機(jī)器人攪拌摩擦焊力位混合控制系統(tǒng)集成*

葉子平，王春桂，趙運(yùn)強(qiáng)，溫林秀

（1.廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510651；2.松山湖材料實(shí)驗(yàn)室，廣東東莞 523000）

0 引言

攪拌摩擦焊[1]是英國(guó)焊接研究所（TWI）于1990 發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)，近年來(lái)，憑借工業(yè)機(jī)器人優(yōu)越的靈活性和較高的自由度，以重載機(jī)器人為本體搭載的攪拌摩擦焊接設(shè)備[2]開始出現(xiàn)，攪拌摩擦焊是依靠攪拌頭與工件摩擦及攪拌頭軸肩對(duì)工件鍛壓進(jìn)行焊接的，在焊接過程中攪拌頭需要與工件保持一定的接觸面，也就是焊接工藝參數(shù)中的Z軸方向的壓下量，但攪拌摩擦焊接過程中伴隨著熱輸入量的積累，工件屈服強(qiáng)度逐漸降低且發(fā)生變形[3]，此外，機(jī)器人關(guān)節(jié)臂在垂直方向上因承受了較大的下壓力而變形[4]，兩者的變形共同導(dǎo)致了攪拌頭在焊接過程中無(wú)法取得理想的下壓量。目前在國(guó)內(nèi)已開發(fā)的攪拌摩擦焊專機(jī)及機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備已大部分集成了下壓力控制系統(tǒng)[5～6]，但下壓力控制系統(tǒng)主要是控制機(jī)器人Z方向的位移。此外在橫向位移上，機(jī)器人關(guān)節(jié)臂所受較大前進(jìn)阻力[7]而發(fā)生變形，其受力后的變形非常大，尤其是在焊接三維空間曲線時(shí)該問題尤其突出，在實(shí)際焊接時(shí)，經(jīng)實(shí)測(cè)，500 kg 級(jí)的重載機(jī)器人在300 kg 下壓力控制值下焊接空間曲線時(shí)X及Y方向的變形量可達(dá)2 mm，機(jī)器人本體的安裝條件也對(duì)該變形量有一定的影響。

單純采用下壓力控制系統(tǒng)并不能解決焊縫偏移問題，因此有必增加焊縫跟蹤系統(tǒng)來(lái)解決橫向偏移問題，將下壓力控制系統(tǒng)與焊接跟蹤系統(tǒng)組合集成到機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備中才能更好地解決焊縫偏移問題，滿足機(jī)器人攪拌摩擦焊的生產(chǎn)應(yīng)用。

將下壓力控制系統(tǒng)或焊接跟蹤系統(tǒng)集成至機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)通常是采用上位機(jī)或加外部PLC 形式，由于上位機(jī)一般是采用C++、VB 等編程語(yǔ)言進(jìn)行編制數(shù)據(jù)的采集與處理程序，在使用時(shí)有利于分散設(shè)備的集中控制及數(shù)據(jù)的后期分析，但由于程序語(yǔ)言的限制不能很好地實(shí)時(shí)適應(yīng)焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)如焊接過程中下壓力控制值需變化等要求，將位移反饋控制系統(tǒng)集成至機(jī)器人內(nèi)部控制器中將有利于工藝參數(shù)的控制及控制的實(shí)時(shí)性。為此，本文根據(jù)機(jī)器人攪拌摩擦焊接的工藝特點(diǎn)，同時(shí)考慮工藝參數(shù)調(diào)節(jié)的需要及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性，擬在機(jī)器人內(nèi)部控制系統(tǒng)中集成下壓力控制系統(tǒng)及焊接跟蹤系統(tǒng)，以滿足機(jī)器人焊接工藝要求。

