MOTOMAN機器人自動焊接系統(tǒng)設計

陳　浩　成群林　姜　恒　王學遠

(上海航天精密機械研究所，上海　201600)

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MOTOMAN機器人自動焊接系統(tǒng)設計

陳浩成群林姜恒王學遠

(上海航天精密機械研究所，上海201600)

為實現(xiàn)焊接過程的自動化，提升制造企業(yè)的生產(chǎn)自動化水平，設計了一種基于DeviceNet現(xiàn)場總線的機器人自動焊接系統(tǒng)。由MOTOMANDX100弧焊機器人、EWM交直流焊接電源和工業(yè)PC構建現(xiàn)場總線網(wǎng)絡；機器人通過總線控制焊接電源動作，并實時設定焊接過程工藝參數(shù)；采用基于工業(yè)PC的監(jiān)控系統(tǒng)進行焊機工作狀態(tài)的監(jiān)控和焊接參數(shù)的實時采集與存儲。應用結果表明，該系統(tǒng)操作簡單、穩(wěn)定性好，具有一定的推廣價值。

機器人PLC工業(yè)PC監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線LabVIEW自動焊接

0　引言

工業(yè)機器人具有通用性強、定位準確、性能可靠等特點，被應用于焊接領域，可以克服傳統(tǒng)手工操作質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點，提高焊接質(zhì)量，增加產(chǎn)量[1]。

當前，焊接設備集成商普遍采用離散的I/O硬接線方式實現(xiàn)機器人與焊機的通信。在惡劣的焊接環(huán)境下，各種干擾因素可能影響系統(tǒng)性能，降低焊接質(zhì)量。此外，由于需要調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)較多，傳統(tǒng)的離散I/O方式使得現(xiàn)場布線繁雜，維護成本較高。

本文基于DeviceNet現(xiàn)場總線技術，設計了一種由MOTOMAN機器人、EWM交直流焊接電源以及工業(yè)PC組成的自動焊接系統(tǒng)，實現(xiàn)了焊接過程的自動化以及工藝過程的實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)記錄。總線通信的方式可以解決現(xiàn)場布線繁雜的問題，同時提高系統(tǒng)通信的可靠性和穩(wěn)定性，保證工業(yè)過程質(zhì)量[2]。

1　系統(tǒng)總體方案

MOTOMAN機器人控制柜DX100控制本體的運動，將機器人臂送至預期工位，焊接電源則控制安裝在機器人執(zhí)行末端的焊槍、送絲機構以及保護氣路進行焊接。

為了準確、可靠地完成焊接工作，需要將機器人本體和焊接電源協(xié)調(diào)配合使用，因此，將焊接電源的控制權限接入機器人控制系統(tǒng)中，完成焊接電源和機器人兩者間的協(xié)調(diào)控制。

MOTOMAN弧焊機器人本身集成了DeviceNet現(xiàn)場總線接口，具備DeviceNet主站功能，可以通過DeviceNet總線，與配有數(shù)字化總線接口的EWM焊接電源進行通信，從而控制焊接電源的動作、設定工藝參數(shù)并接收反饋信息。

由于MOTOMAN機器人手持操作盒僅支持單個參數(shù)的實時調(diào)節(jié)，對于某些參數(shù)較多的焊接工藝，機器人不能滿足使用要求。因此，需要在總線網(wǎng)絡中增加站點，以實現(xiàn)多參數(shù)的調(diào)節(jié)。將配有DeviceNet通信接口卡的工業(yè)PC作為總線中的從站，通過其與機器人主站的數(shù)據(jù)交換，間接實現(xiàn)對某些焊接參數(shù)的設定和控制。同時，還可對系統(tǒng)工藝過程的狀態(tài)、參數(shù)進行實時的采集監(jiān)控和數(shù)據(jù)、圖像的存儲，以便現(xiàn)場工藝管控與后續(xù)的工藝研究。

自動焊接系統(tǒng)主要由焊接設備、機器人系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成，其結構如圖 1所示。

