弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

摘 要：本文對(duì)工業(yè)弧焊機(jī)器人進(jìn)行了論述，尤其是對(duì)其控制系統(tǒng)的內(nèi)部與外部連接進(jìn)行了詳細(xì)的描述，明確提出可以通過(guò)修改伺服放大器的參數(shù)來(lái)選擇使用伺服放大器的通訊功能，并對(duì)工業(yè)計(jì)算機(jī)和伺服放大器的數(shù)據(jù)傳輸與匹配功能進(jìn)行了具體說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：弧焊；機(jī)器人；控制系統(tǒng)；伺服放大器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.027

1 弧焊機(jī)器人概述

工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一，今年來(lái)工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量增長(zhǎng)迅猛，這也加速了工業(yè)化進(jìn)程，尤其是最近幾年在中國(guó)，現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中正在應(yīng)用的機(jī)器人有半數(shù)是焊接機(jī)器人。研究資料顯示，截止到目前為止已經(jīng)出現(xiàn)了三代弧焊機(jī)器人，其中最新的第三代弧焊機(jī)器人是集多種傳感器于一身的高智能機(jī)器人，他在接受作業(yè)指令后能根據(jù)客觀環(huán)境自行編程，有些弧焊機(jī)器人還能適時(shí)調(diào)整程序以適應(yīng)環(huán)境的改變，因此，人工智能化程度很高，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科研院所里面目前主要是這類機(jī)器人[1]。

目前，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中尤其是汽車(chē)制造類企業(yè)和汽車(chē)零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人所占比重較高，這為工業(yè)生產(chǎn)注入了活力。在汽車(chē)制造類企業(yè)中主要是點(diǎn)焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人兩種，其中弧焊機(jī)器人占40%。最近幾年我國(guó)焊接機(jī)器人的研究也逐漸展開(kāi)，特別是在大型厚鋼板的焊接機(jī)器人研究方面，上海寶鋼焊接中心開(kāi)發(fā)的雙絲焊實(shí)驗(yàn)設(shè)備已制造完畢并通過(guò)檢驗(yàn)；新松公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的RH6弧焊機(jī)器人具有6個(gè)自由度，最大工作負(fù)荷6公斤，其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念已達(dá)到國(guó)際一流水平[2]。

2 弧焊機(jī)器人的構(gòu)造

一臺(tái)完整的弧焊機(jī)器人要包括機(jī)器人的機(jī)械手、控制系統(tǒng)、焊接裝置和焊件夾持裝置，其中的焊接裝置應(yīng)包括焊槍、焊接電源和送絲機(jī)構(gòu)，這是弧焊機(jī)器人必須具有的部分，也是弧焊機(jī)器人區(qū)別于其他機(jī)器人的特征，弧焊機(jī)器人必須配備弧焊電源。機(jī)械手多種多樣，正置關(guān)節(jié)式是比較常見(jiàn)的一種，它機(jī)構(gòu)靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、空間利用率高、工作空間大并與焊槍固定，用來(lái)帶動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)。夾持裝置用來(lái)夾持焊件，有些弧焊機(jī)器人上面裝有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，便于調(diào)整焊件位置。

現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用的弧焊機(jī)器人通常有5個(gè)或6個(gè)自由度，焊接速度很高，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)焊接速度可達(dá)60m/min以上，用于教學(xué)科研的弧焊機(jī)器人焊接速度相對(duì)較低，主要以演示和功能實(shí)現(xiàn)為主，可以通過(guò)示教和再現(xiàn)方式或者通過(guò)編程方式進(jìn)行工作，可操作性很強(qiáng) [3]。

3 弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)與外圍設(shè)備的連接

弧焊機(jī)器人的控制系統(tǒng)不但要控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)定運(yùn)動(dòng)方向，還要控制外圍設(shè)備的所有動(dòng)作，包括信號(hào)傳輸，用來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備的開(kāi)啟、切斷以及安全防護(hù)。圖1是弧焊機(jī)器人與外部設(shè)備的信號(hào)連接圖。