1 攪拌摩擦焊主軸等外圍設(shè)備的集成控制

機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)主要由包含機(jī)器人控制器的機(jī)器人本體、攪拌焊電主軸及輔助設(shè)備所組成，系統(tǒng)集成主要是指電主軸及輔助設(shè)備等外部設(shè)施的控制。機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)PC、手持編程器、控制柜等組成，已配套成套可單獨(dú)運(yùn)行。外部設(shè)備的集成主要通過其控制柜的幾個(gè)外部接口進(jìn)行。其通訊方式主要是基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，目前主要有ProfiNet （工業(yè)以太網(wǎng)，是基于TCP/IP 的工業(yè)通訊系統(tǒng)）、開放式現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)EtherCAT 及EtherNet/IP 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)（EIP）3 種形式。其中ProfiNet 形式大多需要外部控制器如外部PLC 等，采用EtherCAT 形式則使用總線耦合器模塊與KR C4 里的輸入輸出端直聯(lián)，EtherNet/IP 實(shí)質(zhì)上就是以太網(wǎng)TCP/IP 針對(duì)工業(yè)用途的擴(kuò)展版。

機(jī)器人攪拌摩擦焊的外圍設(shè)備主要有電主軸及攪拌頭夾持液壓系統(tǒng)、空冷機(jī)與油冷機(jī)等輔助設(shè)備，其中電主軸是高集成度專用機(jī)頭，由帶速度反饋編碼器的高扭矩、高轉(zhuǎn)速交流稀土永磁同步電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器所組成。為提高集成系統(tǒng)的集成度，對(duì)于外圍設(shè)備的集成控制采用了借助于EtherCAT 協(xié)議[8]但不使用TwinCAT 或其他外部工控機(jī)及PLC 等進(jìn)行控制的集成系統(tǒng)，其控制原理為基于EtherCAT 協(xié)議利用EtherCAT 耦合器將需要控制的信號(hào)直接連入機(jī)器人內(nèi)部控制器KRC 中，在操作上無(wú)需關(guān)注其內(nèi)部通訊協(xié)議，控制信號(hào)主要是IO 信號(hào)，用于控制液壓系統(tǒng)電磁閥及主軸啟停與轉(zhuǎn)速設(shè)定等。外圍設(shè)備IO信號(hào)點(diǎn)通過耦合器端子模塊聯(lián)接至機(jī)器人主控制柜CIB接口板擴(kuò)展總線X44 接口，并使用軟件KUKA WorkVisual 將IO 信號(hào)點(diǎn)與機(jī)器人總線系統(tǒng)KRC 輸入輸出端相連，其控制過程可根據(jù)所需的邏輯關(guān)系編制成子程序在焊接主程序中調(diào)用或直接在主程序中設(shè)定。機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)集成如圖1所示。

圖1 機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)集成

2 下壓力控制系統(tǒng)

下壓力控制系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)和軟件兩部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有壓力傳感器、模擬量變送器及信號(hào)傳輸單元，3 個(gè)Z向壓力傳感器為HKM-SK1.0 型應(yīng)變片式傳感器，安裝于電主軸與機(jī)器人A6軸法蘭面聯(lián)結(jié)處，精度為±0.25%；變送器為FAP200 型，可輸出±10 V、±5 V和4～20 mA 信號(hào)，采樣頻率大于或等于100 Hz。焊接過程中，傳感器應(yīng)變橋受力后產(chǎn)生的模擬量信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器、BECKHOFF 模擬量輸入模塊和EtherCat 耦合器連接至機(jī)器人總線系統(tǒng)KRC 模擬量輸入端，主要采集主軸在Z軸方向受力數(shù)據(jù)；軟件主要是壓力反饋數(shù)據(jù)的處理與機(jī)器人的位移軌跡修正，同樣與外部設(shè)備的控制一樣不使用外部控制器而是使用KUKA 提供的機(jī)器人傳感器接口RSI[9]來(lái)進(jìn)行，RSI 是KUKA 提供的機(jī)器人傳感器接口，通過KUKA RSI Visual軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外接傳感器類設(shè)施的數(shù)據(jù)交換與處理。KUKA RSI Visual 與博途TIA Portal 軟件類似，以框圖設(shè)計(jì)控制程序后自動(dòng)生成XML 子程序在主程序調(diào)用?？刂圃砣鐖D2所示。

