焊接機器人的運動控制系統概述

焊接機器人的運動控制系統概述作者：華中科技大學材料學院 盧本摘要：該文以最常用的關節型六自由度焊接機器人為例，概述了控制系統的結構組成，強調闡明焊接系統與焊接參量與通用關節型機器人的實用計算機介面，並對現代焊接機器人的人機界面做了綜合性的簡介。關鍵詞：關節型通用機器人；運動自由度；焊接系統介面；離線與在線編程；3D動畫示教與編程作為焊接機器人的用戶，為正確選擇、合理使用並做到能常規維護焊接機器人，必須對焊接機器人的運動控制系統有一定層次的了解。焊接機器人是裝上了焊鉗或各種焊槍的工業機器人。工業機器人的運動控制系統涉及數學、自動控制理論等，內容很多。要在較短的篇幅中，全面而系統地介紹工業機器人的運動控制系統，實在是非工業機器人控制專業人員所能及的事情，因此，本章內容是從焊接機器人的用戶角度出發，盡量以圖代解、簡明地闡述有關機器人運動控制系統（見圖1）的一般性問題。

1 焊接機器人運動軸的構成1.1 焊接機器人運動軸的定義點焊與弧焊兩種機器人都是由典型6關節型（也稱6軸）工業機器人裝上焊鉗或焊槍而構成，因此，討論焊接機器人運動系統構成，亦即討論典型6關節工業機器人的運動系統構成。顧名思義，典型6關節工業機器人有6個可活動的關節，每個關節的運動名稱都有定義，在圖2中，給出了典型6關節工業機器人各關節的編號與動作狀態（編號後面的英文大寫字母就是規定動作英文名稱的第一個字母），每個關節的運動都由一個伺服電（動）機驅動，每個電機都有各自的伺服控制系統。機器人最後「手」關節上所安裝的工具中心點（TCP）（對點焊鉗與電焊槍的TCP點，在相應的機器人結構中都作了規定）的運動軌跡是多個關節伺服系統協同動作的結果。而機器人運動控制系統（器）的作用就是如何根據編程指令來指揮控制6個伺服電（動）機協同動作，以完成工具中心點所要求實現的運動軌跡。

圖2 新開發的帶內置迴轉擺動軸的FlexTorch機器人焊槍系統1.2 焊接機器人的運動軸參數焊接機器人的運動軸參數主要包括：各軸最大運動範圍、最大速度、相關軸的容許轉距、相關軸的容許慣性力矩等。一種典型的6關節型工業機器人的關節運動參數的量值見表。

可以看出：6關節型工業機器人的運動軸參數不僅涉及各軸本身，也最終決定整台工業機器人的性能。其中，最重要的性能指標是：重複定位精度和負載重量。2 焊接機器人運動控制系統的組成2.1 對機器人運動控制系統的一般要求機器人控制系統是機器人的重要組成部分，主要用於對機器人運動的控制，以完成特定的工作任務，其基本功能如下：2.1.1 記憶功能：存儲作業順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產工藝有關的信息。2.1.2 示教功能：離線編程、在線示教、間接示教。在線示教包括示教盒和導引示教兩種。2.1.3 與外圍設備聯繫功能：輸入和輸出介面、通信介面、網路介面、同步介面。2.1.4 坐標設置功能：有關節坐標系、絕對坐標系、工具坐標系和用戶自定義四種坐標系。2.1.5 人機介面：示教盒、操作面板、顯示屏。2.1.6 感測器介面：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。2.1.7 位置伺服功能：機器人多軸聯動、運動控制、速度和加速度控制、動態補償等。2.1.8 故障診斷安全保護功能：運行時系統狀態監視、故障狀態下的安全保護和故障自診斷。2.2 焊接機器人運動控制系統（硬體）的組成焊接機器人運動控制系統中的硬體（圖4）一般包括：2.2.1 控制計算機。控制系統的調度指揮機構。一般為微型機，其微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU；

2.2.2 示教盒。示教焊接機器人的工作軌跡和參數設定，以及所有人機交互操作。示教盒擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串列通信方式實現人機信息交互；2.2.3 操作面板。由各種操作按鍵、狀態指示燈構成，只完成基本功能操作；2.2.4 硬碟和軟盤存儲器。存儲焊接機器人工作程序以及各種焊接工藝參數資料庫的外圍存儲器；2.2.5 數字和模擬量輸入輸出。各種狀態和控制命令的輸入或輸出。2.2.6 印表機介面。記錄需要輸出的各種信息。2.2.7 感測器介面。用於信息的自動檢測，實現機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺感測器。對一般的點焊或弧焊機器人來說，控制系統中並不設置力覺、觸覺和視覺感測器。2.2.8 軸控制器。完成機器人各關節位置、速度和加速度控制。2.2.9 輔助設備控制。用於和焊接機器人配合的輔助設備控制，如焊接電源系統、焊槍（焊鉗）、焊接裝夾具系統等。2.2.10 通信介面。實現機器人和其他設備的信息交換，一般有串列介面、並行介面等。2.2.11 網路介面2.2.11.1Ethernet介面：可通過乙太網實現數台或單台機器人的直接PC通信，數據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows9X或windowsNT庫函數進行應用程序編程之後，支持TCP/IP通信協議，通過Ethernet介面將數據及程序裝入各個機器人控制器中。2.2.11.2 Fieldbus介面：支持多種流行的現場匯流排規格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。3 焊接機器人的軸伺服控制系統3.1 軸伺服控制系統的結構圖5是焊接機器人的軸伺服控制系統的結構原理圖。其中，虛線框內的部分是實現軸驅動電機伺服控制的伺服單元。習慣上所說的電動機伺服系統，是指速度控制、伺服電動機和檢測部件三部分；而且，將速度控制部分稱之為伺服單元或驅動器。按照伺服系統的結構特點，它通常有四種基本結構類型：開環、閉環、半閉環及混合閉環。

