基于PLC技術(shù)的焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究

曹海蘭，張 媛

(西安交通工程學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，西安 710300)

0 引言

焊接機(jī)器人主要用來從事焊接工作，在工業(yè)機(jī)器人的末端法蘭裝接焊鉗或焊槍，用以執(zhí)行焊接、切割、熱熔等作業(yè)[1]。為滿足各種不同的操作需求，焊接機(jī)器人軸上的機(jī)械接合，一般是一種連接凸緣，可以安裝各種工具或末端執(zhí)行器。移動焊接機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)主要包括行走機(jī)構(gòu)技術(shù)、十字滑塊機(jī)構(gòu)技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、控制器構(gòu)架等。在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)開拓性發(fā)展背景下，焊接機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。焊接機(jī)器人執(zhí)行焊接加工任務(wù)需要以運(yùn)動控制系統(tǒng)作為支持，運(yùn)動控制是自動化的一個分支，主要通過控制驅(qū)動器、伺服電機(jī)等設(shè)備實現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)位置和速度的控制。運(yùn)動控制系統(tǒng)作為焊接機(jī)器人的核心組成模塊，在機(jī)器人運(yùn)動中起到?jīng)Q定性的作用，系統(tǒng)的控制目標(biāo)是保證機(jī)器人的末端執(zhí)行器按照既定軌跡移動，并保持一定的運(yùn)動精度。

文獻(xiàn)[2]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)器人的運(yùn)動控制模型，并給出了該機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)建模、控制體系結(jié)構(gòu)和動力牽引機(jī)構(gòu)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了機(jī)器人運(yùn)動信息的傳輸，完成該機(jī)器人運(yùn)動控制?；贒-H法文獻(xiàn)[3]提出基于多機(jī)器人的焊接主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)。利用多機(jī)械手協(xié)同運(yùn)動控制方法，實現(xiàn)了從動機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的目標(biāo)矩陣，并對其進(jìn)行了主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制的流程圖和相應(yīng)的程序指令集，最后利用4臺KR1440機(jī)器人構(gòu)成多機(jī)械手柔性焊接系統(tǒng)，驗證了多機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)的有效性。上述方法均具有一定的有效性，然而在實際執(zhí)行過程中現(xiàn)有運(yùn)動控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)對焊接機(jī)器人的同步控制，且控制精度不滿足應(yīng)用要求，最終導(dǎo)致焊接工件加工結(jié)果存在質(zhì)量問題。為了解決上述問題，引入PLC技術(shù)。

PLC也就是可編程邏輯控制器，它使用一類可編程內(nèi)存，在其內(nèi)部儲存程式，執(zhí)行以使用者為導(dǎo)向的指令。將PLC技術(shù)應(yīng)用到焊接機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計工作中，以期能夠?qū)崿F(xiàn)主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制，同時提高系統(tǒng)的控制功能，進(jìn)而提升焊接機(jī)器人的加工質(zhì)量。

1 焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件模塊包括焊接機(jī)器人傳感器、PLC控制器及焊接機(jī)器人運(yùn)動驅(qū)動器，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)

1.1 裝設(shè)焊接機(jī)器人傳感器

圖3 PLC控制器組成結(jié)構(gòu)與控制電路

為了實現(xiàn)對焊接機(jī)器人實時位姿的測定，為焊接機(jī)器人的控制提供參考數(shù)據(jù)，在構(gòu)建焊接機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的關(guān)節(jié)以及執(zhí)行位置上安裝傳感器設(shè)備。安裝的傳感器設(shè)備類型包括位置傳感器、速度傳感器以及旋轉(zhuǎn)電弧傳感器等，本文選用位置傳感器型號為VL53L0CXV0DH/1、速度傳感器型號為74402-05B、旋轉(zhuǎn)電弧傳感器型號為AHG17C5M，其中位置傳感器的設(shè)計結(jié)果以及與焊接機(jī)器人的連接方式如圖2所示。

圖2 焊接機(jī)器人位置傳感器結(jié)構(gòu)與連接方式示意圖

焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)裝設(shè)的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的工作原理是通過對焊槍與工件的間距的改變，檢測出焊槍的高度和左右偏移，焊接電流將隨著電弧長度的變化而變化[4]。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的一階和二階模型可以表示為：

