP-144引腳封裝，在國內外目前使用較廣泛的浮點型DSP芯片，設計人員易上手，最快單指令周期執行時間為13 ns，CPU具備定點數運算75 MIPS、浮點數運算150 MFLOPS的處理能力[7]。

VC33型DSP芯片功耗較低，一般情況下不到200 mW，其I/O接口供電為3.3 V電平范圍，CPU內核為1.8 V電壓。芯片內部將程序總線、地址總線、DMA(直接存儲器訪問)總線分開設計，允許CPU同時執行讀取程序指令代碼、數據讀寫、DMA等并行操作；其指令代碼和數據的位字長為32位，CPU地址操作線有24條(bit0-bit23)，全部可以尋址地址空間為16 M×32位=64 M字節；程序空間、數據控制、I/O空間都包含在這16 M×32位的地址空間內統一編址訪問。

如圖3所示，DSP運動控制器使用外部10 MHz有源晶振產生DSP外部時鐘信號FOSC，通過DSP片內PLL鎖相環倍頻[8]，產生速度達到150 MHz的系統時鐘SYSCLK，供DSP內核系統及外部擴展設備使用，DSP核心電路如圖4所示。

圖4 DSP核心電路圖

DSP外部擴展兩片高速大容量SRAM存儲器ISSI6416陣列(容量64 k×16位×2=256 k字節)，用于高速數據緩存及程序緩存，并擴展1 M字節SAMSUN公司NAND FLASH陣列作為程序存儲器及參數數據存儲用。DSP上電復位后，先執行BOOT功能，將軟件代碼從片外NAND FLASH中載入高速SRAM存儲器中，然后指令指針轉到片外高速SRAM中高速運行指令代碼[9]。

控制器擴展了兩通道隔離RS485串行通訊接口，用于連接智能焊機和手持操作器。擴展了隔離五通道增量式光電編碼器計數接口，用于連接焊接機器人各個關節上同步運行的編碼器，實時測量各關節的轉動角度。

運動控制器擴展了16路并行DC24V輸入接口，連接機器人各關節安裝的機械零位傳感器，用于測量機器人關節的物理零位位置；接入人機操作按鈕、開關、急停保護按鈕等輸入指令。運動控制器擴展了16路并行DC24V輸出接口，用于驅動機器人手臂上安裝的電磁離合器、指示燈及控制焊機動作。

為了提高整個機器人控制系統的抗干擾能力，運動控制器專門擴展了多通道高速差分輸出接口，控制器與步進電機驅動器之間采用高速差分信號傳輸控制指令，對步進電機進行實時控制。

4 機器人驅動機構

機械手是焊接機器人系統的執行機構，主要由驅動器、傳動機構、機器人臂關節和各種內部傳感器等組成。其任務是精確地保證安裝于機械手末端的操作機構的準確位置，以及機構的姿態，并按照要求進行運動控制[10]；焊接機器人的機械手在組成結構上具有4個及以上可自由編程的運動自由關節(第五個為半自由運動關節)，在控制邏輯上可以分為主關節和次關節兩個控制層次，將不同數目和不同層次的控制關節進行組合，就決定了焊接機器人工作的運動空間。

焊接機器人通常使用電氣驅動、液壓驅動或者氣壓驅動作為主要驅動方式，基于設計、加工、維護等方面的原因，目前采用電氣驅動的機器人越來越多。焊接機器人的運動實際上是各個關節之間的運動，這主要是靠驅動電機來驅動對應關節運動動作來實現。

電動機是焊接機器人驅動系統中的主要執行元器件，通常采用伺服電動機、步進電動機或者無刷電動機作為動力源。考慮到系統成本及所需快速性、慣性、精確度等諸多要求，此處采用以直流24 V電源供電的步進電動機作為焊接機器人的驅動機構，通過擴展減速比為1：20的諧波減速器，可以放大步進電機輸出扭矩至20倍，增大電機帶載能力，而且諧波減速器運行平穩，力矩傳遞均勻，有利于機器人關節的定位和精確控制。

步進電機使用專用驅動器進行驅動，其控制信號較簡單，主要包括方向控制DIR指令、脈沖PULSE指令、使能EN指令。其中，DIR指令控制電機轉動方向，PULSE指令控制電機步進旋轉，使能EN指令可起到“電剎車”效果。

為了提高機器人手臂驅動定位精度，此處采用了步進電機“細分驅動”技術，將每個步進電機控制脈沖細分到原輸出步距角的1/1 000，從而大大提高了機器人手臂運動平穩性和定位精度，在焊接機器人運動控制器輸出的指令控制下，快速準確地運動到需要的目標位置。

5 機器人位姿檢測傳感器

焊接機器人運動學和動力學解算的基礎是高精度位姿檢測傳感器，傳感器的精確度直接決定了焊接機器人最終能達到的定位控制精度，此處使用了與步進電機同軸安裝的數字式增量光-電編碼器對機器人手臂位置進行聯動檢測。

