焊接機器人和焊接變位機協(xié)調運動(dòng)控制系統設技 

作為焊接機器人和變位機的協(xié)調運動(dòng)控制的解決方案，我們通常會(huì )將變位機和機器人作為一個(gè)整體，采用一個(gè)具有協(xié)調控制功能的控制系統來(lái)統一控制，這是一種行之有效的開(kāi)發(fā)方法。然而，不少企業(yè)因為之前配置了大量焊接機器人，將原有的單機器人系統改造成具有與獨立變位機協(xié)調運動(dòng)的作業(yè)系統，就成為了企業(yè)的現實(shí)需求。因此前述的設計方法對于改造早期的封閉式單機器人應用系統并不適用，能否設計一種方法解決二者之間的協(xié)調問(wèn)題，成為當今焊接機器人研究的熱點(diǎn)。

上弘機器人焊接變位機

1. 針對焊接機器人和變位機整機系統的運動(dòng)控制設計 

將焊接機器人和變位機視為整機系統開(kāi)發(fā)出配套的專(zhuān)用控制器，可以提高設計效率，獲得較好的協(xié)同作業(yè)效果。在幾家研究單位中，浙江大學(xué)機器人研究中心長(cháng)期致力于工業(yè)機器人領(lǐng)域通用運動(dòng)控制器的設計研發(fā)，目前已開(kāi)發(fā)出第三代多軸運動(dòng)控制器MAMC 3.0，其基于DSP和CPLD的開(kāi)放式架構可以滿(mǎn)足通用型焊接機器人多軸聯(lián)動(dòng)的控制場(chǎng)合，并且控制器擴展出的接口可用于變位機伺服控制。該產(chǎn)品將計劃產(chǎn)業(yè)推廣。其硬件架構如圖2所示。

在這套控制系統中，由工控機負責統一協(xié)調規劃，完成任務(wù)的分配和調度。運動(dòng)控制由焊接機器人和變位電機的下層伺服驅動(dòng)器、光電編碼器構成位置閉環(huán)來(lái)實(shí)現。系統工作的狀態(tài)將會(huì )通過(guò)運動(dòng)控制器反饋，實(shí)時(shí)顯示在工控機顯示界面上。得益于開(kāi)放式的軟硬件架構，操作者可以方便的通過(guò)更改相關(guān)程序實(shí)現不同的配置策略，如具體控制軸數、軌跡規劃策略以及運動(dòng)控制策略等。目前，諸多科研單位對焊接機器人系統運動(dòng)控制做了深入研究并得出一系列重要成果，如果從開(kāi)始階段就實(shí)現基于開(kāi)放式架構的集成化控制系統，無(wú)疑是給這些研究成果創(chuàng )造了一個(gè)方便轉化的平臺。通過(guò)這種集成化的專(zhuān)業(yè)控制系統，可以在焊接初始時(shí)期預先規劃好焊接機器人和變位機的運動(dòng)軌跡，使得在作業(yè)工程中實(shí)現二者良好的配合。

目前，具有機器人自動(dòng)焊接系統生產(chǎn)資質(zhì)的國內廠(chǎng)家大多采取該設計方案。以杭州凱爾達機器人有限公司生產(chǎn)的焊接機器人系統為例，其變位機控制和焊接機器人本體是由同一個(gè)控制系統實(shí)現控制。目前該公司研制有單軸變位機和雙軸變位機，并應用與工件邊焊接邊變位，可適應環(huán)焊縫，復雜空間焊縫的要求。 

2.針對焊接機器人和變位機獨立的運動(dòng)控制器設計 

對于已購置成品工業(yè)機器人的企業(yè)，由于是封閉式的控制系統，除非購置同樣廠(chǎng)家的變位機，否則很難和其他廠(chǎng)家的變位機實(shí)現統一控制。因此，客觀(guān)上需要我們去采用獨立式控制方法，分別控制焊接機器人本體和變位機的運動(dòng)。為保證焊接精度的要求，必須要將焊接機器人和變位機的相對位置精度限定在一個(gè)極小的范圍內。硬件架構如圖4所示。

針對這種設計目標的一般方法是：焊接加工前，通過(guò)焊接機器人內建的注信息功能創(chuàng )建和保存運動(dòng)類(lèi)型和變位機速度，并在變位機控制器上另建文件保存與焊接機器人對應的變位機位置信息，然后在加工前按照上述的控制方法生成焊接機器人和變位機的加工文件。執行焊接工作時(shí)，分別由機器人和變位機控制器解析執行。這種設計方法的基礎在于求解工件焊接軌跡在用戶(hù)坐標系下的位置。在焊接前，先要建立用戶(hù)坐標系，確定變位機相對于焊接機器人的位置，然后求得焊縫軌跡在該坐標系下的表達式，最后確定變位機運動(dòng)控制函數，并由機器人和變位機的運動(dòng)關(guān)系求得機器人的空間運動(dòng)軌跡。因為焊接機器人和變位機采用的是兩套不同的控制系統，要保證協(xié)同作業(yè)還需要統一的時(shí)鐘觸發(fā)，這點(diǎn)應該在硬件系統控制中予以實(shí)現，如統一這兩個(gè)系統的指令信號時(shí)鐘，實(shí)現同步觸發(fā)。此外，在示教過(guò)程中，示教文件和加工文件的文件結構設計亦不容輕視。 

除了變位機運動(dòng)控制算法的建立，變位機運動(dòng)軌跡的圓滑度和機器人配合運動(dòng)的復雜度也同樣重要。為使變位機運動(dòng)保持運動(dòng)的平穩性，需要利用高級插值算法對變位機示教點(diǎn)做擬合，實(shí)現圓滑過(guò)渡。另外可以采用小線(xiàn)段擬合的方法，這樣可以將機器人空間運動(dòng)軌跡分割成一個(gè)個(gè)小的線(xiàn)段。這樣就大大減少了焊機器人所需的控制點(diǎn)數，有利于實(shí)現二者協(xié)同工作。 

國內在對分離式變位機的相關(guān)研究直到近期才逐漸開(kāi)始，高性能的變位機目前還不普及，大多數現場(chǎng)應用的變位機只能實(shí)現簡(jiǎn)單的、基本的預設動(dòng)作，復雜焊接軌跡的協(xié)調運動(dòng)還未在大規模工業(yè)加工場(chǎng)合中實(shí)現。

上弘長(cháng)管件焊接變位機

總結和展望 

在我國，變位機是個(gè)相對“年輕”的產(chǎn)品，它對焊接工業(yè)來(lái)說(shuō)是不可或缺的，以焊接機器人為核心，集成變位機等設備的焊接加工系統大大提高了我國工業(yè)制造的效率。同時(shí)，這種集成性設備的關(guān)鍵技術(shù)，也是進(jìn)一步提高我國焊接裝備制造以及焊接加工工藝水平所必須突破的。在這些技術(shù)當中，焊接機器人本體和變位機協(xié)調控制技術(shù)具有突出的應用價(jià)值，它使需要立焊、仰焊等難以保證焊接質(zhì)量的施焊操作成為可能，從而保證了焊接質(zhì)量，提高了焊接生產(chǎn)率和生產(chǎn)過(guò)程的安全性。 

在未來(lái)的焊接機器人系統發(fā)展中，變位機協(xié)調控制技術(shù)的實(shí)現和普及需要廣大科研單位和制造企業(yè)共同推動(dòng)，其必將成為中國焊接機器人系統發(fā)展的新支點(diǎn)。