基于高速DSP技術(shù)的低成本智能焊接機器人設(shè)計與研究

盧紹慶

(中國船舶集團有限公司 七五〇試驗場，昆明 650216)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展，焊接技術(shù)在機械設(shè)備生產(chǎn)制造、危險性較大的核工業(yè)、航空航天技術(shù)、交通能源技術(shù)、化工石油及建筑領(lǐng)域、電子生產(chǎn)行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，先進計算機設(shè)計/控制技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)、智能數(shù)控技術(shù)及無人機器人技術(shù)的發(fā)展為自動化無人焊接技術(shù)奠定了堅實基礎(chǔ)。

在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要用焊接工藝將金屬件、金屬板進行固定連接[1]，一般采用手工方式完成這種焊接工作，但是存在明顯的不足之處：(1)焊接質(zhì)量依賴焊工技術(shù)水平及操作時的臨場發(fā)揮狀態(tài)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，操作人員勞動強度大，身體容易疲勞，勞累后易出錯，這直接影響到焊接產(chǎn)品的制造質(zhì)量問題；(2)焊接環(huán)境一般比較惡劣，焊接過程會產(chǎn)生有毒氣體、物質(zhì)及光輻射，對工人的身體健康造成明顯損害；(3)純手工操作，除產(chǎn)品焊接質(zhì)量難以保證外，勞動安全生產(chǎn)事故率較高，而生產(chǎn)效率還比較低[2]。

針對目前存在的這些情況，資金流轉(zhuǎn)比較充裕的國內(nèi)公司、企業(yè)普遍采取直接引進國外技術(shù)較先進的通用工業(yè)機器人解決問題；但是進口產(chǎn)品往往價格昂貴、現(xiàn)場維修困難、維護保養(yǎng)成本較高，而且國外廠家經(jīng)常將常用功能設(shè)計為擴展功能配件，需要額外采購以提高附加值，這些配件甚至達到和機器人本體比擬的較高價格，這種行為是多數(shù)企業(yè)所無法承擔的。

因此集中力量，開發(fā)一種符合我國實際國情，針對專門焊接生產(chǎn)的工作任務(wù)，且設(shè)備精度適中，價格明顯便宜、易于維護保養(yǎng)、而焊接質(zhì)量達到標準的智能化工業(yè)機器人勢在必行。

1 低成本焊接機器人結(jié)構(gòu)

圖1所示為一種可以替代進口昂貴產(chǎn)品，基于現(xiàn)代高速DSP控制技術(shù)開發(fā)的低成本工業(yè)智能焊接機器人結(jié)構(gòu)。

圖1 焊接機器人組成結(jié)構(gòu)圖

低成本工業(yè)智能焊接機器人由支撐底座、機器人主豎軸、機器人大搖臂、機器人小搖臂、焊槍立軸、焊槍立軸外套軸、焊槍頭、齒輪組、電機組、編碼器組、機器人控制器等部分組成。

其中，焊接機器人支撐底座上設(shè)計有調(diào)整裝置，可以手動調(diào)節(jié)整個機器人水平位置，給機器人提供一個穩(wěn)固的操作基礎(chǔ)。如圖1所示，支撐底座上設(shè)置有一個機器人主豎軸，作為機器人主體。在機器人主豎軸上設(shè)計安裝有一個可以圍繞主豎軸轉(zhuǎn)動的大搖臂(機器人主臂)，通過主臂可以控制機器人的活動范圍。

在機器人大搖臂的外端部位，通過鉸接方式，設(shè)計了一個機器人小搖臂，擴展機器人活動范圍，小搖臂可以圍繞大搖臂鉸接部位自由活動。在機器人小搖臂的外端部位，通過鉸接方式，設(shè)計了一個可以垂直運動的焊槍立軸，在焊槍立軸外面設(shè)計一個焊槍立軸外套軸，可以圍繞焊槍立軸做旋轉(zhuǎn)運動。在焊槍立軸外套軸的下端部位鉸接一個焊槍頭作為作業(yè)工裝[3]。

