（电气工程专业论文）焊接机器人控制器研究与开发.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 工业机器人技术的诞生，有力地推动了人类工业技术的进步。特 别是焊接机器人在高质量高效率的焊接生产中，发挥了极其重要的作 用。我国焊接机器人技术的研究应用虽然起步较晚，但借鉴于国外的 经验，少走了弯路，得到了迅速的发展。随着智能机器人技术和人工 智能理论的进一步发展，焊接机器人系统还有许多问题值得我们去认 真研究，特别是多智能体系统和自学习型等方面将是研究的热点问 题。 本课题研究的主要内容为设计一台六自由度焊接机器人，用于汽 车生产中驾驶室的点焊。要求控制系统简单实用，成本低廉。为此采 用硬件集成的办法，把众多的硬件功能用软件来实现，以降低制造成 本，并开发出自学习型软件，以方便机器人的使用。 本课题采用了低档多c p u 控制并配以液晶显示以提高系统的功 能和性能，降低成本，并且利用现代可编程芯片新产品代替数字逻辑 电路，压缩电路结构，减少了线路的接插件，从而提高了控制系统可 靠性。合理分配了焊接机器人控制器的任务，大大提高了运行效率， 间接地提高了系统的速度。 多c p u 系统中，主c p u 负责程序的快速插补和指令的执行，从 c p u i i 负责精插补和进给反馈，c p u i i 实际上替代所谓的硬件插补器， 从而使程序执行的速度大大加快，通常是普通逐点比较法的5 倍左 右，从c p u i 负责显示和键盘、系统的后台管理，使之具备高档焊接 t 江苏大学工程硕士学位论文 机器人的功能。 本课题研究的点焊机器人在生产调试时由现场操作人员进行一 次引导，然后，焊接机器人就能自动地进行焊接动作。点到点重复定 位精度小于o 5 m m ，完全满足实际生产需求。 关键词：焊接机器人，控制器，自学习，多c p u u 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee m e r g e n c eo fi n d u s t r i a lr o b o th a v eg r e a t l yp u s h e df o r w a r dt h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g y t h ew e l d i n gr o b o t ，f o re x a m p l e ， p l a y sav i t a lr o l ei nw e l d i n gi n d u s t r yt h a td e m a n d sh i g hq u a l i t ya n dh i g h e f f i c i e n c y a l t h o u g ht h eb e g i n n i n go fw e l d i n gr o b o ti nc h i n ai sr e l a t i v e l y l a t e ，b u tw i t ht h ee x p e r i e n c es h a r e df r o ma b r o a d ，t h i st e c h n o l o g yi s d e v e l o p i n gv e r y f a s t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y o f i n t e l l i g e n tr o b o ta n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，t h e r ei s s t i l lm u c ht ob ed o n e i nt h ef i e l do f w e l d i n gr o b o ts y s t e m ，e s p e c i a l l yi nm u l t i i n t e l l i g e n ts y s t e m a n ds e l f - l e a m i n gs y s t e m ，w h i c ha r et h eh o t - s p o ti nt h er e s e a r c ho f w e l d i n gr o b o t t h em a i nr e s u l to ft h i sp a p e ri st od e s i g naw e l d i n gr o b o tw i t h 6 - f r e e d o m sa n dt h es e l f - l e a m i n gs o f t w a r e w i t ht h ea p p r o a c ho fh a r d w a r e i n t e g r a t i o n ，t h i sw e l d i n gr o b o tc a ni m p l e m e n tm a n yh a r d w a r ef u n c t i o n s w i t ht h es o f t w a r e ，s u c ht h a tt h em a n u f a c t u r i n gc o s ti sg r e a t l yr e d u c e d t h ew e l d i n gr o b o td e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nb ea p p l i e di nt h es p o t w e l