增量式光-電編碼器是一種通過光-電轉換技術，將待測物體輸出軸上同軸的機械幾何角度位移量，同步轉換成脈沖式數字量的傳感器。增量式光-電編碼器一般由光柵盤和光電檢測轉換裝置構成，通過在圓板上等分等間距開通固定數目的長方形孔制成光柵盤。將電動機輸出軸與光柵碼盤同軸安裝，當電動機旋轉時，電動機與光柵碼盤同步同速旋轉，采用光-電發光二極管等電子元件組成光-電檢測裝置，檢測輸出對應光柵碼盤的一序列脈沖信號[11](如圖5所示)，再計算單位時間內光-電編碼器輸出的脈沖個數，就能計算得到當前電動機的旋轉位置和旋轉速度[12]。

圖5 增量式光電編碼器輸出波形

如圖5所示為光電編碼器輸出脈沖信號，光電編碼器輸出脈沖為兩路相位相差90°的正交脈沖序列A及B。其中A、B正交脈沖在一個信號周期內具有4種狀態變化，用二進制表示為“00-01-10-11”。在電動機正方向旋轉時，A、B兩相正交脈沖會按照“00-10-01-00”狀態規律進行變化；而在電動機反方向旋轉時，A、B兩相正交脈沖按照“00-01-10-00”狀態規律進行變化；因此通過判斷信號A及B的相位之間的關系，就可以方便地得到電動機的實際旋轉運行方向[13]，為判斷步進電機的旋轉方向提供了便利。

此處選擇的光電編碼器為日本OMRON公司DC24V直流供電分辨率為1 000P/圈的增量式脈沖編碼器，每旋轉一圈(360°)總共可以輸出1 000個脈沖[14]，相當于脈沖分辨率為：

S=360°÷1 000=0.36°(度/脈沖)

(1)

式中，S為分辨率。

對于精度要求較高的焊接機器人運動學和動力學模型解算而言，這樣的精度明顯達不到要求。

因此，需要想辦法將脈沖分辨率提高才行，如果重新采購分辨率達到4 096P/圈的編碼器，則導致硬件采購成本明顯增加，不利于“低成本”化設計的要求。此處在光電脈沖編碼器輸出至焊接機器人運動控制器之前，專門設計了一個“四倍頻”電路，可以將編碼器分辨精度直接提高四倍，達到：

S=0.36°÷4=0.09°(度/脈沖)

(2)

再結合減速機減速比為1：20的放大效果，最終達到：

S=0.09°÷20=0.0045°(度/脈沖)

(3)

采用此硬件電路設計，可以將普通低成本傳感器的精度級別提高到較高分辨率，既降低了硬件成本，又為焊接機器人以較高精度進行位置檢測及控制打下堅實的基礎。

6 機器人手持操作器

如何規劃焊接機器人的軌跡是工業機器人控制領域的一個關鍵問題，在工業生產中應用的工業機器人一般采用示教或者離線編程的方式，對加工任務進行路徑規劃和運動編程[15]。

遠距離操作器是焊接機器人的擴展附加部分(可選件)，作為焊接機器人的便攜式“示教編程器”，可以方便操作人員在較遠距離對焊接機器人進行系統性的操作和控制，主要包括焊接機器人遠程控制、遠程示教編程、遠程規劃下達工作任務等功能。

焊接機器人控制系統手持操作器采用普通八位單片機進行設計，主要由MCS8051系列單片機、點陣液晶顯示器、矩陣鍵盤擴展接口、矩陣鍵盤、大容量顯示緩存存儲器、隔離RS485通訊擴展接口、電源變換電路及外殼等組成。

手持操作器外形為一個塑料盒，盒面上安裝一臺多行字符點陣式液晶顯示器，用于作為人機交互顯示接口，將焊接機器人控制系統內部信息顯示給操作人員。操作器面板上設置48個按鍵，用于人工輸入指令、參數及數據。

7 實驗結果與分析

按照設計要求，生產了三套焊接機器人進行系統測試。為了最大程度地降低風險，保證試驗設備的安全性，本課題的試驗分為3個階段，第一階段是搭建兩軸的試驗平臺，完成一些功能驗證和程序的調試；第二階段是在第一階段成功完成后，將控制系統轉移到真實的帶電作業機器人上進行試驗；第三階段將本設備與某型進口設備進行實機安裝對比測試驗證。

實際使用過程中，焊接機器人主要采用“示教學習-編程再現”的方式進行作業，首先，“示教學習”就是事先由操作人員教會焊接機器人示教信息，機器人將示教學習得到的信息進行存儲。“示教學習”結束，焊接機器人切換到自主操控狀態，“編程再現”是焊接機器人按照示教學習時期掌握的的工作方式、工作路徑、作業動作進行工作[16]，即焊接機器人的全部自主動作是按照“示教學習-存儲記憶-編程再現”的順序來自動進行，無需人工干預。具體辦法是操作員通過操作“手持操作器”鍵盤操作演示示教動作流程，使機器人各手臂運動到預定位置，然后再記錄存儲該位置信息，并預先指定這一過程中的工作任務等動作信息。