伺服單元的硬體一般由五部分構成：3.1.1 實現軸伺服電機的PID控制、或FUZZY（模糊） 控制、或其它控制規律的伺服控制單片機；3.1.2 伺服控制模板，其功能是實現控制單片機輸出數字量的D/A轉換與輸入到單片機的模擬量的A/D轉換；3.1.3 伺服驅動功放，一般機器人的軸驅動電機的功率多在100W~1000W的範圍，多屬中等功率，為此，由伺服控制模板給出的控制信號必須經功率放大才能推動電機；3.1.4 伺服電機是焊接機器人的軸伺服控制系統的控制對象。3.1.5伺服電機的轉速、位置檢測裝置（轉速、位置感測器）。轉速、位置檢測裝置的功能是實時檢測軸伺服電機轉速和電機角位移量，並將實時檢測結果反饋給電動機伺服系統，以形成電動機伺服的閉環或半閉環控制系統。即便是開環控制系統，一般也需要電動機轉速和電機角位移量的實時檢測參數。因此，轉速、位置檢測裝置是機器人的軸伺服控制系統極重要的組成環節。圖5所示焊接機器人的軸伺服控制系統結構稱為主從控制方式：它是採用主、從兩級控制計算機實現系統的全部控制功能。主計算機實現軸伺服控制系統的管理、坐標變換、軌跡生成和系統自診斷等；從計算機實現所有關節的動作協調控制。主從控制方式系統實時性較好，適於高精度、高速度控制，但其系統擴展性較差，維修困難。焊接機器人的軸伺服控制系統結構還可採用所謂「分散控制系統」，限於篇幅，不再闡述。3.2 對機器人電機伺服系統的要求機器人各關節（即各軸）的運動，最終都歸結為相應各軸的驅動電機、亦即伺服電機的轉動；而對機器人電機伺服系統提出了很高的要求，大致可概括為以下四個方面:3.2.1高精度。為了保證焊接零件的加工質量並提高效率，首先要保證焊接機器人的定位精度和加工精度。因此，在機器人各軸位置控制中要求有高的定位精度，即在μm的數量級內。而在速度控制中，要求有高的調速精度、強的抗負載擾動的能力，也即要求靜態和動態速降儘可能小；3.2.2 快響應。要求系統有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快，位置跟蹤誤差（位置跟蹤精度）要小；3.2.3 寬調速範圍。它是指在額定負載時電動機能提供的最高轉速與最低轉速之比。對於一般的機器人而言，要求電動機伺服系統能在0～20m/min範圍內都能正常工作；3.2.4 低速大轉矩。根據焊接機器人加工特點，大都是在中低速負重狀態下工作（點焊機器人為甚），這樣，既要求在低速時電動機伺服系統有大的轉矩輸出又要求轉動平穩。為了滿足上述四點要求，對電動機伺服系統的執行元件—伺服電動機也提出了相應的要求，它們是：●電動機在整個轉速範圍內都能平滑地運轉，轉矩波動要小，特別在低速時應仍有平穩的速度而無爬行現象；●電動機應有一定的過載能力，以滿足低速、大轉矩的要求；●為了滿足快速響應的要求,電動機必須具有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩、儘可能小的機—電時間常數和起動電壓。3.3 機器人伺服電機的類型機器人伺服系統在經歷了開環的步進電動機伺服系統、直流電動機（見圖6）伺服系統兩個分階段之後，已進入了同步電動機伺服系統階段。

3.3.1 有刷直流電動機直流電動機有優良的控制性能，其機械特性「硬」、調速性能好是各類交流電動機所不具備的。此外，直流電動機還有起動轉矩大、效率高、調速方便、動態特性好等特點。但是，直流電動機的結構複雜，其定子上有激磁繞組產生主磁場，對功率較大的直流電動機常常還裝有換向極，以改善電機的換向性能。直流電機的轉子上安放電樞繞組和換向器，複雜的結構限制了直流電動機的體積和重量，尤其是電刷和換向器的滑動接觸造成了機械磨損和火花，使直流電動機的故障多、可靠性低、壽命短、保養維護工作量大。換向火花既造成了換向器的電腐蝕，還是一個無線電干擾源，會對周圍的電器設備帶來有害的影響。電機的容量越大、轉速越高，問題就越嚴重。所以，普通直流電動機的電刷和換向器限制了直流電動機向高速度、大容量的發展。3.3.2 交流非同步電動機與直流電動機相比，交流非同步電動機（圖7）具有結構簡單、工作可靠、壽命長、成本低、保養維護簡便等優點。但它調速性能差，起動轉矩小，過載能力和效率低。其旋轉磁場的產生需從電網吸取無功功率，故功率因數低，輕載時尤甚，這大大增加了線路和電網的損耗。長期以來，在不要求調速的場合，非同步電動機佔有主導地位，但是自交流電機變頻調速系統開發出後，交流非同步電動機亦可用於需調速的場合。
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