圖2 下壓力控制系統(tǒng)原理

RSI 控制單元對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，將處理的運(yùn)算結(jié)果輸出至機(jī)器人，引導(dǎo)其進(jìn)行位姿修正。數(shù)據(jù)從采集到機(jī)器人關(guān)節(jié)修正期間有一定的持續(xù)時(shí)間，這里采用PID[10]增量型控制方式對(duì)數(shù)據(jù)滯后進(jìn)行處理，解決控制不同步問題。PID控制公式如下：

式中：y（k）與y（k-1）為PID 算法的輸出值；x（k）、x（k-1）及x（k-2）為過程值；t為傳感器采樣周期，t=12 ms；KR、TN、TV為微積分系數(shù)。

本文根據(jù)攪拌摩擦焊接過程實(shí)際工況，將y（k）設(shè)定一個(gè)最大限定值（超調(diào)量），總階躍時(shí)間等作為約束條件對(duì)微積分系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，以優(yōu)化計(jì)算值作為初始值代入控制器中。圖3 所示為使用KUKA RSI Visual 軟件編寫的RSI 控制主程序框圖。除使用KUKA RSI Visual 編制數(shù)據(jù)處理及控制機(jī)器人焊接軌跡修正程序外，也可以借助機(jī)器人內(nèi)部控制器中可并行運(yùn)行的控制程序sps.sub將BECKHOFF 模擬量輸入模塊導(dǎo)入的壓力模擬值通過設(shè)定全局變量及子程序運(yùn)行方式來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接軌跡的修正。

圖3 RSI控制主程序

3 焊縫跟蹤控制系統(tǒng)

焊縫跟蹤系統(tǒng)使用北京創(chuàng)想公司生產(chǎn)的機(jī)器人專用激光焊縫跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)由CXZK-MED-TG2 激光焊縫跟蹤器及CXZK-KZH3S 機(jī)器人控制盒所組成，焊縫跟蹤控制系統(tǒng)采用激光式焊縫跟蹤控制，系統(tǒng)由激光發(fā)射器、光學(xué)傳感器和中央處理器構(gòu)成，通過控制盒內(nèi)置的程序算法完成對(duì)常見焊縫的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，為非接觸式跟蹤模式，可實(shí)時(shí)取得焊縫橫向及高度方向的偏差，通過后續(xù)位移修正程序可實(shí)時(shí)智能跟蹤，有效解決較大前進(jìn)阻力作用下的機(jī)器人關(guān)節(jié)臂變形而帶來(lái)的橫向焊接軌跡偏移問題。

焊縫跟蹤控制系統(tǒng)是采用MODBUS TCP 協(xié)議[11]作為服務(wù)器與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)交換報(bào)文主要由報(bào)文頭、功能碼及數(shù)據(jù)所組成，其中跟蹤器的控制指令為15字節(jié)，機(jī)器人讀焊縫指令12字節(jié)，跟蹤控制系統(tǒng)回復(fù)焊縫偏移值為17字節(jié)，其中11至14字節(jié)為X及Z的偏差值。