圖1　自動焊接系統(tǒng)結構圖

2　DeviceNet現(xiàn)場總線配置

焊接系統(tǒng)中，DeviceNet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的拓撲結構如圖2所示?；『笝C器人、焊接電源和工業(yè)PC分別通過T形分支器接入總線網(wǎng)絡中。

圖2　DeviceNet網(wǎng)絡拓撲結構圖

分別設定三個網(wǎng)絡節(jié)點的站號(MACID)，并選擇相同波特率參數(shù)，以確保通信速率的一致性。

DeviceNet主從站通信的基礎是主從站之間的遠程I/O通信，只需在主站單元中為每個從站單元分配DeviceNet通信的I/O區(qū)域，主從站即可通過各自DeviceNet通信區(qū)的輸入輸出地址映射關系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[3]。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部通信數(shù)據(jù)量的要求，在機器人主站內(nèi)部，分別為焊接電源從站與工業(yè)PC從站分配相應的DeviceNet通信區(qū)域，其映射關系如圖3所示。

圖3　DeviceNet通信區(qū)域映射關系示意圖

機器人DeviceNet通信區(qū)的輸入地址設定為2010.x～ 2049.x，輸出地址設定為3010.x～ 3063.x，具體分配如表1所示。

表1　DeviceNet通信區(qū)地址分配

3　機器人主站數(shù)據(jù)交換程序設計

3.1設計思路

在傳統(tǒng)的硬接線I/O集成模式下，機器人與焊接電源之間通過機器人的弧焊基板進行數(shù)據(jù)交互。機器人對焊接電源的控制，是通過改變弧焊基板接口電路在機器人PLC中所對應的映像寄存器的狀態(tài)值(0或1)來實現(xiàn)的[4]。機器人弧焊基板中，焊接相關信號對應的輸入/輸出寄存器、數(shù)據(jù)寄存器地址如表2所示。

表2　弧焊基板信號的寄存器地址

在現(xiàn)場總線模式下，機器人數(shù)據(jù)信號的輸入/輸出是對DeviceNet通信輸入/輸出區(qū)域的數(shù)字量狀態(tài)值(0或1)進行操作。在基于DeviceNet現(xiàn)場總線的焊接系統(tǒng)中，機器人作為網(wǎng)絡中的主站，是系統(tǒng)通信的核心站點?？偩€中對焊接電源的控制信號、設定參數(shù)以及由焊接電源反饋的數(shù)據(jù)信息，都需要經(jīng)過主站進行處理，由其自身接收或傳遞至另一從站。

3.2控制信息輸出

在焊接工作模式下，機器人系統(tǒng)的ARCON、ARCOFF、ARCSET等焊接作業(yè)命令必須直接作用于弧焊基板的內(nèi)部映像寄存器。因此，在用DeviceNet總線模塊替換弧焊基板實現(xiàn)機器人的外部通信時，仍需要保留這部分映像寄存器區(qū)地址，即機器人系統(tǒng)中與焊接命令固化了的相關接口地址保持不變。

基于此，在機器人PLC中編寫相應程序，建立輸出映像寄存器區(qū)、數(shù)據(jù)寄存器區(qū)與DeviceNet通信輸出區(qū)之間的映射關系，繼而與焊機總線接口模塊相對應，最終使機器人以總線形式進行焊接命令、參數(shù)的輸出。

焊接電源通過DeviceNet接口模塊接收的驅(qū)動參數(shù)信號按照其來源可分為三類：①只由焊接機器人控制；②由焊接機器人與工業(yè)PC共同控制；③只由工業(yè)PC監(jiān)控系統(tǒng)控制。

第①類信號由弧焊基板的寄存器區(qū)狀態(tài)值直接驅(qū)動，包括焊接啟動信號和焊接電流輸出信號，處理程序為：

STR32551OUT30100

STR30011MOVM561W30140

第②類信號由弧焊基板寄存器區(qū)與工業(yè)PC中的監(jiān)控系統(tǒng)共同驅(qū)動，兩者為邏輯“或”關系，包括送絲、退絲和保護氣控制，處理程序為：