d i n go fd r i v ec a bi na u t o m o b i l ei n d u s t r y t h ew e l d i n gr o b o tc a nw o r k a u t o m a t i c a l l ya f t e rj u s to n el e a db yt h eo p e r a t o ri nt h ep r o c e s so f p r o d u c i n g t h ep r e c i s eo fr e a l l o c a t i o nb e t w e e nt w os p o t si su n d e r o 5 m m ，p o w e r f u l ，g o o ds t r e n g t ha n dr e l i a b l ea r ed e m a n d sf o rt h er o b o t t h em a i ns e l e c t i o ni n d e xo fw e l d i n gr o b o ti st h ew e l d i n gd e v i c e i nt h i sp a p e r , t h ej u n i o rm u l t i c p uc o n t r o l l e ra n dt o g e t h e rw i t hl c d i i i 江苏大学工程硕士学位论文 d i s p l a ya r ea d a p t e dt oi m p r o v es y s t e mf u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e s ，a n d t or e d u c et h ec o s t ；b yu s i n gn e we q u i p m e n t sw i t hp r o g r a m m a b l ec h i p st o r e p l a c e d i g i t a ll o g i cc i r c u i tt or e d u c et h ec i r c u i ts t r u c t u r ea n dt od e c r e a s e t h en u m b e ro fc o n n e c t o r s ，t h er e l i a b i l i t yo fc o n t r o ls y s t e mi si m p r o v e d , t h et a s k so ft h ec o n t r o l l e ro fw e l d i n gr o b o ta r ea s s i g n e dr e a s o n a b l y , t h e w o r k i n ge f f i c i e n c yi si m p r o v e d ，s ot h a tt h es y s t e ms p e e di si m p r o v e da s w e l l i nt h em u l t i - c p us y s t e m ，t h em a i nc p ui sr e s p o n s i b l ef o rt h ef a s t i n t e r p o l a t i o no fp r o g r a ma n dt h ee x e c u t i o no fi n s t r u c t s ，t h es l a v ec p ui i a c t u a l l yr e p l a c e s t h es o - c a l l e dh a r d w a r ei n t e r p o l a t o r , s u c ht h a tt h e e x e c u t i o ns p e e do fp r o g r a mi si m p r o v e dg r e a t l y , g e n e r a l l y , t h i ss p e e di s5 t i m e sa sm u c ha st h a to fc o m m o np o i n t - - b y - - p o i n tm e t h o d s ；t h es l a v e c p uii s r e s p o n s i b l ef o rt h ed i s p l a ya n dk e y b o a r d ，t h eb a c k g r o u n d m a n a g e m e n to fs y s t e m ，t om a k et h ew e l d i n gr o b o tah i g h l e v e lo n e k e y w o r d s ：w e l d i n gr o b o t ，c o n t r o l l e r , s e l f - l e a m i n g ，m u l t i c p u i v 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引 用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：钐- - p 1 诬 讥 日期：砌7 年_ 月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d 。 