基于川崎機(jī)器人三維激光切割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉園園 趙亞琴

摘要：本項(xiàng)目使用MicroChip公司的dspic33ep256mu806芯片，設(shè)計(jì)了一套基于川崎機(jī)器人Ethernet總線式三維激光切割控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了激光控制的模擬量、PWM模塊、川崎機(jī)器人、水冷機(jī)、CCD，切割頭、調(diào)高器交互的Ethernet模塊，以及相應(yīng)的IO模塊，基于C#的Winform設(shè)計(jì)了相應(yīng)的HMI界面使操作工可以更加方便的操作，最終實(shí)時(shí)控制使之可以相互協(xié)同，完成三維激光切割作業(yè)。常規(guī)機(jī)器人激光切割大量用于薄汽車鈑金加工，而本項(xiàng)目的CCD模塊可以大大提升厚鈑金件的激光加工效率。

關(guān)鍵詞：dspic33ep256mu806;川崎機(jī)器人;總線式;三維激光切割;CCD

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2020）21-00-02

0 引言

相較于五軸激光切割機(jī)床設(shè)備，機(jī)器人激光切割設(shè)備價(jià)格便宜，而且靈活性和可操作性也優(yōu)于五軸激光切割機(jī)床設(shè)備[1]。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)類設(shè)備[2]，學(xué)習(xí)成本要高于機(jī)器人操作的學(xué)習(xí)成本。三維激光切割機(jī)器人專門用于加工三維異形鈑金件，大量應(yīng)用于汽車鈑金加工領(lǐng)域，由于是三維空間作業(yè)，科學(xué)技術(shù)含量高，相對(duì)于傳統(tǒng)的三維加工，激光切割的加工精度更高且具備較好的靈活性和柔性。

1 川崎機(jī)器人

川崎機(jī)器人在搬運(yùn)、焊接、噴涂、打磨等行業(yè)有著相當(dāng)?shù)谋戎?，早年川崎重工以高速高性能聞名世界[3]。本項(xiàng)目所選用的是川崎RS020通用機(jī)器人，川崎機(jī)器人提供ProfiNet、CC-LINK、Ethernet等總線接口方便用戶靈活控制和對(duì)機(jī)器人進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[4]，而且還提供功能強(qiáng)大的AS語(yǔ)言，這是一種完全開(kāi)放式的語(yǔ)言，可編程性強(qiáng)，機(jī)器人相應(yīng)的姿態(tài)、速度、加速度、精度等都可以自己定義變量，可以廣泛應(yīng)用于各種需要自動(dòng)作業(yè)的場(chǎng)合。

該機(jī)器人重復(fù)定位精度為±0.04mm，水平伸展距離為1725mm，垂直伸展距離為3078mm，最大速度為11500mm/s，負(fù)載為20KG，6軸自由度，速度與臂展可以滿足大部分激光三維鈑金加工的作業(yè)要求。

2 基于dspic33ep256mu806的嵌入式控制系統(tǒng)

2.1 dspic33ep256mu806

PIC單片機(jī)在工業(yè)界和汽車界早已家喻戶曉，它的RISC結(jié)構(gòu)解決了早前馮諾依曼結(jié)構(gòu)單片機(jī)的瓶頸問(wèn)題后，更是以高效率、低功耗、高穩(wěn)定性，大電流驅(qū)動(dòng)及Flash技術(shù)特點(diǎn)，成為工業(yè)領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域的佼佼者[5]。

DPS的優(yōu)點(diǎn)在于，基于各種規(guī)模的集成電路，可以程序控制，也可模塊化控制，重復(fù)性好，計(jì)算同一序列的結(jié)果都不會(huì)有差異，而且穩(wěn)定性強(qiáng)，且容易實(shí)現(xiàn)各種卷積算法，便于各種需要高速信號(hào)處理的場(chǎng)合。