這里設計的焊接機器人采用了獨立研發關鍵技術，主要由面向對象(機器人)的機器人路徑規劃、機器人自學習、自編程技術。整個技術以多個焊接參考特征點作為“示教學習”的基礎點，在選取參考特征點時，不需要通過操作人員在“手持操作器”上手動按鍵發出指令以移動機械臂，而是由人工直接將機械臂拉動到所需要的位置，或者沿焊接工藝需要的焊縫按照順序移動到焊縫的終點，然后操作一個功能按鍵[17]，“告知”機器人控制器錄入該相關坐標點參數、采集位置信號即可完成人工“示教學習”操作。

采用基于DSP技術的國產化智能焊接機器人系統單機裝配調試結束后，除了需要將機器人接入真實作業環境進行適應性測試，完善所有功能，排除系統故障，消除設計缺陷外；作為全國產化進口原位替代設備，還需要與進口設備進行對比測試驗證，按照設計說明書逐項比對，確認國產設備與進口設備間的差異及優勢。因此，從以下幾方面進行測試：作業能力(即機器人能干什么)、作業準備的復雜程度(即需要準備什么)、焊接過程的示教學習智能程度(即怎么教會機器人干什么)、焊接質量、能耗、所需人工工時、操作難易程度、系統購置成本、系統可靠性、系統維護性、備品備件采購難易程度等。

對比驗證過程嚴格按照相同測試條件、相同工作內容進行，安排同一個熟練操作人員對兩臺套機器人設備進行測試，測試內容包括：使用機器人對常用焊接對象，進行多板件多工位拼接搭焊，對一臺汽車發動機外殼進行復雜曲面連續不間斷焊接，對農用載重車輛駕駛室外殼進行多點、多部位、連續生產線空間點焊。焊接前由操作人員使用手持“示教編程器”對機器人進行“示教學習”，編程錄入各部位焊接工藝；脫機后，由機器人自動對測試對象進行全自動焊接；最后，由工藝師對焊接質量進行檢驗，達到焊接質量要求為合格，達不到為不合格，明顯超過為優良，最終統計得出驗證結果。對比驗證結果如表1所示。

表1 國產低成本設備與進口設備對比測試

對比測試數據表明，使用國產化設備，在幾秒鐘內就可以完成單點示教操作動作，當需要錄入一段非規則的連續復雜焊接曲線時，這種操作效率往往更高。經過實際操作測試，基本上能達到1秒/點的操作速度，在通用型六臂(六自由度)機器人上這種速度是不可能實現的[18]，與進口某型六臂機器人做對比，進口機器人需要使用各種按鍵來不停地調整控制機械臂，才能運行到所要求的目標位置；某些情況下，甚至需要10個以上按鍵連續操作才能控制機械臂到達指定位置[19]。錄入一個關鍵特征點需要如此耗時及復雜，在焊接行業常見到的連續多焊接點、多復雜曲面作業時，這種效率方面的差異性將更加明顯。

從表1可以看出，進口設備在復雜焊接作業、生產線復雜焊接能力、系統可靠性方面，焊接質量優良，焊接作業能力有優勢。但是，進口設備存在價格昂貴、備品備件采購周期長、故障后設備維修困難、維護成本高、全英文對操作人員要求較高等問題，而全國產化替代設備針對國人設計，操作符合中國人習慣，購置成本低，備品備件易采購，故障后售后維護及時，技術支持方便。

通過實際試驗，此焊接機器人控制系統在“示教學習”模式時，能完成各指定特征參考點的設置及記錄；在焊接作業“編程再現”模式時，能夠通過運動控制器進行實時自動調整，能抵抗工業干擾，精確地定位到所需的特征參考焊接點位上，通過將連續軌跡連貫“再現”，能夠將事先由人工“示教”的復雜焊縫及焊點精確復現，大大提高了焊接質量，減少了人工出錯的幾率，降低了工人勞動強度，在滿足焊接質量的前提下，易于大批量采購，擴大生產規模，提高勞動生產率[20]。

8 結束語

此智能焊接機器人采用人工引導方式，拉動焊槍沿所需焊縫特征參考位置移動，DSP運動控制器通過安裝于焊槍末端的信號采集窗前，自動記錄存儲焊槍移動軌跡點信息，快速實現了“示教學習”化編程。

智能焊接機器人控制系統采用了開放式概念進行設計，在用戶可承受采購成本的基礎上應用大量工業成熟技術，實現了專用智能化焊接機器人，主控制器采用高速DSP技術研制，驅動用的步進電機和編碼器，弧焊電源系統等均采用成熟貨架產品，可以在市場上直接低價購置，整套焊接機器人系統價格便宜，遠低于進口產品。系統操作軟件針對國人習慣進行設計，焊接系統具有標準化擴展接口，比較容易實現系統級集成，此類低成本焊接機器人硬件系統很容易搭建，對于現代化小批量、多品種的機器人系統設計具有很好的借鑒意義，值得大力推廣應用。