在機器人大搖臂、小搖臂，機器人立軸、立軸外套軸，以及焊槍頭的旋轉(zhuǎn)部位專門獨立安裝了一套電機驅(qū)動、檢測機構(gòu)，包含驅(qū)動電機、減速齒輪以及傳感器組(編碼器及位置檢測傳感器)。機器人大搖臂和小搖臂的轉(zhuǎn)動動作，機器人立軸的升降運動，以及焊槍頭的擺動動作均通過相應(yīng)的驅(qū)動電機及減速齒輪帶動運行，通過同軸安裝的編碼器及位置檢測傳感器對轉(zhuǎn)動角度或升降位移信號進行采集測量[4]。

在焊接機器人的上方位置，安裝一臺機器人控制器，內(nèi)含機器人運動控制電路、機器人操作界面、手動控制按鈕等部分。通過電纜將各編碼器及位置檢測傳感器信號接入控制器，通過機器人控制器實時控制各驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動，最終帶動機器人大搖臂、小搖臂轉(zhuǎn)動，機器人立軸、立軸外套軸和焊槍頭的相應(yīng)動作[5]。

智能焊接機器人的關(guān)鍵核心技術(shù)在于控制其動作的運動控制系統(tǒng)。

2 焊接機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

為了能夠原位替代進口某型昂貴的專用焊接機器人系統(tǒng)，需要對原系統(tǒng)設(shè)備進行專門分析研究。由于國外技術(shù)封鎖，進口設(shè)備可供研究的資料很少，機器人大多數(shù)技術(shù)指標缺乏，只能從實機能夠達到的技術(shù)能力進行逆向研究，并參考說明書上簡要的描述進行分析。

對比進口智能焊接機器人，得到如下機器人技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)，作為替代進口設(shè)備的參考技術(shù)指標。

2.1 機器人主要技術(shù)指標

機器人主要指標參數(shù)包括如下。

1)作業(yè)對象：平面焊接、簡單平面多曲線焊接、復雜三維空間焊接、復雜三維空間多工位多點、多部位、連續(xù)焊接；

2)示教學習能力：具備人工介入半自動示教學習，脫機自動運行能力；

3)焊接質(zhì)量：超過熟練專業(yè)焊工水平；

4)供電電源：AC220V；

5)設(shè)備能耗：1.5 kW；

6)設(shè)備重量：小于178 kg；

7)設(shè)備尺寸：1 100 mm×980 mm×1 450 mm(長×寬×高)；

8)主要附件：觸摸式控制面板、手持操作器、標準焊機安裝工裝；

9)焊接工裝：標準焊機(AC220V供電、RS485通信接口控制)。

2.2 機器人控制系統(tǒng)組成

智能焊接機器人的核心控制系統(tǒng)組成如圖2所示，控制系統(tǒng)采用基于現(xiàn)代DSP(數(shù)字信號處理器)技術(shù)架構(gòu)為核心構(gòu)建運動控制器，主要由DSP運動控制器、步進電機驅(qū)動器、步進電機、手持操作器、編碼器、電源等組成。

圖2 焊接機器人控制系統(tǒng)組成

從技術(shù)角度而言，智能焊接機器人實際上是一個多自由度(多關(guān)節(jié))運動控制的機器人，其機器人大搖臂、小搖臂，機器人立軸，以及可以旋轉(zhuǎn)運動的焊槍均為單個可以獨立運動的關(guān)節(jié)，構(gòu)成了四自由度運動機器人模型。

其中DSP運動控制器為焊接機器人系統(tǒng)的控制核心，主要完成機器人多自由度(多關(guān)節(jié))運動控制數(shù)學建模，根據(jù)各編碼器測量得到的各個關(guān)節(jié)手臂的運動角度，解算得到最末關(guān)節(jié)處連接的焊槍的絕對坐標位置，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的運動控制模式(直線運動或圓弧運動)，進行直線插補計算或圓弧插補運算，得到下一個機器人各關(guān)節(jié)的目的運動軌跡點，再解算出各個關(guān)節(jié)手臂的目標運動角度，并將控制指令發(fā)送到驅(qū)動各個關(guān)節(jié)的步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動對應(yīng)的步進電機進行旋轉(zhuǎn)動作，從而完成一次各關(guān)節(jié)運動控制動作。