DSPIC是Microchip公司在原來(lái)PIC單片機(jī)的基礎(chǔ)上加入DPS數(shù)字信號(hào)處理器的功能，基于這兩個(gè)功能可以完成各種各樣的實(shí)時(shí)數(shù)字處理，最終應(yīng)用于電機(jī)控制、調(diào)制解調(diào)器、汽車電路產(chǎn)品、功能電路、工業(yè)控制等行業(yè)。

2.2 激光功率控制模塊

在鈑金件加工行業(yè)，光纖激光器則逐步代替效率低下的YAG激光器，成為金屬鈑金件加工行業(yè)的主流激光器[6]。

機(jī)器人三維激光切割使用的大部分是光纖激光器，該激光器的控制接口為0～10V模擬量接口，12V～24V的PWM占空比接口，控制導(dǎo)向光光閘和激光開(kāi)啟關(guān)閉，以及反饋激光器故障的I/O口。本項(xiàng)目中，選用的MAX5231芯片，通過(guò)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的SPI接口模塊編程，完成0～5V的DAC，再通過(guò)一個(gè)運(yùn)放，反向放大電壓由0～5V到0～10V即可完成激光器0～10V的模擬量接口控制。選用UCC27321芯片，通過(guò)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的PWM模塊編程，將PWM輸出口接到UCC27321的輸入口，使PWM的帶負(fù)載能力大大提升，可以滿足各種品牌激光器的負(fù)載需求。通過(guò)單片機(jī)的引腳和光耦相互連接，完成激光器導(dǎo)向光光閘和激光開(kāi)啟關(guān)閉I/O口的功能實(shí)現(xiàn)。

2.3 Ethernet總線模塊

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線區(qū)別于傳統(tǒng)控制線路繁雜的情況，以數(shù)字化協(xié)議的方式來(lái)完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備、零部件、分總成、控制裝置之間的控制，使之可以相互協(xié)作完成工業(yè)作業(yè)。在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，現(xiàn)場(chǎng)總線的好處在于它的抗干擾能力、接線方便、通信可靠性高、穩(wěn)定性好、可接入云端大數(shù)據(jù)等成為越來(lái)越多的工廠青睞的控制方式。

本項(xiàng)目中選用的是W5100芯片，這是一款嵌入式以太網(wǎng)控制器，擁有4個(gè)獨(dú)立的硬件SOCKETS，并且可以基于每個(gè)硬件SOCKET做獨(dú)立的TCP/IP開(kāi)發(fā)應(yīng)用，有著8KB的發(fā)送緩存區(qū)和接收緩存區(qū)，可以滿足中小項(xiàng)目的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)交互需求，減小單片機(jī)的開(kāi)銷，同時(shí)支持SPI和并行總線接口，實(shí)時(shí)性好，應(yīng)用于各種工業(yè)項(xiàng)目中。所以本項(xiàng)目選用此芯片，設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍電路，完成與川崎機(jī)器人、CCD模塊、調(diào)高器控制系統(tǒng)、焦距控制系統(tǒng)的通信控制。

2.4 氣壓控制模塊

激光切割的過(guò)程中，被加工的鈑金件因?yàn)椴牧系牟煌赡馨l(fā)生熔化切割、汽化切割，那么在這個(gè)時(shí)候，保護(hù)氣體的選擇性就顯得尤其重要。例如，在面對(duì)不銹鋼鈑金件加工的時(shí)候，我們需要選擇高純度的氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，不銹鋼鈑金件的斷面不會(huì)由于加工過(guò)程中的激光高熱量而導(dǎo)致氧化。但是在加工碳鋼鈑金件的時(shí)候，我們需要氧氣的助燃作用，使工件的加工速率提高，尤其是對(duì)于4mm厚度以上的碳鋼材料，氧氣氣壓控制更是決定了碳鋼材料加工后的斷面好壞。