(1)

式中，κ0為正弦激勵系數(shù)，ζ1(s)、ζ2(s)和ζ3(s)分別為傳感器幅頻、相頻和信號傳遞頻率。將旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的一階模型和二階模型進(jìn)行擬合[5]。按照上述方式可以得出其他焊接機(jī)器人的傳感器設(shè)計結(jié)果，并將其安裝在焊接機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的指定位置上。

1.2 選擇PLC控制器

PLC通過對各種不同的輸入信號進(jìn)行內(nèi)部的計算，將其轉(zhuǎn)換為所需的輸出信號，用于對外部裝置進(jìn)行控制。PLC控制器包含輸入輸出接口、擴(kuò)展接口、電源等模塊。圖3為PLC控制器的組成結(jié)構(gòu)和控制電路。

PLC控制器的輸入內(nèi)容有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量3個方面，由于PLC的輸入信號是各種不同的電信號，并且PLC工作在一個非常復(fù)雜的電磁環(huán)境中，因此采用了光電耦合電路來實現(xiàn)對PLC的控制。循環(huán)掃描是PLC工作的基本原則和方法。在PLC控制器中，用戶的程序是按照順序存儲的，CPU從一條命令開始運(yùn)行，一直到最后一條命令出現(xiàn)，然后再回到第一條命令，如此反復(fù)。PLC的掃描分為內(nèi)部、通訊、輸入、執(zhí)行、輸出等多個環(huán)節(jié)，整個掃描周期是整個掃描周期。PLC控制器程序?qū)崿F(xiàn)了對輸入、執(zhí)行、輸出3個環(huán)節(jié)的精確控制[6]。在選擇焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)的PLC控制器時，要根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)確定PLC結(jié)構(gòu)大小，同時確定滿足通訊能力及內(nèi)存使用要求的 PLC控制器。

1.3 改裝焊接機(jī)器人運(yùn)動驅(qū)動器

在焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)的研究工作中，為了給主從機(jī)器人的運(yùn)動與控制提供動力支持，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改裝運(yùn)動驅(qū)動器，并從位置、速度和轉(zhuǎn)矩3個方面為焊接機(jī)器人提供運(yùn)動驅(qū)動信號。為實現(xiàn)對主從焊接機(jī)器人的運(yùn)動和控制提供動力支持，對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的運(yùn)動驅(qū)動器進(jìn)行改造，并從位置、速度、轉(zhuǎn)矩3個角度對其進(jìn)行了驅(qū)動。轉(zhuǎn)矩驅(qū)動主要利用外部的模擬量來實現(xiàn)，速度驅(qū)動的主要作用是用來控制焊接機(jī)器人的電機(jī)轉(zhuǎn)動速度。轉(zhuǎn)矩驅(qū)動主要利用外部的模擬量來實現(xiàn)，速度驅(qū)動的主要作用是用來控制焊接機(jī)器人的電機(jī)轉(zhuǎn)動速度[7]。當(dāng)伺服驅(qū)動工作在速度控制模式下時，有時可能需要對位置進(jìn)行定位，此時需要把反饋信號提供給處理器來確定電機(jī)或負(fù)載的位置。為了保證主控制單元的正常工作，必須在伺服驅(qū)動和主控制單元之間設(shè)置光電耦合器件。該驅(qū)動電路的輸出反饋信號可以對電動機(jī)的工作狀況進(jìn)行迅速、精確地反映[8]。驅(qū)動器可以向PLC控制器輸入電機(jī)編碼盤的信號，從而檢測到該驅(qū)動器的運(yùn)作狀況。

2 焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件流程主要為：首先構(gòu)建焊接機(jī)器人數(shù)學(xué)模型，對焊接機(jī)器人實時位姿進(jìn)行監(jiān)測；然后規(guī)劃焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動軌跡，設(shè)置焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動約束；最終實現(xiàn)焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制。軟件整體流程圖如圖4所示。