学位论文作者签名：影狠 指导教师签名匙 沙夕年月叫e t 少7 年，1 月f e t ，争诤 k 岔攻 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 焊接机器人的现状和发展趋势 当焊接材料及工艺设备发展到一定水平后，要进一步提高焊接质量与效率以及 改善劳动条件的根本出路在于焊接过程的自动化。发展和应用新型焊接自动化技术 对我国国民经济将起到巨大的作用，而焊缝自动跟踪系统正是焊接自动化研究的一 个重要方面。焊缝自动跟踪在焊接工业中起着极其重要的地位，焊缝自动跟踪的精 度和实时性对保证焊接质量有着不可估量的作用。研究如何提高焊缝自动跟踪的精 度以及降低焊缝自动跟踪系统的成本对整个焊接工业有着举足轻重的意义。影响焊 接质量有多种因素，然而保证其不焊偏是必要条件，因此焊缝自动跟踪成为焊接过 程自动化的首要问题，应用焊缝自动跟踪技术可避免由于焊偏造成的未焊透等缺陷； 减少焊接电弧的高温与光辐射对操作者的影响；并可以减少焊接辅助时间，因此深 受生产部门欢迎。 焊接机器人是机器人中数量和种类都较多的一种机器人，它广泛地应用于工业 领域的各行各业，也是形成机器人产业的一种机器人。焊接机器人一般由机械本体、 控制器、伺服驱动系统和检测传感装置等构成，是一种仿人操作、自动控制、可重 复编程，能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，特别适合于多 品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量、生产效率、改善劳动条件和 产品的快速更新换代起着十分重要的作用。工业机器人并不是简单意义上代替人的 劳动，它既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又具有机器可长时间持续 工作，精确度高，抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器进化过程的产物。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生 学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。总之 机器人应用情况是一个国家工业自动化水平的重要标志n 1 。 我国研究开发焊接机器人起步较晚，晚于美国和日本，最早起于2 0 世纪7 0 年 代，早期还只是大学和科研院所的自发性的研究。到了8 0 年代中期，全国还没有一 台焊接机器人问世。而在国外，焊接机器人此时已经是个非常成熟的工业产品，特 别是在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五 攻关计 划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把机器人应 用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人 在起步阶段就瞄准了实用化的方向口1 。 与此同时我国于1 9 8 6 年将发展机器人列入国家“8 6 3 ”高科技计划。在国家 江苏大学工程硕士学位论文 “8 6 3 计划实施五周年之际，邓小平同志提出了“发展高科技，实现产业化 的目 标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上，8 6 3 主 题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开 发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家 “八五 和“九五 中。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊 接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已 进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。 我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个 主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在7 0 年代末，上海电 焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌 轿车底盘的焊接。“一汽 是我国最早引进焊接机器人的企业，1 9 8 4 起先后从k u k a 公司引进了3 台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌 车 身顶盖的焊接。1 9 8 6 年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1 9 8 8 年开发 了机器人车身总焊线。 8 0 年代末和9 0 年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿 车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，使我们认识到了与 国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说9 0 年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的 作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基 础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用 焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能 源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。