STR32567OR20222OUT30102

STR32552OR20224OUT30104

STR32553OR20225OUT30105

第③類信號只由工業(yè)PC監(jiān)控系統(tǒng)控制，包括故障復位、監(jiān)控功能啟動、自動送絲啟動等開關量信號以及其他焊接參數(shù)，如脈沖基值電流、脈沖頻率、占寬比等。機器人PLC作為中間過渡，將其DeviceNet輸入?yún)^(qū)接收到的來自PC的數(shù)據(jù)信息傳遞至焊接電源的輸出區(qū)，處理程序為：

STR20221OUT30101

STR20227OUT30107

STR20232OUT30112

GSTR2025GOUT3013

GSTR2028GOUT3016

……

GSTR2047GOUT3035

3.3反饋信息輸入

焊接電源通過DeviceNet通信模塊將反饋的參數(shù)輸入至機器人主站中，由主站接收或傳遞至工業(yè)PC從站，因此主站的輸入數(shù)據(jù)處理分為反饋至機器人和反饋至工業(yè)PC兩部分。

①反饋至機器人。

為正確完成焊接操作，必須確保機器人臂末端焊槍的運動與焊接電源的起弧動作相協(xié)調(diào)，即只有在確認成功引弧后，機器人本體才繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的運動程序，因此，必須確保機器人能準確、及時地接收焊機輸出的引弧成功信號這一關鍵的反饋信息。此外，對于焊機所反饋的送絲、保護氣運行指示信號，需要確保在出現(xiàn)故障時，機器人能及時停止工作。

弧焊基板接口電路中，與輸入端子連接的輸入繼電器采用光電隔離的電子繼電器，其線圈的吸合或釋放動作只取決于其外部觸點的狀態(tài)，無法由內(nèi)部PLC程序驅(qū)動，即不能將輸入繼電器對應的寄存器位作為PLC程序中OUT語句的操作結果位。在輸出控制信息時所采用的區(qū)域映射關系，在接收反饋信息時不可行[5]。

在系統(tǒng)梯形圖中，將原先弧焊基板接收反饋信號的輸入點位替換為相應的DeviceNet通信區(qū)的輸入點位，即對系統(tǒng)梯形圖程序進行修改：

STR22550OUT70042→STR20136OUT70042

STR22551OUT70043→STR20135OUT70043

STR22553OUT70040→STR20100OUT70040

70040、70042和70043為機器人系統(tǒng)內(nèi)部信號，分別表示焊接電源的引弧確認、保護氣正常確認以及送絲正常確認，用作后續(xù)工作程序的啟動觸發(fā)條件。

②反饋至工業(yè)PC。

作為系統(tǒng)的監(jiān)控站點，工業(yè)PC需要實時獲取焊接電源的工作狀態(tài)以及焊接參數(shù)等信息。為此，機器人主站需要將DeviceNet輸入?yún)^(qū)接收到的來自焊機的數(shù)據(jù)信息傳遞至工業(yè)PC的DeviceNet輸出區(qū)，處理程序為：

GSTR2010GOUT3036

GSTR2011GOUT3037

在以往的傳統(tǒng)初中體育與健康課堂教學中，學習內(nèi)容相對容易并且單調(diào)，很難讓學生對體育產(chǎn)生興趣，學生容易感到厭惡或者無聊。而有效的體育游戲則可以讓學生能夠在愉悅的環(huán)境下吸收體育知識，鍛煉運動技能，增強體質(zhì)，從而有健康的身心發(fā)展。所以，不妨適當而合理地把體育游戲融入到體育與健康教學中，提高教學內(nèi)容的有趣度以及學生對學習體育的興趣，進而有效提高對課堂活動的主動參與意識。