原焊縫跟蹤設(shè)計(jì)方案是機(jī)器人控制系統(tǒng)通過上位機(jī)及外部PLC[12-13]作為中間控制器經(jīng)由以太網(wǎng)KLI[14]接口與焊縫跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。與下壓力控制系統(tǒng)相同，為提高系統(tǒng)的集成度、實(shí)時(shí)性及適應(yīng)焊接工藝參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的需要，焊縫跟蹤控制系統(tǒng)也要求以機(jī)器人內(nèi)部控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行集成，為此取消使用上位機(jī)系統(tǒng)而改為經(jīng)由機(jī)器人以太網(wǎng)KLI 接口與焊縫跟蹤控制系統(tǒng)直接通信方式進(jìn)行。由于焊縫跟蹤控制系統(tǒng)端為采用ModbusTCP 協(xié)議，不同的指令其報(bào)文格式字節(jié)數(shù)各不相同，也與機(jī)器人端XML 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不匹配，不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為解決這個(gè)問題，根據(jù)ModbusTCP 通信是以16 進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送與接收的過程實(shí)質(zhì)就是按2 進(jìn)制進(jìn)行通信的特點(diǎn)，在機(jī)器人與焊縫跟蹤系統(tǒng)之間的通信同時(shí)使用XML 數(shù)據(jù)與二進(jìn)制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)交換通道來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者之間的直接通訊。采用此組合方式可解決在ModbusTCP 協(xié)議下激光跟蹤系統(tǒng)與機(jī)器人直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換問題，實(shí)時(shí)提取到焊縫橫向位置偏移數(shù)據(jù)，滿足控制需求。其中定義的XML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)連接通道使用TCP/IP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，用于控制焊縫跟蹤控制系統(tǒng)的使能與開啟關(guān)閉等，只執(zhí)行單向發(fā)送控制指令。二進(jìn)制數(shù)據(jù)連接通道使用TCP/IP傳輸控制協(xié)議，為12字節(jié)固定長(zhǎng)度，用于數(shù)據(jù)的接收與提取，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理子程序用字符型變量Bytes[]保存提取后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并經(jīng)計(jì)算處理后分配至預(yù)先已定義的KRC 輸出端，通過后續(xù)的RSI 處理程序控制機(jī)器人位移，也可以在主程序中直接控制機(jī)器人的位移。圖4～5所示為配置文件。

圖4 二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換配置文件

圖5 XML數(shù)據(jù)交換配置文件

圖6 所示為數(shù)據(jù)處理流程，圖7 所示為焊縫數(shù)據(jù)提取程序段，由于數(shù)據(jù)格式的限制，只能提取X方向的偏移值，但已能滿足焊縫跟蹤需求。另外值得注意的是機(jī)器人攪拌摩擦焊焊接的工件大部分為空間曲線，圓弧轉(zhuǎn)角多而且有些為閉合焊縫，因此，在焊縫離線編程時(shí)焊接姿態(tài)角只定義繞X與Y軸方向的BC 姿態(tài)角，主軸Z方向的姿態(tài)角A是不轉(zhuǎn)動(dòng)的，在此情況下，焊縫跟蹤不作為實(shí)時(shí)跟蹤，只用于焊接偏差值測(cè)量，配合離線編程來(lái)實(shí)現(xiàn)焊縫偏移補(bǔ)償。

4 結(jié)束語(yǔ)

考慮機(jī)器人攪拌摩擦焊工藝的特性，本文采用基于機(jī)器人內(nèi)部擴(kuò)展總線RSI 控制方式及EtherCAT 協(xié)議在機(jī)器人攪拌摩擦焊接設(shè)備上集成了下壓力控制系統(tǒng)、焊縫跟蹤控制系統(tǒng)，對(duì)二種控制參數(shù)的數(shù)據(jù)流處理進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并采用機(jī)器人控制系統(tǒng)中的RSI 圖形化語(yǔ)言進(jìn)行了編程。集成后的機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備不使用傳統(tǒng)的上位機(jī)及外部PLC 作為外部控制器，系統(tǒng)集成度高，信號(hào)處理及反饋實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可對(duì)焊接過程中的橫向和垂直方向焊接軌跡偏移量進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，且焊接過程支持外部人工干預(yù)修正軌跡，可為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中面臨的因焊接軌跡偏移而造成的接頭質(zhì)量下降問題提供一定的技術(shù)支撐。