铁路 机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需 求，机器人的需求一直处于稳步增长态势。据2 0 0 1 年统计，全国共有各类焊接机器 人1 0 4 0 台，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的 7 6 。在汽车行业中点焊机器人与弧焊机器人的比例为3 ：2 ，其他行业大都是以弧焊 机器人为主，主要分布在工程机械( 1 0 ) 、摩托车( 6 ) 、铁路车辆( 4 ) 、锅炉( 1 ) 等 行业。焊接机器人也主要分布在全国几大汽车制造厂，但是，我国焊接机器人的行 业分布不均衡，也不够广泛。 进入2 1 世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业 的机器人安装台数迅速增加，2 0 0 2 、2 0 0 3 、2 0 0 4 年每年都有近千台的数量增长。估 计我国目前焊接机器人的安装台数在4 0 0 0 台左右。汽车行业焊接机器人所占的比例 会进一步提高。 目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。日系中主要有安川、 2 江苏大学工程硕士学位论文 o t c 、松下、f a n u c 、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的k u k a 、c l o o s 、 瑞典的a b b 、意大利的c o m a u 及奥地利的i g m 公司。国产机器人主要是沈阳新松机器 人公司产品。 目前在我国虽然已经具有自主知识产权的焊接机器人系列产品，但却不能批量 生产，形成规模，有以下几个主要原因： 国内机器人价格没有优势。近1 0 年来，进口机器人的价格大幅度降低，从每台 7 - 8 万美元降低到2 3 万美元，使我国自行制造的普通工业机器人在价格上很难与之 竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，如伺服 电机、减速机等需要进口，使价格难以降低，所以机器人生产成本降不下来；我国 焊接装备水平与国外还存在很大差距，这一点也间接影响了国内机器人的发展。对 于机器人的最大用户汽车白车身生产厂来说，目前几乎所有的装备都来从国外 引进，国产机器人几乎找不到表演的舞台。 我们应该承认国产机器人无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在 一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了3 0 多年的发展历程， 而且在实际生产中不断地完善和提高，而我国则处于一种单件小批量的生产状态。 国内机器人生产厂家处于幼儿期，还需要政府政策和资金的支持。焊接机器人 是个机电一体化的高技术产品，单靠企业的自身能力是不够的，需要政府对机器人 生产企业及使用国产机器人系统的企业给予一定的政策和资金支持，加速我国国产 机器人的发展。 在引进国外技术的基础上，中国于2 0 世纪7 0 年代末开始研究焊接机器人。1 9 8 5 年哈尔滨工业大学研制成功我国第一台h y 一1 型焊接机器人。1 9 8 9 年北京机床研究所 和华南理工大学联合为天津自行车二厂研制出了焊接自行车前三脚架的t j r g 1 型弧 焊机器人，为“二汽”研制出用于焊接东风牌汽车系列驾驶室及车身的点焊机器人。 上海交通大学研制“上海1 号 、上海“2 号示教型机器人也都具有弧焊和点焊的 功能。2 0 世纪9 0 年代未，广东焊接研究所等联合设计开发制造并投入运行的中国第 一台点焊机器人成功地应用在卡车驾驶室装焊生产线上。轿车车身焊装生产线上也 应用了机器人技术。1 9 9 7 年首都钢铁公司和日本安川株式会社共同建立了首钢一摩 托曼机器人公司，并于当年年底推出了第一批国内生产的机器人，其中主要产品是 焊接机器人。1 9 9 9 年北京机械工业自动化研究所机器人中心研制的a w 一6 0 0 型弧焊 机器人工作站，采用p c 工控机和p m a c 可编程多轴控制系统，于1 9 9 9 年4 月通过了 国家机械工业局的鉴定。1 9 9 9 年7 月1 5 日，国家8 6 3 计划智能机器入主题专家验收 通过了由“一汽”集团、哈尔滨工业大学和沈阳自动化研究所联合开发的h t i o o a 型点焊机器人。由此可见，我们国内的焊接机器人已开始走向实用化阶段。但是， 目前点焊机器人在智能化方面有待于进一步提高，特别是在自学习方面仍然有比较 江苏大学工程硕士学位论文 广阔的发展前景。中国机械工程学会焊接学会和中国焊接协会进行了一次比较全面 的焊接机器人在制造业中应用情况调查，结果显示，到1 9 9 6 年底，焊接机器人已得 到广泛应用。我国使用焊接机器人进行生产的工厂大约有7 0 家；目前全国安装的焊 接机器人已超过6 0 0 台；主要集中汽车、摩托车和工程机械3 个重要行业中；并且 9 0 以上属于5 或6 轴关节式机器人朝。 1 2 本课题的研究内容和意义 工业机器人技术的研究、发展与应用，有力地推动了世界工业技术的进步。