……

GSTR2020GOUT3046

GSTR2021GOUT3047

對于焊接電源反饋到工業(yè)PC的數(shù)據(jù)信息，從中截取需要實時監(jiān)控的工作過程狀態(tài)信號以及待顯示、保存的參數(shù)值。該部分功能在監(jiān)控系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)。

4　工業(yè)PC監(jiān)控系統(tǒng)設計

在工業(yè)PC的PCI卡槽中插入HilscherDeviceNet通信卡CIFX50-DN，作為系統(tǒng)的從站，并在此基礎上編制監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

4.1工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)軟件作為Windows系統(tǒng)的應用程序，其與外部總線的數(shù)據(jù)交換原理如圖4所示。監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)用通信卡的API函數(shù)，由底層驅(qū)動程序直接對通信卡進行操作。在此過程中，在監(jiān)控系統(tǒng)軟件與通信卡的雙端口存儲器(dual-portmemory，DPM)之間交換數(shù)據(jù)流，從而實現(xiàn)了用工業(yè)PC對外部DeviceNet總線設備的狀態(tài)與參數(shù)監(jiān)控。

圖4　數(shù)據(jù)交換原理圖

4.2總體架構

圖5　監(jiān)控系統(tǒng)總體架構圖

當LabVIEW程序涉及對硬件的操作控制時，均調(diào)用封裝了API函數(shù)資源的動態(tài)鏈接庫文件CIFX32DLL.dll。在“調(diào)用庫函數(shù)”對話框中選擇庫中具體的API函數(shù)，并將參數(shù)的數(shù)量、類型以及返回值的類型與函數(shù)原型進行匹配，實現(xiàn)庫函數(shù)的調(diào)用[6-7]。

4.3功能模塊

監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設計方法，分為多個獨立的子模塊。由每個模塊實現(xiàn)特定的功能，再進行組合。主要功能介紹如下。

①硬件驅(qū)動權限處理。

對硬件進行操作的前提是獲取驅(qū)動程序的操作權限，再打開需要進行數(shù)據(jù)交換的通道。調(diào)用API函數(shù)xDriverOpen和xChannelOpen，獲得驅(qū)動的句柄hDriver和數(shù)據(jù)通道的句柄hChannel，供后續(xù)程序調(diào)用。在通信工作完成后，釋放操作權限以關閉通信功能。調(diào)用API函數(shù)xChannelClose和xDriverClose，先通過數(shù)據(jù)通信通道的句柄hChannel關閉該通道，再通過驅(qū)動的句柄hDriver關閉驅(qū)動。

②輸出數(shù)據(jù)配置。

由工業(yè)PC監(jiān)控系統(tǒng)站點傳遞至焊接電源的數(shù)據(jù)有1位二進制數(shù)表示的開關量和16位二進制數(shù)表示的數(shù)字量這兩種類型，分別用于開關信號和參數(shù)的設定。為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)類型，將所有輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)一重組成無符號16位整數(shù)數(shù)組的連續(xù)數(shù)據(jù)塊。

③數(shù)據(jù)輸出。

調(diào)用通信卡的數(shù)據(jù)通道寫入數(shù)據(jù)API函數(shù)xChannelIOWrite，通過已打開的數(shù)據(jù)通道的句柄hChannel獲取輸出操作權限，將配置完成的輸出數(shù)據(jù)塊傳遞至CIFX50-DN通信卡的DPM中；再將其輸出至緩沖區(qū)，并發(fā)送至DeviceNet現(xiàn)場總線中。

④數(shù)據(jù)輸入。

調(diào)用通信卡的數(shù)據(jù)通道讀取數(shù)據(jù)API函數(shù)xChannelIORead，通過已打開的數(shù)據(jù)通道的句柄hChannel獲取輸出操作權限。DeviceNet現(xiàn)場總線中輸入的所有數(shù)據(jù)經(jīng)過輸入緩沖區(qū)，傳遞至CIFX50-DN通信卡的DPM后，由監(jiān)控系統(tǒng)程序讀取數(shù)據(jù)。