本項(xiàng)目選用了高精度的比例閥控制模塊，控制接口為4～20ma的模擬量，選擇該電流模擬量的原因是抗干擾能力更好、傳輸距離遠(yuǎn)。該模擬量和1～10公斤的氧氣成線性比例關(guān)系，選用MAX5231模塊和運(yùn)放之后，在后面設(shè)計(jì)外圍轉(zhuǎn)換電路，將0～10V模擬量轉(zhuǎn)換為4～20ma模擬量，滿足碳鋼鈑金件的氣體控制需求。

2.5 調(diào)高器，焦距控制模塊

三維激光切割是一種高能量的切割，熱影響區(qū)小，但是單獨(dú)的激光焦點(diǎn)所聚集的能量較高，所以激光切割的過(guò)程對(duì)激光焦點(diǎn)的位置要求非常嚴(yán)格，而且在三維加工異形鈑金件的時(shí)候，由于工件大多數(shù)區(qū)域都是圓弧或者半圓弧形態(tài)，如果切割頭與板面的距離不能始終保持一致，那么將大大影響最終的切割效果[7]。

本項(xiàng)目中，選用了總線式電容式高度跟蹤系統(tǒng)，切割頭前面的金屬噴嘴與被加工鈑金件之間的距離產(chǎn)生的間隙電容，通過(guò)采集、放大、濾波、處理等外圍電路設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)化為切割頭與被加工鈑金件之間的距離，再通過(guò)PID算法，控制切割頭上方的電機(jī)和切割頭內(nèi)部的激光聚焦鏡電機(jī)，然后動(dòng)態(tài)地調(diào)整切割頭和鈑金件之間的距離和激光的焦點(diǎn)位置?；趀thernet的總線方式，可以保證調(diào)高器控制模塊和聚焦控制模塊的高實(shí)時(shí)性、高穩(wěn)定性和抗干擾性，從而可以滿足高速激光切割的需求[8]。

2.6 CCD視覺(jué)模塊

目前，機(jī)器視覺(jué)與深度學(xué)習(xí)是人工智能迅猛發(fā)展的一個(gè)重要方向[9]。通過(guò)CMOS或者CCD等圖像攝取器，采集圖像信號(hào)，再轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后再進(jìn)行圖像處理，獲得被采集目標(biāo)的各種信息，如形態(tài)、坐標(biāo)、亮度、顏色等，控制系統(tǒng)對(duì)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行各種卷積、池化來(lái)提取目標(biāo)的相關(guān)特征值[10]，送入設(shè)備主控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，最終完成設(shè)備的控制。

本項(xiàng)目中選擇的CCD模塊是針對(duì)厚異形鈑金件進(jìn)行加工的，目前厚板的加工使用的是分段穿孔和漸進(jìn)穿孔的控制模式，由DSPIC主控制系統(tǒng)、調(diào)高器和焦距控制模塊協(xié)同完成。這樣穿孔的效率其實(shí)并不高，所以在此基礎(chǔ)上增加了CCD視覺(jué)模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控穿孔的過(guò)程，只要激光一旦穿過(guò)厚鈑金件，CCD模塊通過(guò)計(jì)算后，立刻返回一個(gè)信號(hào)給DSPIC控制系統(tǒng)，通知DSPIC控制系統(tǒng)已經(jīng)完成穿孔的工藝，可以進(jìn)行切割，由此，大大提高了厚鈑金件加工效率。

3 基于C#的Winform人機(jī)交互界面

Winform是基于.NET Framework環(huán)境的開(kāi)發(fā)技術(shù)，它含有窗體、控件、圖形平臺(tái)，可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，部署各種圖像，與傳統(tǒng)的Windows應(yīng)用程序MFC相比，做了大量的封裝和保護(hù)，不會(huì)輕易出現(xiàn)類似指針內(nèi)存泄漏的情況[11]，雖然在運(yùn)行速度上和MFC相差了一個(gè)等級(jí)，但是在有嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制裝置情況下，不需要太好的運(yùn)行效率，簡(jiǎn)單，好上手，可以快速開(kāi)發(fā)各類工業(yè)控制的上位機(jī)HMI界面。