弧焊機(jī)器人的控制系統(tǒng)與外部設(shè)備連接時(shí)，傳輸方式有很多種，但通信信號(hào)的形式只有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)兩種。其中控制柜與外圍設(shè)備用模擬信號(hào)聯(lián)系，外圍設(shè)備包括弧焊電源、送絲機(jī)構(gòu)和變位器、夾具等操作裝置。數(shù)字信號(hào)用來(lái)控制設(shè)備的啟停、狀態(tài)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控，以及設(shè)備在使用過(guò)程中的故障報(bào)警和排除，同時(shí)還要保證設(shè)備的安全。

弧焊機(jī)器人的工作方式大多采用示教式，這跟第一臺(tái)弧焊機(jī)器人的研究初衷有很大關(guān)系，大多數(shù)弧焊機(jī)器人都有一個(gè)可以操作的示教盒，從始點(diǎn)開(kāi)始，然后用按鍵的方式來(lái)確定焊接位置、運(yùn)動(dòng)方式（直線或圓弧）、焊槍擺動(dòng)方式、角度以及各種焊接參數(shù)。同時(shí)還可利用示教盒控制外圍設(shè)備的運(yùn)動(dòng)速度等。利用示教盒還可實(shí)現(xiàn)焊接工藝操作，包括引弧、施焊、熄弧、填滿弧坑等。演示完成后，弧焊機(jī)器人的控制系統(tǒng)會(huì)把程序進(jìn)行自動(dòng)編輯，等程序生成后即可進(jìn)行實(shí)際的焊接操作。

3.2 控制系統(tǒng)通訊功能的實(shí)現(xiàn)

弧焊機(jī)器人本體一般都有六個(gè)自由度，這是為了實(shí)現(xiàn)任意角度的焊接，因此，需要六個(gè)伺服電機(jī)和相匹配的伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，伺服放大器連接的工業(yè)計(jì)算機(jī)發(fā)出指令后，伺服放大器會(huì)接收到并發(fā)出應(yīng)答信息來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸和通訊，如果想伺服放大器連續(xù)讀取數(shù)據(jù)，那工業(yè)計(jì)算機(jī)必須重復(fù)不斷地發(fā)送指令。工業(yè)計(jì)算機(jī)在發(fā)送指令或數(shù)據(jù)的同時(shí)必須明確是傳遞給哪一個(gè)伺服放大器，這樣傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只對(duì)指定的伺服放大器才有效，這樣就可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)傳輸。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果不指定是哪一個(gè)伺服放大器，即不提前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸限定時(shí)，那么發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)所有連接在總線上的伺服放大器都有效[4]。

4 結(jié)論

弧焊機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)和教學(xué)科研中起著越來(lái)越重要的作用，而控制系統(tǒng)是弧焊機(jī)器人的核心與靈魂，我們對(duì)弧焊機(jī)器人的控制系統(tǒng)內(nèi)部與外部連接進(jìn)行了詳細(xì)的描述，明確提出可以通過(guò)修改伺服放大器的參數(shù)來(lái)選擇使用伺服放大器的通訊功能，并對(duì)工業(yè)計(jì)算機(jī)和伺服放大器的數(shù)據(jù)傳輸與匹配功能進(jìn)行了具體說(shuō)明。

參考文獻(xiàn)：

[1]王銳.焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)研究分析[J].電子世界，2013（12）：105.

[2]張曉輝.焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].上海：東華大學(xué)，2009.

[3]邱葭菲.焊工工藝學(xué)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2005：173-174.

[4]李永明，王健.焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究[J].儀表技術(shù)，2009（06）：31-33.

作者簡(jiǎn)介：張國(guó)政，男，山東濰坊人，工學(xué)碩士，講師，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與焊接技術(shù)。