機器人控制系統(tǒng)采用增量式編碼器測量焊接機器人各個關(guān)節(jié)的實際位置，并使用對射式光電傳感器測量各關(guān)節(jié)的物理零點位置，供機器人上電時執(zhí)行自動“回零位”操作，建立角位移測量系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)擴展兩路RS485通訊鏈路，一路連接手持操作器，用于操作人員進行機器人手動控制及示教操作。另一路用于連接智能焊機，進行聯(lián)動控制。焊接機器人各運動手臂使用步進電機進行驅(qū)動控制，根據(jù)實際安裝位置，依次分為X軸、Y軸、Z軸、A軸、焊槍手腕共五軸聯(lián)動。

3 焊接機器人運動控制器

焊接機器人運動控制器是整個焊接機器人系統(tǒng)的中樞神經(jīng)大腦，主要由計算機硬件、計算機軟件和專門設(shè)計的電路組成。其中計算機硬件為計算機軟件系統(tǒng)提供運行平臺[6]，計算機軟件的控制功能通過硬件平臺去實現(xiàn)。焊接機器人控制器的應(yīng)用軟件由操作系統(tǒng)軟件和用戶應(yīng)用軟件組成，整個應(yīng)用軟件包括了焊接機器人專用語言(G代碼)翻譯解析、機器人運動學解算、動力學計算、焊接系統(tǒng)硬件控制、機器人系統(tǒng)自診斷、自保護等功能。

考慮到機器人控制系統(tǒng)需要進行大量運動學和動力學實時數(shù)學運算，因此焊接機器人運動控制器采用現(xiàn)代DSP(數(shù)字信號處理器)技術(shù)構(gòu)建控制系統(tǒng)。焊接機器人運動控制器主要由DSP(數(shù)字信號處理器)、RS485通訊擴展電路、并行輸入擴展電路、增量式編碼器擴展電路、并行輸出擴展電路、步進電機控制差分輸出擴展電路、存儲器電路、電源變換電路及設(shè)備外殼等組成(如圖3所示為DSP控制系統(tǒng)組成)。

圖3 DSP控制系統(tǒng)組成

其中，DSP(數(shù)字信號處理器)選用美國TI公司高性能、高速度TMS320VC33型浮點型DSP作為主控制器，TMS320VC33是美國TI公司推出的TMS320系列第三代數(shù)字信號處理器，作為C32系列DSP的升級產(chǎn)品，TMS320VC33 基于32位浮點運算單元，采用LQFP-144引腳封裝，在國內(nèi)外目前使用較廣泛的浮點型DSP芯片，設(shè)計人員易上手，最快單指令周期執(zhí)行時間為13 ns，CPU具備定點數(shù)運算75 MIPS、浮點數(shù)運算150 MFLOPS的處理能力[7]。

VC33型DSP芯片功耗較低，一般情況下不到200 mW，其I/O接口供電為3.3 V電平范圍，CPU內(nèi)核為1.8 V電壓。芯片內(nèi)部將程序總線、地址總線、DMA(直接存儲器訪問)總線分開設(shè)計，允許CPU同時執(zhí)行讀取程序指令代碼、數(shù)據(jù)讀寫、DMA等并行操作；其指令代碼和數(shù)據(jù)的位字長為32位，CPU地址操作線有24條(bit0-bit23)，全部可以尋址地址空間為16 M×32位=64 M字節(jié)；程序空間、數(shù)據(jù)控制、I/O空間都包含在這16 M×32位的地址空間內(nèi)統(tǒng)一編址訪問。

如圖3所示，DSP運動控制器使用外部10 MHz有源晶振產(chǎn)生DSP外部時鐘信號FOSC，通過DSP片內(nèi)PLL鎖相環(huán)倍頻[8]，產(chǎn)生速度達到150 MHz的系統(tǒng)時鐘SYSCLK，供DSP內(nèi)核系統(tǒng)及外部擴展設(shè)備使用，DSP核心電路如圖4所示。