特 别是焊接机器人在高质量高效率的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。我国焊接 机器人技术的研究应用虽然较晚，但借鉴于国外的成熟技术，得到了迅速的发展。 近年来，我国在焊缝跟踪、智能控制、信息传感、周边设备及机器人专用电源等方 面进行了大量的研究与应用，取得了许多优秀的成果。随着智能机器人技术和人工 智能理论的进一步发展，焊接机器人系统还有许多值得我们认真研究的问题，特别 是多智能体系统、基于模糊神经网络和自学习型等方面将是研究的热点问题h 1 。 1 2 1 本课题主要研究内容 本课题主要研究焊接机器人开发问题，具体如下： 控制器的改进 采用高速多c p u 技术配以液晶显示以提高系统的功能和性能，降低成本。利用 现代可编程芯片新产品代替数字逻辑电路，压缩电路结构，减少了线路的接插件， 从而提高了控制系统可靠性。 自学习控制软件的开发： 由于焊接机器人的运动轨迹通常根据工件的实际形状和工况不同而不同，因此 一般焊接机器人很难用编程的形式来控制其运动轨迹。研究采用自学习的方法来控 制其运动。在生产调试时由现场操作人员进行一次引导，然后，焊接机器人就能自 动地进行焊接动作。 大转矩伺服驱动的开发： 由于一般焊接机器人技术的伺服驱动的转矩都不符合焊接机器人转矩的要求。 通常目前国内焊接机器人中伺服驱动的转矩只能达到2 5 n m 左右，且快速进给过程中 速度达不到3 0 m m i n 。因此对于焊接机器人而言执行机构的开发是首要问题。需研究 5 0 - - - 2 0 0 n m 的伺服驱动系统。 1 2 2 研究工作的意义 该项目研究的主要成果为设计一台六自由度的焊接机器人电气电路和软件。其中 4 江苏大学工程硕士学位论文 包括五自由度分别为5 0 - - - 2 0 0 n m 的伺服驱动，以及相应的伺服电机用功放、开发出 自学习型软件。 该焊接机器人主要用硬件集成的办法，把众多的硬件功能用软件来实现。因此大 大降低了制造成本。通常为进口焊接机器人的5 - - - , 9 。根据我国目前的市场情况来看， 我国的焊接机器人需求量很大。 目前每年从美国等国家进口焊接机器人所花的费用达3 , - - , 5 千万美元，大部分用 于车辆工业的设备改造和新增生产线。估计国产自学习型焊接机器人一旦研制成功 将占领市场份额的3 0 左右。 1 3 本课题的总体设计方案 本课题研究的点焊机器人适应汽车生产中驾驶室的点焊，点到点重复定位精度 为0 5 m m 以下就可以了，对轨迹的重复定位精度要求也不太严格，只要运动范围满 足生产要求就可以了；对机器人的要求是力量大，结构刚性好，结实可靠，点焊机 器人的主要选择指标在点焊设备。 本课题采取高速多c p u 方案，根据功能和任务的不同，我们将c p u 分为：主c p u 、 从c p u i 和从c p u i i 。其中：主c p u 负责插补运算、系统管理、开关量输入输出，从 c p u i 负责键盘和显示，从c p u i i 负责实时闭环反馈输入和运动输出。 1 4 本控制系统的主要特点 由于采用了多c p u 控制，合理分配了焊接过程中的任务，这将大大提高了运行 效率，间接地提高了系统的速度。 主c p u 负责程序的快速插补和指令的执行，从c p u i i 负责精插补和进给反馈， 实际上替代所谓的硬件插补器，从而使程序执行的速度大大加快，通常是普通逐点 比较法的5 倍左右，从c p u i 负责显示和键盘、系统的后台管理，使之具备高档焊接 机器人的功能。 江苏大学工程硕士学位论文 第二章控制系统的总体结构 机器人焊接系统的集成与控制，将焊接任务规划、轨迹跟踪控制、传感系统、 过程模型、智能控制等子系统的软硬件集成设计、统一优化调度与控制，涉及焊接 柔性制造系统的物料流、信息流的管理与控制，多机器人与传感器、控制器的多智 能单元与复杂系统的控制等。 2 1 焊接机器人基本原理 2 1 1 焊接机器人系统 据不完全统计：全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于 各种形式的焊接加工领域。焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式：即点焊和 电弧焊。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的 工业机器人，其中有的是为某种焊接方式专门设计的。而大多数的焊接机器人其实 就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在多任务环境中，一台机器人 甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、卸料等多种任务。机器人可以根 据程序要求和任务性质，自动更换机器人手腕上的工具，完成相应的任务。因此， 从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。 一个较为完整的焊接机器人系统应包括焊接作业任务描述( 语言编程或图形仿 真) 、操作手级路径规划、运动学和动力学算法及优化、针对焊接作业任务的关节级 规划、规划结果动画仿真、规划结果离线修正、与机器人的通讯接口( d o w n l o a d i n g ) 。 焊接机器人系统由焊接臂控制、操作系统等软硬件组成，在使用时类似于 w i n d o w s 窗口菜单，用户界面明了友善，并有简单的人机对话功能和实时诊断错误信 息系统5 1 。 