⑤輸入數(shù)據(jù)后續(xù)處理。

監(jiān)控系統(tǒng)通過CIFX50-DN通信卡讀取的數(shù)據(jù)是無符號16位整數(shù)數(shù)組的形式，通過“索引數(shù)組”函數(shù)提取數(shù)據(jù)塊所需數(shù)據(jù)，以進行后續(xù)處理。

在監(jiān)控系統(tǒng)前面板中，將開關量狀態(tài)信號用“布爾顯示”控件表示。對于焊接電壓、焊接電流和送絲速度等需要實時監(jiān)控的焊接過程參數(shù)，通過“索引數(shù)組”函數(shù)獲取相應的輸入數(shù)字量；再根據(jù)反饋數(shù)字量與參數(shù)顯示值之間的線性對應關系進行轉(zhuǎn)化運算，得到實際參數(shù)值，通過“波形圖表”控件在前面板中實時顯示。

“波形圖表”控件內(nèi)部包含一個先入先出的緩沖區(qū)，用以臨時存儲歷史數(shù)據(jù)。焊接過程結束后，將過程中的緩存數(shù)據(jù)通過“寫入電子表格”函數(shù)寫入到Excel表格中，保存數(shù)據(jù)文本文件；再利用“波形圖表”“導出曲線圖像”，保存焊接過程中實時記錄的參數(shù)曲線圖像。

5　系統(tǒng)運行試驗

機器人自動焊接系統(tǒng)設計完成之后，進行系統(tǒng)試運行。系統(tǒng)運行流程如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)運行流程圖

采用該焊接系統(tǒng)進行焊接試驗，試驗結果表明，該套自動焊接系統(tǒng)實現(xiàn)了各項預期功能，且運行可靠。

6　結束語

本文設計了一種基于DeviceNet現(xiàn)場總線通信方式的自動焊接系統(tǒng)。首先，對現(xiàn)場總線網(wǎng)絡進行基礎配置；然后，在機器人主站中設計相關程序，實現(xiàn)了系統(tǒng)網(wǎng)絡站點間的數(shù)據(jù)交換；最后，以LabVIEW為開發(fā)平臺，設計了監(jiān)控系統(tǒng)軟件，可對整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及工藝過程參數(shù)進行實時監(jiān)控顯示與后續(xù)記錄保存。

自動焊接系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)硬接線集成模式下系統(tǒng)易受干擾、布線繁雜的缺點，提高了系統(tǒng)通信的可靠性和穩(wěn)定性，保證了工業(yè)過程質(zhì)量；同時，可對實際作業(yè)過程進行實時監(jiān)控，并對過程數(shù)據(jù)進行記錄與保存以供后續(xù)的工藝研究，具備實際工程推廣價值。

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DesignoftheMOTOMANRobotAutomaticWeldingSystem

Inordertorealizetheautomationofweldingprocess,andtopromotetheautomationlevelofmanufacturingenterprises,akindofrobotautomaticweldingsystembasedonDeviceNetfieldbusisdesigned.ThefieldbusnetworkisconstitutedbyMOTOMANDX100arcweldingrobot,EWMAC/DCweldingpowersupplyandindustrialPC;theoperationofweldingpowersupplyiscontrolledbytherobotviathefieldbusandthetechnologicalparametersoftheweldingprocessaresetupinrealtime;whilethemonitoringofoperatingstatusofweldingmachineandtherealtimeacquisitionandstorageoftheweldingparametersareconductedbythemonitoringsystembasedonindustrialPC.Theapplicationresultsshowthatthesystemissimpletooperateandstableinperformance,whichindicatesthatthesystemhassomepromotionalvalue.

RobotProgrammablelogiccontroller(PLC)IndustrialPCMonitoringsystemProfibusLabVIEWAutomaticwelding

陳浩(1991—)，男，現(xiàn)為上海航天技術研究院航空宇航制造專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事焊接自動化方向的研究。

TH-39;TP274

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609015

修改稿收到日期：2016-03-02。