圖4 DSP核心電路圖

DSP外部擴展兩片高速大容量SRAM存儲器ISSI6416陣列(容量64 k×16位×2=256 k字節(jié))，用于高速數(shù)據(jù)緩存及程序緩存，并擴展1 M字節(jié)SAMSUN公司NAND FLASH陣列作為程序存儲器及參數(shù)數(shù)據(jù)存儲用。DSP上電復位后，先執(zhí)行BOOT功能，將軟件代碼從片外NAND FLASH中載入高速SRAM存儲器中，然后指令指針轉(zhuǎn)到片外高速SRAM中高速運行指令代碼[9]。

控制器擴展了兩通道隔離RS485串行通訊接口，用于連接智能焊機和手持操作器。擴展了隔離五通道增量式光電編碼器計數(shù)接口，用于連接焊接機器人各個關(guān)節(jié)上同步運行的編碼器，實時測量各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度。

運動控制器擴展了16路并行DC24V輸入接口，連接機器人各關(guān)節(jié)安裝的機械零位傳感器，用于測量機器人關(guān)節(jié)的物理零位位置；接入人機操作按鈕、開關(guān)、急停保護按鈕等輸入指令。運動控制器擴展了16路并行DC24V輸出接口，用于驅(qū)動機器人手臂上安裝的電磁離合器、指示燈及控制焊機動作。

為了提高整個機器人控制系統(tǒng)的抗干擾能力，運動控制器專門擴展了多通道高速差分輸出接口，控制器與步進電機驅(qū)動器之間采用高速差分信號傳輸控制指令，對步進電機進行實時控制。

4 機器人驅(qū)動機構(gòu)

機械手是焊接機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，主要由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機器人臂關(guān)節(jié)和各種內(nèi)部傳感器等組成。其任務(wù)是精確地保證安裝于機械手末端的操作機構(gòu)的準確位置，以及機構(gòu)的姿態(tài)，并按照要求進行運動控制[10]；焊接機器人的機械手在組成結(jié)構(gòu)上具有4個及以上可自由編程的運動自由關(guān)節(jié)(第五個為半自由運動關(guān)節(jié))，在控制邏輯上可以分為主關(guān)節(jié)和次關(guān)節(jié)兩個控制層次，將不同數(shù)目和不同層次的控制關(guān)節(jié)進行組合，就決定了焊接機器人工作的運動空間。

焊接機器人通常使用電氣驅(qū)動、液壓驅(qū)動或者氣壓驅(qū)動作為主要驅(qū)動方式，基于設(shè)計、加工、維護等方面的原因，目前采用電氣驅(qū)動的機器人越來越多。焊接機器人的運動實際上是各個關(guān)節(jié)之間的運動，這主要是靠驅(qū)動電機來驅(qū)動對應(yīng)關(guān)節(jié)運動動作來實現(xiàn)。

電動機是焊接機器人驅(qū)動系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元器件，通常采用伺服電動機、步進電動機或者無刷電動機作為動力源。考慮到系統(tǒng)成本及所需快速性、慣性、精確度等諸多要求，此處采用以直流24 V電源供電的步進電動機作為焊接機器人的驅(qū)動機構(gòu)，通過擴展減速比為1：20的諧波減速器，可以放大步進電機輸出扭矩至20倍，增大電機帶載能力，而且諧波減速器運行平穩(wěn)，力矩傳遞均勻，有利于機器人關(guān)節(jié)的定位和精確控制。

步進電機使用專用驅(qū)動器進行驅(qū)動，其控制信號較簡單，主要包括方向控制DIR指令、脈沖PULSE指令、使能EN指令。其中，DIR指令控制電機轉(zhuǎn)動方向，PULSE指令控制電機步進旋轉(zhuǎn)，使能EN指令可起到“電剎車”效果。

為了提高機器人手臂驅(qū)動定位精度，此處采用了步進電機“細分驅(qū)動”技術(shù)，將每個步進電機控制脈沖細分到原輸出步距角的1/1 000，從而大大提高了機器人手臂運動平穩(wěn)性和定位精度，在焊接機器人運動控制器輸出的指令控制下，快速準確地運動到需要的目標位置。

5 機器人位姿檢測傳感器

焊接機器人運動學和動力學解算的基礎(chǔ)是高精度位姿檢測傳感器，傳感器的精確度直接決定了焊接機器人最終能達到的定位控制精度，此處使用了與步進電機同軸安裝的數(shù)字式增量光-電編碼器對機器人手臂位置進行聯(lián)動檢測。