圖4 軟件整體流程圖

2.1 焊接機(jī)器人實時位姿檢測

焊接機(jī)器人主要由運(yùn)動機(jī)構(gòu)、焊接模塊、傳感模塊與控制模塊四部分組成，焊接機(jī)器人中運(yùn)動機(jī)構(gòu)的工作就是將焊接設(shè)備搬運(yùn)到工件所需要的位置，焊接機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)具有6個自由度，可實現(xiàn)對X、Y、Z三個方向的平移和旋轉(zhuǎn)姿勢的調(diào)節(jié)。焊接機(jī)器人采用CO2氣體保護(hù)焊技術(shù)，因此焊接模塊的硬件組成元件包括焊接電源，送絲機(jī)構(gòu)，保護(hù)氣體及焊炬保護(hù)器[9]。傳感系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對焊接機(jī)器人和加工對象的實時狀態(tài)、姿態(tài)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)對焊接作業(yè)和焊接設(shè)備的調(diào)節(jié)[10-12]。焊接機(jī)器人在任務(wù)執(zhí)行過程中，末端執(zhí)行器與加工工件接觸點(diǎn)上施加的合力矩可以表示為：

(2)

式中，λi、Fi和Wi分別為第i個運(yùn)動機(jī)構(gòu)的末端位置向量、內(nèi)外合力以及力矩。在焊接任務(wù)執(zhí)行過程中焊接機(jī)器人以及加工工件對象的動力學(xué)模型可以表示為：

(3)

式中，A(q)和Ao分別為機(jī)器人和加工對象的慣性矩陣，ψF、ψx、ψfri、ψG和ψmoment分別對應(yīng)的是離心力矢量、位置矢量、摩擦力矢量和重力矢量和驅(qū)動力矩矢量，F(xiàn)C、Fj和Fh分別表示的是機(jī)器人末端執(zhí)行器、機(jī)器人作用在物體上以及環(huán)境作用下物體上的接觸力，變量κpower為動力系數(shù)[13-15]。將焊接機(jī)器人的工作原理以及動力運(yùn)行規(guī)則代入到焊接機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)中，得出焊接機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建結(jié)果。

焊接機(jī)器人實時位姿檢測程序的運(yùn)行需要處理器設(shè)備的支持，因此需要在主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)中改裝處理器設(shè)備。使用的處理器以EP2C8芯片作為核心設(shè)備，EP2C8資源包括256個邏輯單元、8個全局時鐘。處理器的工作頻率能夠達(dá)到80 Hz，64K片內(nèi)RAM包含4個通用定時器和2個高級定時器，可兼容SRAM和NOR，3個12位ADC模塊，1個12位DAC模塊等資源。在EP2C8處理器的支持下，進(jìn)行實時位姿的檢測，首先確定當(dāng)前焊接機(jī)器人的類型，具體的判別過程可以表示為：

(4)

式中，變量ux0和uy0分別表示的是焊接機(jī)器人投影坐標(biāo)中x和y的值，φi表示焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)i的旋轉(zhuǎn)角度。若計算得出η的值為“+1”，則說明當(dāng)前焊接機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)為正臂型，否則為反臂型[16]。對于正臂型焊接機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其位姿檢測結(jié)果如下：

(5)

式中，x0和y0為該運(yùn)動機(jī)構(gòu)的初始位置坐標(biāo)，φ為姿態(tài)角，eangle表示的是角度傳感器設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果。同理可以得出反臂型焊接機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位姿檢測結(jié)果為：

(6)

式中，的參數(shù)與式(5)一致。經(jīng)過式(5)和式(6)的計算，可以得出焊接機(jī)器人中所有運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位姿檢測結(jié)果，并通過處理器接口輸出。

2.2 焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動軌跡規(guī)劃

主焊接機(jī)器人運(yùn)動軌跡的規(guī)劃大體可以分為3個部分，首先確定焊點(diǎn)以及焊道填充的方式，第二步對相鄰兩個焊點(diǎn)之間的焊接軌跡進(jìn)行規(guī)劃，最終通過點(diǎn)對點(diǎn)軌跡的插補(bǔ)與平滑，得到主焊接機(jī)器人的運(yùn)動軌跡規(guī)劃結(jié)果[17]。通過計算加工工件每個焊道的截面積，確定焊道的排布情況，加工工件中第k層l個焊道的坐標(biāo)可以表示為：

(7)

