焊接機器人和焊接變位機協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)設(shè)技 

作為焊接機器人和變位機的協(xié)調(diào)運動控制的解決方案，我們通常會將變位機和機器人作為一個整體，采用一個具有協(xié)調(diào)控制功能的控制系統(tǒng)來統(tǒng)一控制，這是一種行之有效的開發(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(tǒng)改造成具有與獨立變位機協(xié)調(diào)運動的作業(yè)系統(tǒng)，就成為了企業(yè)的現(xiàn)實需求。因此前述的設(shè)計方法對于改造早期的封閉式單機器人應(yīng)用系統(tǒng)并不適用，能否設(shè)計一種方法解決二者之間的協(xié)調(diào)問題，成為當今焊接機器人研究的熱點。

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(tǒng)的運動控制設(shè)計 

將焊接機器人和變位機視為整機系統(tǒng)開發(fā)出配套的專用控制器，可以提高設(shè)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)機器人研究中心長期致力于工業(yè)機器人領(lǐng)域通用運動控制器的設(shè)計研發(fā)，目前已開發(fā)出第三代多軸運動控制器MAMC 3.0，其基于DSP和CPLD的開放式架構(gòu)可以滿足通用型焊接機器人多軸聯(lián)動的控制場合，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(gòu)如圖2所示。

在這套控制系統(tǒng)中，由工控機負責(zé)統(tǒng)一協(xié)調(diào)規(guī)劃，完成任務(wù)的分配和調(diào)度。運動控制由焊接機器人和變位電機的下層伺服驅(qū)動器、光電編碼器構(gòu)成位置閉環(huán)來實現(xiàn)。系統(tǒng)工作的狀態(tài)將會通過運動控制器反饋，實時顯示在工控機顯示界面上。得益于開放式的軟硬件架構(gòu)，操作者可以方便的通過更改相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)不同的配置策略，如具體控制軸數(shù)、軌跡規(guī)劃策略以及運動控制策略等。目前，諸多科研單位對焊接機器人系統(tǒng)運動控制做了深入研究并得出一系列重要成果，如果從開始階段就實現(xiàn)基于開放式架構(gòu)的集成化控制系統(tǒng)，無疑是給這些研究成果創(chuàng)造了一個方便轉(zhuǎn)化的平臺。通過這種集成化的專業(yè)控制系統(tǒng)，可以在焊接初始時期預(yù)先規(guī)劃好焊接機器人和變位機的運動軌跡，使得在作業(yè)工程中實現(xiàn)二者良好的配合。

目前，具有機器人自動焊接系統(tǒng)生產(chǎn)資質(zhì)的國內(nèi)廠家大多采取該設(shè)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(tǒng)為例，其變位機控制和焊接機器人本體是由同一個控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制。目前該公司研制有單軸變位機和雙軸變位機，并應(yīng)用與工件邊焊接邊變位，可適應(yīng)環(huán)焊縫，復(fù)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控制器設(shè)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(tǒng)，除非購置同樣廠家的變位機，否則很難和其他廠家的變位機實現(xiàn)統(tǒng)一控制。因此，客觀上需要我們?nèi)ゲ捎锚毩⑹娇刂品椒ǎ謩e控制焊接機器人本體和變位機的運動。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極小的范圍內(nèi)。硬件架構(gòu)如圖4所示。

針對這種設(shè)計目標的一般方法是：焊接加工前，通過焊接機器人內(nèi)建的注信息功能創(chuàng)建和保存運動類型和變位機速度，并在變位機控制器上另建文件保存與焊接機器人對應(yīng)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(zhí)行焊接工作時，分別由機器人和變位機控制器解析執(zhí)行。這種設(shè)計方法的基礎(chǔ)在于求解工件焊接軌跡在用戶坐標系下的位置。在焊接前，先要建立用戶坐標系，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控制函數(shù)，并由機器人和變位機的運動關(guān)系求得機器人的空間運動軌跡。因為焊接機器人和變位機采用的是兩套不同的控制系統(tǒng)，要保證協(xié)同作業(yè)還需要統(tǒng)一的時鐘觸發(fā)，這點應(yīng)該在硬件系統(tǒng)控制中予以實現(xiàn)，如統(tǒng)一這兩個系統(tǒng)的指令信號時鐘，實現(xiàn)同步觸發(fā)。此外，在示教過程中，示教文件和加工文件的文件結(jié)構(gòu)設(shè)計亦不容輕視。 

除了變位機運動控制算法的建立，變位機運動軌跡的圓滑度和機器人配合運動的復(fù)雜度也同樣重要。為使變位機運動保持運動的平穩(wěn)性，需要利用高級插值算法對變位機示教點做擬合，實現(xiàn)圓滑過渡。另外可以采用小線段擬合的方法，這樣可以將機器人空間運動軌跡分割成一個個小的線段。這樣就大大減少了焊機器人所需的控制點數(shù)，有利于實現(xiàn)二者協(xié)同工作。 

國內(nèi)在對分離式變位機的相關(guān)研究直到近期才逐漸開始，高性能的變位機目前還不普及，大多數(shù)現(xiàn)場應(yīng)用的變位機只能實現(xiàn)簡單的、基本的預(yù)設(shè)動作，復(fù)雜焊接軌跡的協(xié)調(diào)運動還未在大規(guī)模工業(yè)加工場合中實現(xiàn)。

上弘長管件焊接變位機

總結(jié)和展望 

在我國，變位機是個相對“年輕”的產(chǎn)品，它對焊接工業(yè)來說是不可或缺的，以焊接機器人為核心，集成變位機等設(shè)備的焊接加工系統(tǒng)大大提高了我國工業(yè)制造的效率。同時，這種集成性設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，也是進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(diào)控制技術(shù)具有突出的應(yīng)用價值，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)過程的安全性。 

在未來的焊接機器人系統(tǒng)發(fā)展中，變位機協(xié)調(diào)控制技術(shù)的實現(xiàn)和普及需要廣大科研單位和制造企業(yè)共同推動，其必將成為中國焊接機器人系統(tǒng)發(fā)展的新支點。