增量式光-電編碼器是一種通過光-電轉(zhuǎn)換技術(shù)，將待測物體輸出軸上同軸的機械幾何角度位移量，同步轉(zhuǎn)換成脈沖式數(shù)字量的傳感器。增量式光-電編碼器一般由光柵盤和光電檢測轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成，通過在圓板上等分等間距開通固定數(shù)目的長方形孔制成光柵盤。將電動機輸出軸與光柵碼盤同軸安裝，當電動機旋轉(zhuǎn)時，電動機與光柵碼盤同步同速旋轉(zhuǎn)，采用光-電發(fā)光二極管等電子元件組成光-電檢測裝置，檢測輸出對應(yīng)光柵碼盤的一序列脈沖信號[11](如圖5所示)，再計算單位時間內(nèi)光-電編碼器輸出的脈沖個數(shù)，就能計算得到當前電動機的旋轉(zhuǎn)位置和旋轉(zhuǎn)速度[12]。

圖5 增量式光電編碼器輸出波形

如圖5所示為光電編碼器輸出脈沖信號，光電編碼器輸出脈沖為兩路相位相差90°的正交脈沖序列A及B。其中A、B正交脈沖在一個信號周期內(nèi)具有4種狀態(tài)變化，用二進制表示為“00-01-10-11”。在電動機正方向旋轉(zhuǎn)時，A、B兩相正交脈沖會按照“00-10-01-00”狀態(tài)規(guī)律進行變化；而在電動機反方向旋轉(zhuǎn)時，A、B兩相正交脈沖按照“00-01-10-00”狀態(tài)規(guī)律進行變化；因此通過判斷信號A及B的相位之間的關(guān)系，就可以方便地得到電動機的實際旋轉(zhuǎn)運行方向[13]，為判斷步進電機的旋轉(zhuǎn)方向提供了便利。

此處選擇的光電編碼器為日本OMRON公司DC24V直流供電分辨率為1 000P/圈的增量式脈沖編碼器，每旋轉(zhuǎn)一圈(360°)總共可以輸出1 000個脈沖[14]，相當于脈沖分辨率為：

S=360°÷1 000=0.36°(度/脈沖)

(1)

式中，S為分辨率。

對于精度要求較高的焊接機器人運動學和動力學模型解算而言，這樣的精度明顯達不到要求。

因此，需要想辦法將脈沖分辨率提高才行，如果重新采購分辨率達到4 096P/圈的編碼器，則導致硬件采購成本明顯增加，不利于“低成本”化設(shè)計的要求。此處在光電脈沖編碼器輸出至焊接機器人運動控制器之前，專門設(shè)計了一個“四倍頻”電路，可以將編碼器分辨精度直接提高四倍，達到：

S=0.36°÷4=0.09°(度/脈沖)

(2)

再結(jié)合減速機減速比為1：20的放大效果，最終達到：

S=0.09°÷20=0.0045°(度/脈沖)

(3)

采用此硬件電路設(shè)計，可以將普通低成本傳感器的精度級別提高到較高分辨率，既降低了硬件成本，又為焊接機器人以較高精度進行位置檢測及控制打下堅實的基礎(chǔ)。

6 機器人手持操作器

如何規(guī)劃焊接機器人的軌跡是工業(yè)機器人控制領(lǐng)域的一個關(guān)鍵問題，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的工業(yè)機器人一般采用示教或者離線編程的方式，對加工任務(wù)進行路徑規(guī)劃和運動編程[15]。

遠距離操作器是焊接機器人的擴展附加部分(可選件)，作為焊接機器人的便攜式“示教編程器”，可以方便操作人員在較遠距離對焊接機器人進行系統(tǒng)性的操作和控制，主要包括焊接機器人遠程控制、遠程示教編程、遠程規(guī)劃下達工作任務(wù)等功能。

焊接機器人控制系統(tǒng)手持操作器采用普通八位單片機進行設(shè)計，主要由MCS8051系列單片機、點陣液晶顯示器、矩陣鍵盤擴展接口、矩陣鍵盤、大容量顯示緩存存儲器、隔離RS485通訊擴展接口、電源變換電路及外殼等組成。