式中，ζk，i為該焊道的截面積，hk和Δhk分別表示的是待加工焊道深度以及單層焊道的深度，y0和z0為焊道加工起點(diǎn)的位置坐標(biāo)分量。根據(jù)焊道幾何參數(shù)以及焊接機(jī)器人末端執(zhí)行器與加工工件之間的空間位置關(guān)系，確定焊道的填充方式[18]。確定主焊接機(jī)器人的焊點(diǎn)位置，記為(xi-w，yi-w，zi-w)，那么任意兩個焊點(diǎn)之間的軌跡長度可以表示為：

(8)

另外焊點(diǎn)i和j的移動方向可以表示為：

(9)

將各個焊點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)代入到式(8)和式(9)中，即可得出點(diǎn)與點(diǎn)之間的軌跡生成結(jié)果，當(dāng)焊接機(jī)器人的末端執(zhí)行器到達(dá)最后一個焊接點(diǎn)時，得到完整的運(yùn)動軌跡[19]。在對初始軌跡進(jìn)行插補(bǔ)處理之前，需要檢測該軌跡上是否存在障礙物，若存在障礙物則利用障礙物對初始軌跡進(jìn)行分段處理，以前一個焊接點(diǎn)為起始點(diǎn)，障礙物為目標(biāo)點(diǎn)，按照上述方式對軌跡進(jìn)行重新規(guī)劃，得出兩段焊接軌跡，若檢測初始生成軌跡中無障礙物則可以直接進(jìn)行插補(bǔ)處理[20]。采用變角度插補(bǔ)的方式，即為了使焊槍端沿相交線的直線速度不變，當(dāng)插值周期為固定時，需保證每個插值的步長相等，在每次插值前求出對應(yīng)的步進(jìn)角度，具體的計算公式如下：

(10)

式中，υrobot為焊接機(jī)器人的執(zhí)行速度，Δτ為差值周期，β代表任意一個焊點(diǎn)速度方向與坐標(biāo)軸之間的夾角，R為焊接軌跡半徑。在此基礎(chǔ)上生成協(xié)作焊接機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，保證主從焊接機(jī)器人之間的軌跡同步。主從焊接機(jī)器人的軌跡同步關(guān)系，如圖5所示。

圖5 主從焊接機(jī)器人軌跡同步關(guān)系圖

通過控制主、從機(jī)器人的速度，保證焊接機(jī)器人運(yùn)行時間相同，保證最終的主、從焊接機(jī)器人的軌跡同步，同時避免主、從焊接機(jī)器人發(fā)生碰撞。

2.3 焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制

由于焊接機(jī)器人和加工工件通常為剛體，當(dāng)主從機(jī)器人操作剛體對象時，末端工具手夾持在某個固定點(diǎn)，因此機(jī)器人末端之間不會有相對運(yùn)動。設(shè)主從機(jī)器人末端位置應(yīng)滿足以下約束關(guān)系：

Qmain+B·?-Qfrom=0

(11)

式中，Qmain和Qfrom分別為主、從焊接機(jī)器人末端位置矩陣，B為姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，而?為加工工件對象的位置向量。另外，為了防止焊槍與加工工件坡口發(fā)生碰撞，取焊槍的姿態(tài)在焊接點(diǎn)與坡口截面上頂點(diǎn)連線所成的角的角平分線位置，即主、從焊接機(jī)器人的姿態(tài)角需滿足如下條件：

(12)

其中：hg表示加工工件的高度，Lzij和Lyij為焊接機(jī)器人在y和z兩個方向上的軌跡長度。由此完成對焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動約束的設(shè)置。

焊接機(jī)器人的主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制的工作方式，在系統(tǒng)接到焊接任務(wù)后，控制焊接機(jī)器人將待焊的工件在最初的焊接位置進(jìn)行定位、拼接，焊接機(jī)器人在初始焊接位置準(zhǔn)備起弧，起弧成功后協(xié)調(diào)兩臺搬運(yùn)機(jī)器人完成整個弧焊過程的工件變位，最后由機(jī)器人進(jìn)行焊接。結(jié)合焊接機(jī)器人的位姿檢測結(jié)果和生成的運(yùn)動軌跡，計算協(xié)同運(yùn)動過程中的控制量，計算公式如下：

(13)

其中：x、y和z為焊接機(jī)器人的位置坐標(biāo)分量，角標(biāo)testing和target表示的是檢測值和目標(biāo)值。焊接機(jī)器人的運(yùn)動速度控制目標(biāo)為：