2 1 2 硬件系统结构和组成 焊接机器人的硬件系统分为四个部分，如图2 - 1 所示。 控制系统箱是焊接机器人的控制核心，所产生的控制信号用来对其它部件进行 控制，焊接设备是电阻焊的电源，可以确保焊点中流过一定的电流，提高焊接质量 的一致性和可靠性；机器人是焊接时主要被控对象，机器人移动的位置直接影响到 焊接精度和焊接质量；机械手臂是工件侧的移动主体，与机器人配合完成焊接，同 样直接影响到焊接精度和焊接质量m 1 。 6 江苏大学工程硕士学位论文 控制系统箱掸接设蔷机械手臂( 变位器)机錾人 图2 - 1 焊接机器人硬件系统 焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两个部分，如图2 2 所示。机器人 由机器人本体和控制柜( 硬件及软件) 组成。而焊接装备，以弧焊段点焊为例， 则由焊接电源( 包括其控制系统) 、送丝机( 弧埒) 、焊枪( 钳) 等部分组成。 对于智能机器人还应有传感系统，如澈光或摄像传感器及其控制装置等。罔2 - 2 表示焊接机器人基本组成”。 芝( 二二 臂( l 轴) 腰( s 轴) 围2 - 2 常用焊接机器人外形图 奉谍题的焊接机器人由腰、臂、肘、腕撰、腕伸缩、腕旋转6 个自由度( 6 关节) 组成。 江苏大学工程硕士学位论文 该机器人采用纯关节结构，如同人的一个臂膀一样，可以伸向任何一个方向自 主焊接工作，最大负载6 0 公斤。它具备自动寻找焊接起始点、自动跟踪焊缝和多层 焊接等功能。每个关节的运动都由一个伺服电动机驱动，每个电机都有各自的伺服 控制系统。机器人最后“手 关节上所安装的工具中心点( t c p ) ( 对点焊钳与电焊 枪的t c p 点，在相应的机器人结构中都作了规定) 的运动轨迹是多个关节伺服系统协 同动作的结果。而机器人运动控制系统的作用就是如何根据编程指令来指挥控制6 个 伺服电动机协同动作，以完成工具中心点所要求实现的运动轨迹。 6 关节型焊接机器人的运动轴参数不仅涉及各轴本身，也最终决定整台工业机器 人的性能，其中，最重要的性能指标是：重复定位精度和负载重量，具体参数如表 2 1 所示。机器人控制系统是机器人的重要组成部分，主要用于对机器人运动的控制， 以完成焊接任务，其基本功能如下：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速 度计算、生产工艺有关的信息处理、离线编程、在线示教暗1 。 表2 1焊接机器人的运动轴参数 关节运动参数范围 结构形式垂直多关节 最大运动范围 s d s 轴( 腰) 4 - 3 6 0 0 l 轴( 臂)+ 7 0 0 ，- 9 0 0 u 轴( 肘)+ 4 5 0 ，- 1 2 5 0 r 轴( 腕横摆) 3 6 0 0 b 轴( 腕俯仰)1 2 0 0 t 轴( 腕回转) 3 6 0 0 最大速度e w s 轴( 同转)1 2 0 0 s l 轴( 下臂) 1 2 0 0 s u 轴( 上臂) 1 2 0 0 s r 轴( 横摆)1 4 0 0 s b 轴( 俯仰) 1 3 0 0 s t 轴( 回转)2 6 0 0 s 容许转距e r 轴( 横摆) 6 8 6 n m b 轴( 俯仰)6 8 6 n m t 轴( 同转)3 9 2 n m 最大回转、t - 径 2 6 2 6 m m 容许惯性力矩g d 2 4 r 轴( 横摆) 4 2 k g m ( 参考值) b 轴( 俯仰) 4 2 k g m ( 参考值) t 轴( 回转) 1 4 5 k g m ( 参考值) 重复定位精度 0 4 m m 8 江苏大学工程硕士学位论文 负载重量 1 2 0 k g 安装方式地面直立安装 驱动方式交流伺服 位置测量 绝对位置码盘 编程容量3 0 0 0 步 电源3 相3 8 0 v5 0 h z w e( 1 0 ，1 5 ) 数字v o各4 8 点 相对湿度最大9 0 ( 无冷凝) 接地电阻 1 0 0 q 环境温度 0 4 5 振动 0 5 g 以下 机器人的离线编程和离线仿真等特征使其工作范围更大、运动更灵活、重复定 位更精确。它的问世将使汽车摩托车制造、工程机械制造、锅炉、家电等行业的焊 接效率和质量大大提高，稍加改型后还可用于搬运、涂胶、装配等工作。焊接机器 人的硬件系统采用分布式计算机系统一1 ，这样可以用廉价的芯片来获得高性能的要 求。 实际应用中焊接机器人的工作性能要受多种因素的影响，例如，弧光辐射、高 温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、装夹精度，表面状态和工件热变形等都会 影响焊炬偏离焊缝。焊接条件的这种变化要求焊接机器人能够实时检测出焊缝偏差， 并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。焊缝自动跟踪系统由传感器、 调节器、执行机构等部分组成，构成一个闭环反馈系统，如图2 - 3 所示。智能控制 方法和传感器技术的迅猛发展又为解决这一问题提供了比较充分的技术基础和物质 基础。 图2 3 控制系统结构图 该系统分为：伺服控制、夹紧装置控制、伺服运动反馈、点焊压力反馈及焊接 电流控制等多个控制和检测环节n 引。 9 江苏大学工程硕士学位论文 2 2 控制系统结构 控制系统的主处理器采用3 片单片机组成的分布式系统，每个芯片有6 4k b 寻 址范围共1 9 2k b ，其中接口专用8 k b 、其余为数据存储范围；监控程序最大容量为 1 9 2 k b ，主处理器要负责机器人的运动参数，反馈数据的采样分析，焊接参数等运算， 控制系统的硬件结构如图2 - 4 所示。 