手持操作器外形為一個塑料盒，盒面上安裝一臺多行字符點陣式液晶顯示器，用于作為人機交互顯示接口，將焊接機器人控制系統(tǒng)內(nèi)部信息顯示給操作人員。操作器面板上設(shè)置48個按鍵，用于人工輸入指令、參數(shù)及數(shù)據(jù)。

7 實驗結(jié)果與分析

按照設(shè)計要求，生產(chǎn)了三套焊接機器人進行系統(tǒng)測試。為了最大程度地降低風險，保證試驗設(shè)備的安全性，本課題的試驗分為3個階段，第一階段是搭建兩軸的試驗平臺，完成一些功能驗證和程序的調(diào)試；第二階段是在第一階段成功完成后，將控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到真實的帶電作業(yè)機器人上進行試驗；第三階段將本設(shè)備與某型進口設(shè)備進行實機安裝對比測試驗證。

實際使用過程中，焊接機器人主要采用“示教學習-編程再現(xiàn)”的方式進行作業(yè)，首先，“示教學習”就是事先由操作人員教會焊接機器人示教信息，機器人將示教學習得到的信息進行存儲?！笆窘虒W習”結(jié)束，焊接機器人切換到自主操控狀態(tài)，“編程再現(xiàn)”是焊接機器人按照示教學習時期掌握的的工作方式、工作路徑、作業(yè)動作進行工作[16]，即焊接機器人的全部自主動作是按照“示教學習-存儲記憶-編程再現(xiàn)”的順序來自動進行，無需人工干預(yù)。具體辦法是操作員通過操作“手持操作器”鍵盤操作演示示教動作流程，使機器人各手臂運動到預(yù)定位置，然后再記錄存儲該位置信息，并預(yù)先指定這一過程中的工作任務(wù)等動作信息。

這里設(shè)計的焊接機器人采用了獨立研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，主要由面向?qū)ο?機器人)的機器人路徑規(guī)劃、機器人自學習、自編程技術(shù)。整個技術(shù)以多個焊接參考特征點作為“示教學習”的基礎(chǔ)點，在選取參考特征點時，不需要通過操作人員在“手持操作器”上手動按鍵發(fā)出指令以移動機械臂，而是由人工直接將機械臂拉動到所需要的位置，或者沿焊接工藝需要的焊縫按照順序移動到焊縫的終點，然后操作一個功能按鍵[17]，“告知”機器人控制器錄入該相關(guān)坐標點參數(shù)、采集位置信號即可完成人工“示教學習”操作。

采用基于DSP技術(shù)的國產(chǎn)化智能焊接機器人系統(tǒng)單機裝配調(diào)試結(jié)束后，除了需要將機器人接入真實作業(yè)環(huán)境進行適應(yīng)性測試，完善所有功能，排除系統(tǒng)故障，消除設(shè)計缺陷外；作為全國產(chǎn)化進口原位替代設(shè)備，還需要與進口設(shè)備進行對比測試驗證，按照設(shè)計說明書逐項比對，確認國產(chǎn)設(shè)備與進口設(shè)備間的差異及優(yōu)勢。因此，從以下幾方面進行測試：作業(yè)能力(即機器人能干什么)、作業(yè)準備的復雜程度(即需要準備什么)、焊接過程的示教學習智能程度(即怎么教會機器人干什么)、焊接質(zhì)量、能耗、所需人工工時、操作難易程度、系統(tǒng)購置成本、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)維護性、備品備件采購難易程度等。

對比驗證過程嚴格按照相同測試條件、相同工作內(nèi)容進行，安排同一個熟練操作人員對兩臺套機器人設(shè)備進行測試，測試內(nèi)容包括：使用機器人對常用焊接對象，進行多板件多工位拼接搭焊，對一臺汽車發(fā)動機外殼進行復雜曲面連續(xù)不間斷焊接，對農(nóng)用載重車輛駕駛室外殼進行多點、多部位、連續(xù)生產(chǎn)線空間點焊。焊接前由操作人員使用手持“示教編程器”對機器人進行“示教學習”，編程錄入各部位焊接工藝；脫機后，由機器人自動對測試對象進行全自動焊接；最后，由工藝師對焊接質(zhì)量進行檢驗，達到焊接質(zhì)量要求為合格，達不到為不合格，明顯超過為優(yōu)良，最終統(tǒng)計得出驗證結(jié)果。對比驗證結(jié)果如表1所示。