(14)

式中，a為焊接機(jī)器人的運(yùn)動加速度，L(q1，q2)為焊點(diǎn)q1和q2之間的長度。主、從焊接機(jī)器人的運(yùn)動速度控制目標(biāo)相同。將式(13)和式(14)的計算結(jié)果代入到PLC控制器中，生成控制信號作用在焊接機(jī)器人的驅(qū)動器中，執(zhí)行相應(yīng)的控制程序。利用控制系統(tǒng)中的傳感器設(shè)備對主從焊接機(jī)器人的實時位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，從而調(diào)整控制量和PLC控制信號，直到焊接機(jī)器人到達(dá)規(guī)劃運(yùn)動軌跡的終點(diǎn)為止。

3 系統(tǒng)測試

為了驗證最終基于PLC技術(shù)的焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)是否滿足用戶規(guī)定的要求，在遵循經(jīng)濟(jì)性原則的前提下，設(shè)計系統(tǒng)測試實驗。此次系統(tǒng)測試實驗采用對比測試的方式，即設(shè)置文獻(xiàn)[2]提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的焊接機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)作為實驗的對比系統(tǒng)，通過與傳統(tǒng)系統(tǒng)控制功能的對比，體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計方法在功能方面的優(yōu)勢。

3.1 系統(tǒng)硬件配置及實驗對象選擇

硬件系統(tǒng)調(diào)試的目的是保證焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)各部分硬件能夠正常工作。在控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境中采用與驅(qū)動器匹配的電源濾波器，消除驅(qū)動器設(shè)備給PLC控制器造成的干擾。利用PMAC TUNING軟件，對系統(tǒng)中的PLC控制器工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在焊前調(diào)試操作過程中，發(fā)布焊接機(jī)器人的復(fù)位、標(biāo)定、試運(yùn)行等一系列的工作指令，以驗證其軌跡規(guī)劃、校正的正確性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了焊接調(diào)試，對整個系統(tǒng)的可靠性和可行性進(jìn)行了檢驗。當(dāng)控制系統(tǒng)各硬件設(shè)備的反饋信號以及焊接機(jī)器人的執(zhí)行信號與預(yù)期結(jié)果一致時，執(zhí)行下一步實驗操作。

此次系統(tǒng)測試實驗選擇MOTOMAN型號的焊接機(jī)器人作為控制對象，該型號機(jī)器人由6個軸和4個關(guān)節(jié)組成，6個軸分別用來將末端焊接工具送到不同的空間位置和解決焊接工具在姿態(tài)方面的不同需求，4個關(guān)節(jié)分別為大臂關(guān)節(jié)、小臂關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。在初始狀態(tài)下，設(shè)置焊接機(jī)器人的姿態(tài)角均為0°，肩關(guān)節(jié)位置處于機(jī)器人坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置，大臂關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)之間夾角為0°，大臂關(guān)節(jié)與小臂關(guān)節(jié)、小臂關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)之間的夾角均為90°，根據(jù)機(jī)器人的軸長度，確定初始狀態(tài)下各個關(guān)節(jié)的位置信息。準(zhǔn)備相同型號的焊接機(jī)器人，將其設(shè)置為從機(jī)器人，按照上述方式完成主、從焊接機(jī)器人的配置與初始化。

3.2 實驗方法及系統(tǒng)測試過程

準(zhǔn)備10個尺寸為660 mm*480 mm*200 mm的鋼材質(zhì)工件作為焊接機(jī)器人的加工工件，對不同的加工工件進(jìn)行編號，并賦予不同的焊接任務(wù)。設(shè)置的焊接任務(wù)包括直線焊接、折線焊接、圓弧焊接3種類型，并生成對應(yīng)的協(xié)調(diào)運(yùn)動軌跡。圖6表示的是1號加工工件的焊接任務(wù)運(yùn)動軌跡規(guī)劃情況。

圖6 加工工件1的焊接軌跡規(guī)劃示意圖

其他焊接任務(wù)的設(shè)置情況如表1所示。

將表1設(shè)置焊接任務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)中，作為基于PLC技術(shù)的焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)。