主板 输入输出板 软驱 驱动单元 测量板 图2 - 4 控制系统的硬件结构 设计时考虑到运动速度和成本，采用多个c p u n l i ，如图2 5 和图2 6 所示，即主 c p u 、从c p u i 、从c p u i i 。其中，主c p u 完成整机管理及核心部分的实时插补运算， 同时通过8 1 5 5 和8 2 5 5 控制所有开关量的输出；从c p u i 通过4 片8 2 7 9 控制键盘， 通过过渡板控制s e d l 3 3 5 控制器和液晶显示器；从c p u i i 担任x 、z 轴两个方向位控 单元的控制，实行进给细分及位控速控，并且完成反馈输入和位移进给的检测输入。 f 一计速器l 卜 叫计速器2h l 反馈控制l反馈控制2 叫输出控制t 卜- t 输出控制2h 多 存储模块 卜 c p u - t 工作状态指示灯 系 障碍物探测 卜 统 叫 l c 。显示模块 感光探测 卜叫 故障报警 图2 - 5 控制系统接口硬件 l o 江苏大学工程硕士学位论文 2 3 多c p h 单片机系统介绍 多c p u 主要根据各部分的工作特征而设计成多个c p u 控制。这种方式的优点为： 在同样的性能下降低了c p u 的负担，既可以用较低档的c p u 来完成高性能的控制。 从便于分块开发的生产经营的角度来看，采用多个c p u 控制，便于边生产边改进。 适于多人开发，可以快出产品n 列。 多c p u 结构的一般形式如图2 - 6 所示，下面分别介绍如下： 图2 - 6 控制系统框图 ( 1 ) 主c p u 板主要是完成系统的管理及实时插补运算，它是整个焊接机器人的 核心，对于不同档次的焊接机器人，其插补形式大多可以在这里逐步深入进行。 ( 2 ) 从c p u i 板专门用作显示、键盘的管理。对于不同形式的显示、键盘等， 可以通过单独开发这一部分，形成多种形式的显示，键盘形式如c r t 显示，液晶显 示，触摸屏等功能。 ( 3 ) 从c p u i i 板其给定是主c p u 板的输出，误差计算是通过给定与反馈量之差 求得。用于直接控制位控速控单元。 ( 4 ) 从c p u i i i 板主要是负责开关量的输入输出，实际上它可以是一个p l c 。一 般却要2 5 6 点以上的p l c 才采用独立的c p u i i i 板，本课题中不采用。 在多c p u 结构中，c p u 之间的通讯根据实际需要和量采用串行通信或者并行通信。 如本课题中的主c p u 与c p u i i 之间采用并行通信，而主c p u 与从c p u i 之间采用串行 通信，从c p u i 与c p u i i 之间不直接进行通信。 图2 6 所示焊接机器人的轴伺服控制系统结构称为主从控制方式：它是采用主、 从两级控制，主c p u 实现系统的全部控制功能。主c p u 实现轴伺服控制系统的管理、 坐标变换、插补运算、轨迹生成和系统自诊断等；从c p ui i 实现所有关节的动作协调 控制，从c p u i 实现显示和键盘管理n 引。 江苏大学工程硕士学位论文 2 4 关节角位移测量电路介绍 2 4 1 基本概念 关节角位移检测装置是焊接机器人系统中较重要的一个环节，它与控制部分一 样决定了焊接的精度。因此无论是从事焊接机器人的开发或是焊接机器人的应用都 必须掌握位置检测装置的基本原理n 4 1 。 对于现代焊接机器人的位置检测装置，它由基本传感器、正交信号及放大电路、 细分电路、整形判向电路和可逆计数等几部分组成，具体如图2 - 7 所示： 图2 - 7 位置检测装置的基本组成 基本传感器一般采用光栅，同步传感器，磁栅，光电编码器，旋转变压器等基 本元件。 正交信号由基本传感器产生，再做后续处理一般都要经过前置放大，这方面可 以结合模拟电子技术进行分析。细分电路是一个专用的电路，对于正交正弦信号的 细分一般由一套电阻网络组成。 对于整形判向电路也是电子技术的一般应用。对于交流信号的整形往往采用过 零比较加史密特触发器即可。而对判向电路一般都为逻辑电路实现，难度不大，并 且形式多样。 可逆计数分为硬件式和软件式两种，若是硬件式则完全由硬件电路实现。焊接机 器人不断地读取可逆计数的值用作求给定反馈的差值。若是软件式可逆记数器则要 求每个计数脉冲申请中断，在中断服务程序中作加或减的计数，最后完成可逆计数。 位置检测装置是焊接机器人的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是 检测位移量，并发出反馈信号与焊接机器人发出的指令信号相比较，若有偏差，经 放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了 提高焊接机器人的加工焊接精度，必须提高检测元件和检测装置的精度，不同类型 的焊接机器人，对元件和检测装置的精度要求，允许的最高移动速度各不相同。一 般要求检检测元件的分辨度( 检测元件能检测的最小位移量) 在0 0 0 0 1 一- - 0 0 1 m m 之 内，测量精度为0 0 0 1 0 , - 一0 0 2 m m m ，运动速度为o - - 2 4 m m i n 。 焊接机器人对位置检测装置的要求如下： 受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强： 在焊接执行部件移动范围内，能满足精度相速度的要求； 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 使用维护方便，适应机床工作环境； 成本低。 2 4 2 位置检测的方法 按工作条件和测量要求不同、可采用不同的测量方式。 