焊接機(jī)器人和焊接變位機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)技 

作為焊接機(jī)器人和變位機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制的解決方案，我們通常會(huì)將變位機(jī)和機(jī)器人作為一個(gè)整體，采用一個(gè)具有協(xié)調(diào)控制功能的控制系統(tǒng)來(lái)統(tǒng)一控制，這是一種行之有效的開發(fā)方法。然而，不少企業(yè)因?yàn)橹芭渲昧舜罅亢附訖C(jī)器人，將原有的單機(jī)器人系統(tǒng)改造成具有與獨(dú)立變位機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的作業(yè)系統(tǒng)，就成為了企業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求。因此前述的設(shè)計(jì)方法對(duì)于改造早期的封閉式單機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)并不適用，能否設(shè)計(jì)一種方法解決二者之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，成為當(dāng)今焊接機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。

上弘機(jī)器人焊接變位機(jī)

1. 針對(duì)焊接機(jī)器人和變位機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì) 

將焊接機(jī)器人和變位機(jī)視為整機(jī)系統(tǒng)開發(fā)出配套的專用控制器，可以提高設(shè)計(jì)效率，獲得較好的協(xié)同作業(yè)效果。在幾家研究單位中，浙江大學(xué)機(jī)器人研究中心長(zhǎng)期致力于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域通用運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)研發(fā)，目前已開發(fā)出第三代多軸運(yùn)動(dòng)控制器MAMC 3.0，其基于DSP和CPLD的開放式架構(gòu)可以滿足通用型焊接機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)的控制場(chǎng)合，并且控制器擴(kuò)展出的接口可用于變位機(jī)伺服控制。該產(chǎn)品將計(jì)劃產(chǎn)業(yè)推廣。其硬件架構(gòu)如圖2所示。

在這套控制系統(tǒng)中，由工控機(jī)負(fù)責(zé)統(tǒng)一協(xié)調(diào)規(guī)劃，完成任務(wù)的分配和調(diào)度。運(yùn)動(dòng)控制由焊接機(jī)器人和變位電機(jī)的下層伺服驅(qū)動(dòng)器、光電編碼器構(gòu)成位置閉環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)工作的狀態(tài)將會(huì)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器反饋，實(shí)時(shí)顯示在工控機(jī)顯示界面上。得益于開放式的軟硬件架構(gòu)，操作者可以方便的通過(guò)更改相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)不同的配置策略，如具體控制軸數(shù)、軌跡規(guī)劃策略以及運(yùn)動(dòng)控制策略等。目前，諸多科研單位對(duì)焊接機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制做了深入研究并得出一系列重要成果，如果從開始階段就實(shí)現(xiàn)基于開放式架構(gòu)的集成化控制系統(tǒng)，無(wú)疑是給這些研究成果創(chuàng)造了一個(gè)方便轉(zhuǎn)化的平臺(tái)。通過(guò)這種集成化的專業(yè)控制系統(tǒng)，可以在焊接初始時(shí)期預(yù)先規(guī)劃好焊接機(jī)器人和變位機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得在作業(yè)工程中實(shí)現(xiàn)二者良好的配合。

目前，具有機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)生產(chǎn)資質(zhì)的國(guó)內(nèi)廠家大多采取該設(shè)計(jì)方案。以杭州凱爾達(dá)機(jī)器人有限公司生產(chǎn)的焊接機(jī)器人系統(tǒng)為例，其變位機(jī)控制和焊接機(jī)器人本體是由同一個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。目前該公司研制有單軸變位機(jī)和雙軸變位機(jī)，并應(yīng)用與工件邊焊接邊變位，可適應(yīng)環(huán)焊縫，復(fù)雜空間焊縫的要求。 

2.針對(duì)焊接機(jī)器人和變位機(jī)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì) 