本項(xiàng)目使用Winform進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該HMI涵蓋了與機(jī)器人的實(shí)時(shí)交互，與DSPIC控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互，基于Ethernet總線下的TCP/IP，完成了機(jī)器人的各軸示教模式下的點(diǎn)動(dòng)、機(jī)器人的坐標(biāo)顯示、機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度顯示、手動(dòng)設(shè)置激光器的功率大小、PWM的大小、調(diào)高器的高度設(shè)定、焦距的設(shè)定、輔助氣體的氣壓設(shè)定、激光器光閘開(kāi)關(guān)、輔助氣體比例閥電磁閥的開(kāi)關(guān)、CCD視覺(jué)模塊的反饋控制等，實(shí)現(xiàn)了各模塊的相互配合。

4 操作流程的實(shí)現(xiàn)

首先，操作工通過(guò)上位機(jī)HMI監(jiān)測(cè)各種模塊的反饋信號(hào)，看是否存在警報(bào)。如果不存在警報(bào)，則開(kāi)始設(shè)定激光器的功率大小，PWM的大小，設(shè)定調(diào)高器的高度，焦距，設(shè)定輔助氣體的氣壓，測(cè)試激光器光閘開(kāi)關(guān)，輔助氣體比例閥電磁閥的開(kāi)關(guān)是否存在故障，檢測(cè)光斑中心點(diǎn)位置是否正常，檢測(cè)CCD視覺(jué)模塊的反饋控制是否正常。

在各模塊都正常的情況下，根據(jù)加工鈑金件的厚度，材料，選擇不同的激光加工工藝，然后開(kāi)始示教編程，完成各種LMOVE、C1MOVE、C2MOVE，并且指定相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度。在完成編程之后，將機(jī)器人由示教模式切換到循環(huán)模式，運(yùn)行剛剛示教的程序。

在循環(huán)的過(guò)程中，如果存在切割頭沒(méi)有垂直于加工面，或者切割頭與工件相互干涉的情況，那么停下來(lái)，切換回示教模式，對(duì)問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行重新位置修正。在確認(rèn)循環(huán)模式下沒(méi)有問(wèn)題后，打開(kāi)激光器的光閘總開(kāi)關(guān)，進(jìn)行最終的三維激光切割作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著用人成本的逐步提高，通過(guò)機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備替換人工作業(yè)已是大勢(shì)所趨，未來(lái)重復(fù)密集性勞動(dòng)必將被機(jī)器人完全取代。本文介紹了基于川崎機(jī)器人與DSPIC嵌入式控制系統(tǒng)的三維激光切割機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)不同的程序設(shè)定，可以滿足更多企業(yè)柔性化生產(chǎn)的要求，為企業(yè)降低大量的生產(chǎn)成本?；贓thernet的總線控制架構(gòu)，不但通信速度快、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)，還易于連接控制其他機(jī)器人作業(yè)線，如傳送帶上的碼垛機(jī)器人、噴涂機(jī)器人等生產(chǎn)模塊，以便減少生產(chǎn)周期。隨著越來(lái)越多用戶的個(gè)性化定制需求，該Ethernet總線式控制模塊可以直接接入互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，將所有監(jiān)控的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)等上傳到云端，實(shí)現(xiàn)更多的功能，使工業(yè)生產(chǎn)更加數(shù)據(jù)化和智能化，擁有更好的發(fā)展前景。

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作者簡(jiǎn)介：劉園園（1994—），女，山東菏澤人，碩士在讀，研究方向：工業(yè)智能控制。

趙亞琴（1973—），女，山西忻州人，博士，教授，系本文通訊作者，研究方向：圖像處理、智能控制。