表1 國產(chǎn)低成本設(shè)備與進口設(shè)備對比測試

對比測試數(shù)據(jù)表明，使用國產(chǎn)化設(shè)備，在幾秒鐘內(nèi)就可以完成單點示教操作動作，當需要錄入一段非規(guī)則的連續(xù)復雜焊接曲線時，這種操作效率往往更高。經(jīng)過實際操作測試，基本上能達到1秒/點的操作速度，在通用型六臂(六自由度)機器人上這種速度是不可能實現(xiàn)的[18]，與進口某型六臂機器人做對比，進口機器人需要使用各種按鍵來不停地調(diào)整控制機械臂，才能運行到所要求的目標位置；某些情況下，甚至需要10個以上按鍵連續(xù)操作才能控制機械臂到達指定位置[19]。錄入一個關(guān)鍵特征點需要如此耗時及復雜，在焊接行業(yè)常見到的連續(xù)多焊接點、多復雜曲面作業(yè)時，這種效率方面的差異性將更加明顯。

從表1可以看出，進口設(shè)備在復雜焊接作業(yè)、生產(chǎn)線復雜焊接能力、系統(tǒng)可靠性方面，焊接質(zhì)量優(yōu)良，焊接作業(yè)能力有優(yōu)勢。但是，進口設(shè)備存在價格昂貴、備品備件采購周期長、故障后設(shè)備維修困難、維護成本高、全英文對操作人員要求較高等問題，而全國產(chǎn)化替代設(shè)備針對國人設(shè)計，操作符合中國人習慣，購置成本低，備品備件易采購，故障后售后維護及時，技術(shù)支持方便。

通過實際試驗，此焊接機器人控制系統(tǒng)在“示教學習”模式時，能完成各指定特征參考點的設(shè)置及記錄；在焊接作業(yè)“編程再現(xiàn)”模式時，能夠通過運動控制器進行實時自動調(diào)整，能抵抗工業(yè)干擾，精確地定位到所需的特征參考焊接點位上，通過將連續(xù)軌跡連貫“再現(xiàn)”，能夠?qū)⑹孪扔扇斯ぁ笆窘獭钡膹碗s焊縫及焊點精確復現(xiàn)，大大提高了焊接質(zhì)量，減少了人工出錯的幾率，降低了工人勞動強度，在滿足焊接質(zhì)量的前提下，易于大批量采購，擴大生產(chǎn)規(guī)模，提高勞動生產(chǎn)率[20]。

8 結(jié)束語

此智能焊接機器人采用人工引導方式，拉動焊槍沿所需焊縫特征參考位置移動，DSP運動控制器通過安裝于焊槍末端的信號采集窗前，自動記錄存儲焊槍移動軌跡點信息，快速實現(xiàn)了“示教學習”化編程。

智能焊接機器人控制系統(tǒng)采用了開放式概念進行設(shè)計，在用戶可承受采購成本的基礎(chǔ)上應(yīng)用大量工業(yè)成熟技術(shù)，實現(xiàn)了專用智能化焊接機器人，主控制器采用高速DSP技術(shù)研制，驅(qū)動用的步進電機和編碼器，弧焊電源系統(tǒng)等均采用成熟貨架產(chǎn)品，可以在市場上直接低價購置，整套焊接機器人系統(tǒng)價格便宜，遠低于進口產(chǎn)品。系統(tǒng)操作軟件針對國人習慣進行設(shè)計，焊接系統(tǒng)具有標準化擴展接口，比較容易實現(xiàn)系統(tǒng)級集成，此類低成本焊接機器人硬件系統(tǒng)很容易搭建，對于現(xiàn)代化小批量、多品種的機器人系統(tǒng)設(shè)計具有很好的借鑒意義，值得大力推廣應(yīng)用。