表1 焊接任務(wù)設(shè)置表

將生成的控制目標(biāo)與主從協(xié)調(diào)運(yùn)動軌跡導(dǎo)入到基于PLC技術(shù)的焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)中，利用PLC控制器對焊接任務(wù)進(jìn)行編程，產(chǎn)生焊接機(jī)器人的運(yùn)動控制程序。將主從焊接機(jī)器人調(diào)整至工作狀態(tài)，執(zhí)行控制程序，得出對應(yīng)的控制執(zhí)行結(jié)果，其中以1號加工工件為操作對象的焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。

圖7 焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)行界面

同理可以得出所有焊接任務(wù)的控制執(zhí)行結(jié)果，并提取運(yùn)行界面顯示的執(zhí)行數(shù)據(jù)。按照上述流程對基于物聯(lián)網(wǎng)的焊接機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與實現(xiàn)，得出對比系統(tǒng)得出的運(yùn)動控制結(jié)果。

3.3 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

為了實現(xiàn)對系統(tǒng)控制功能的量化對比，設(shè)置主從機(jī)器人焊接速度、姿態(tài)角以及焊接點(diǎn)位置控制誤差作為測試指標(biāo)，其中焊接速度控制誤差和機(jī)器人姿態(tài)角控制誤差的數(shù)值結(jié)果如下：

(15)

式中，υi，control和υi，target分別表示主從焊接機(jī)器人在第i個焊點(diǎn)位置上的實際控制焊接速度和焊接速度控制目標(biāo)，θi，control和θi，target對應(yīng)的是第i個焊點(diǎn)上焊接機(jī)器人的實際姿態(tài)角和目標(biāo)姿態(tài)角，變量np為設(shè)置的焊點(diǎn)數(shù)量。另外焊接點(diǎn)位置控制誤差的測試結(jié)果可以表示為：

(16)

式中，δi，x、δi，y和δi，z分別為焊接點(diǎn)位置偏差在中x、y和z方向上的分量。最終計算得出的控制誤差越小，證明對應(yīng)系統(tǒng)的控制功能越好。

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得出反映系統(tǒng)焊接速度和焊接姿態(tài)角控制誤差的測試結(jié)果，如表2所示。

表2 系統(tǒng)焊接速度與姿態(tài)角控制誤差測試數(shù)據(jù)表

由于主從焊接機(jī)器人的移動速度和姿態(tài)角始終處于同步狀態(tài)，因此只得出一組數(shù)據(jù)。將表2中的數(shù)據(jù)代入到式(15)中，得出兩種方法的焊接速度控制誤差的平均值分別為0.089 mm/s和0.014 mm/s，焊接姿態(tài)角的平均控制誤差分別為0.48°和0.10°。另外兩種控制系統(tǒng)下，主從焊接機(jī)器人的實際焊接位置誤差測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)下焊接機(jī)器人位置誤差測試對比結(jié)果

從圖8中可以直觀地看出，在優(yōu)化設(shè)計的基于PLC技術(shù)的焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)下，主從焊接機(jī)器人的實際運(yùn)動軌跡與規(guī)劃的運(yùn)動軌跡之間無明顯差異，但基于物聯(lián)網(wǎng)的焊接機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)得出的實際運(yùn)動軌跡在第3、4和7個焊接點(diǎn)位置上存在明顯偏差。將圖10表示的軌跡位置信息代入到式(16)中，計算得出兩種控制方法下焊接位置控制誤差分別為2.94 mm和0.28 mm。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，焊接機(jī)器人已經(jīng)向智能化、自動化方向發(fā)展，并占有相當(dāng)?shù)氖袌鲑Y源。由于焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)能夠在同一時間內(nèi)完成多個機(jī)器人的智能協(xié)同工作，從而使其具備了工業(yè)計算機(jī)的開放性和現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信的能力。在此次研究工作中，利用PLC技術(shù)對主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制功能進(jìn)行編程，保證主從焊接機(jī)器人能夠按照規(guī)劃的運(yùn)動軌跡和工作參數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的焊接任務(wù)。從實驗結(jié)果中可以看出，與傳統(tǒng)控制方法相比，通過PLC技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地降低焊接機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)在速度、姿態(tài)角以及位置3個方面的控制誤差，因此在焊接工作中具有更高的利用價值。