對(duì)于已購(gòu)置成品工業(yè)機(jī)器人的企業(yè)，由于是封閉式的控制系統(tǒng)，除非購(gòu)置同樣廠家的變位機(jī)，否則很難和其他廠家的變位機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制。因此，客觀上需要我們?nèi)ゲ捎锚?dú)立式控制方法，分別控制焊接機(jī)器人本體和變位機(jī)的運(yùn)動(dòng)。為保證焊接精度的要求，必須要將焊接機(jī)器人和變位機(jī)的相對(duì)位置精度限定在一個(gè)極小的范圍內(nèi)。硬件架構(gòu)如圖4所示。

針對(duì)這種設(shè)計(jì)目標(biāo)的一般方法是：焊接加工前，通過(guò)焊接機(jī)器人內(nèi)建的注信息功能創(chuàng)建和保存運(yùn)動(dòng)類型和變位機(jī)速度，并在變位機(jī)控制器上另建文件保存與焊接機(jī)器人對(duì)應(yīng)的變位機(jī)位置信息，然后在加工前按照上述的控制方法生成焊接機(jī)器人和變位機(jī)的加工文件。執(zhí)行焊接工作時(shí)，分別由機(jī)器人和變位機(jī)控制器解析執(zhí)行。這種設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)在于求解工件焊接軌跡在用戶坐標(biāo)系下的位置。在焊接前，先要建立用戶坐標(biāo)系，確定變位機(jī)相對(duì)于焊接機(jī)器人的位置，然后求得焊縫軌跡在該坐標(biāo)系下的表達(dá)式，最后確定變位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，并由機(jī)器人和變位機(jī)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系求得機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)軌跡。因?yàn)楹附訖C(jī)器人和變位機(jī)采用的是兩套不同的控制系統(tǒng)，要保證協(xié)同作業(yè)還需要統(tǒng)一的時(shí)鐘觸發(fā)，這點(diǎn)應(yīng)該在硬件系統(tǒng)控制中予以實(shí)現(xiàn)，如統(tǒng)一這兩個(gè)系統(tǒng)的指令信號(hào)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)。此外，在示教過(guò)程中，示教文件和加工文件的文件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亦不容輕視。 

除了變位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制算法的建立，變位機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的圓滑度和機(jī)器人配合運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜度也同樣重要。為使變位機(jī)運(yùn)動(dòng)保持運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，需要利用高級(jí)插值算法對(duì)變位機(jī)示教點(diǎn)做擬合，實(shí)現(xiàn)圓滑過(guò)渡。另外可以采用小線段擬合的方法，這樣可以將機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)軌跡分割成一個(gè)個(gè)小的線段。這樣就大大減少了焊機(jī)器人所需的控制點(diǎn)數(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)二者協(xié)同工作。 

國(guó)內(nèi)在對(duì)分離式變位機(jī)的相關(guān)研究直到近期才逐漸開始，高性能的變位機(jī)目前還不普及，大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的變位機(jī)只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的、基本的預(yù)設(shè)動(dòng)作，復(fù)雜焊接軌跡的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)還未在大規(guī)模工業(yè)加工場(chǎng)合中實(shí)現(xiàn)。

上弘長(zhǎng)管件焊接變位機(jī)

總結(jié)和展望 

在我國(guó)，變位機(jī)是個(gè)相對(duì)“年輕”的產(chǎn)品，它對(duì)焊接工業(yè)來(lái)說(shuō)是不可或缺的，以焊接機(jī)器人為核心，集成變位機(jī)等設(shè)備的焊接加工系統(tǒng)大大提高了我國(guó)工業(yè)制造的效率。同時(shí)，這種集成性設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，也是進(jìn)一步提高我國(guó)焊接裝備制造以及焊接加工工藝水平所必須突破的。在這些技術(shù)當(dāng)中，焊接機(jī)器人本體和變位機(jī)協(xié)調(diào)控制技術(shù)具有突出的應(yīng)用價(jià)值，它使需要立焊、仰焊等難以保證焊接質(zhì)量的施焊操作成為可能，從而保證了焊接質(zhì)量，提高了焊接生產(chǎn)率和生產(chǎn)過(guò)程的安全性。 

在未來(lái)的焊接機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展中，變位機(jī)協(xié)調(diào)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和普及需要廣大科研單位和制造企業(yè)共同推動(dòng)，其必將成為中國(guó)焊接機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展的新支點(diǎn)。