1 数字式测量和模拟式测量 1 ) 数字式测量 数字式测量是将被测的量以数字的形式来表示。测量信号一般为电脉冲，可以 直接把它送到焊接机器人进行比较、处理。如光栅位置检测装置。数字式测量装置 的特点是： ( 1 ) 被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理； ( 2 ) 测量精度取决于测量单位，和量程基本上无关( 但存在累积误差) ； ( 3 ) 测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。 2 ) 模拟式测量 模拟式测量是将被检测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等，焊 接机器人所用模拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距( 2 m m ) 内 的信号相位变化等。在大量程内作精确的模拟式测量时，对技术要求较高。模拟式 测量的特点是： ( 1 ) 直接测量被测的量，无需变换； ( 2 ) 在小量程内实现较高精度的测量，技术上较为成熟。如用旋转变压器、感应 同步器等。 2 增量式测量和绝对式测量 1 ) 增量式测量 增量式测量的持点是：只测位移量，如测量单位为0 o l m m ，则每移动0 0 1 r a m 就 发出一个脉冲信号。其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可作为测量的起 点。在轮廓控制的焊接机器人上大都采用这种测量方式。典型的测量元件有感应同 步器、光栅、磁尺等。在增量式检测装置中，移距是由测量信号计数读出的，一旦 计数有误，以后的测量结果则完全错误。因此，在增量式检测装置中，基点特别重 要。此外，由于某种事故( 如停电、因故停机，当事故排除后不能再找到事故前执行 部件的正确位置，这是由于这种测量方式没有一个特定的标记，必须将执行部件移 至起始点重新计数才能找到事故前的正确位置。下面介绍的绝对式测量装置可以克 服以上缺点。 2 ) 绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测 江苏大学工程硕士学位论文 点都有一个相应的测量值。装置的结构较增量式复杂，如编码盘中对应于码盘的每 一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要 求的二进制位数也愈多，结构也就愈复杂。 3 直接测量和间接测量 1 ) 直接测量 直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上，如光栅、感应同步器等用来直 接测量工作台的直线位移，其缺点是测量装置要和工作台行程等长，因此，不便于 在大型焊接机器人上使用。 2 ) 间接测量 间接测量装置是将检测装置安装在滚珠丝杠或驱动电机轴上，通过检测转动件 的角位移来间接测量执行部件的直线位移。间接测量方便可靠，无长度限制。其缺 点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量 精度n 5 1 。 2 4 3 正交信号的细分及判向 1 正交正弦波信号的细分 所谓正交正弦信号即 “一= u 。s i n ( c o ) ( 2 1 ) 甜b2 甜，s i n ( o + 9 0 。) ( 2 2 ) 其中，为位移量 写成相量式： 甜一= u l o 。 ( 2 3 ) u b = u z 9 0 。 ( 2 4 ) 我们以十六细分为例把这两个信号接到一个电阻网络上，如图2 8 所示。根据 相量运算的方法可以求得甜。“。的值，如图2 9 所示。 可以理解，当精确调整好缈。国坫，完全可以把材。甜。的1 6 个正弦波的相位差 间隔调到2 2 5 0 ，得到1 6 个正弦波。先不管这1 6 个正弦波的幅度。只须将这1 6 路信 号经过各自的过零比较器，即可得到间隔2 2 5 。的1 6 个方波。再经后面的微分，判 向，可逆计数等电路完成位移检测n 引。 1 4 江苏大学工程硕士学位论丈 一u _ 一u 口 足申麓申申麓申泸 如m u im m i埘m 1 5 ，皿申麓申笔申盖申玑 r 中乏申三。申乏1 申 图2 - 8 细分网络 u f 。 入 |，u 一ub 。 【，1 = u 图2 - 9 细分网络相量图 2 判向电路及可逆计数 现代焊接机器人中软件的作用越来越大，在很多问题的处理方面。软硬件结合 的作法越来越多。概述中提及的整形判向，可逆计数器现在很少有人采取独立硬件 环节来组合。这里我们介绍一种软硬结合的方法实现判向可逆计数的方法。 1 ) 硬件原理 硬件原理如图2 - 1 0 所示，7 4 l s 5 1 8 为8 位数据比较器，”i 材1 6 分别为甜i “1 6 经过零比较器后的方波，p p t 6 为两个7 4 l s3 7 7 的输出，均为c p u 控制。工作时 江苏大学工程硕士学位论文 若”i ”1 6 未发生变化时0 u t l 或0 u t 2 中必有一个为“0 产生中断请求信号。c p u 在中断服务程序中完成对“。- “。- s 的采样，并重置a p 1 6 使0 u t l 、o u t 2 重变为“1 ， 最后根据甜i 1 6 的状态与前一状态比较后作软件式可逆计数器的加或减，完成可逆 计数n 。 2 ) 数据比较及重置位的逻辑关系 根据数据比较器的逻辑关系得： o u t l = “10 p l “20p 2 “8op 8 ( 2 5 ) o u t 2 = “90 p 9 ”l o o p 1 0 甜1 6op 1