便攜式關(guān)節(jié)型弧焊機(jī)器人的開發(fā)

摘   要：本文介紹了一種便攜式關(guān)節(jié)型弧焊機(jī)器人，著重闡述了該機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)硬件， 控制軟件開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)問題   

 關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計(jì)  圖形仿真  程序設(shè)計(jì)

0引言

    焊接是機(jī)械制造工業(yè)的基本生產(chǎn)手段之一，提高焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性是至關(guān)重要的。限于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的原因，我國的焊接生產(chǎn)作業(yè)基本還是手工操作。采用手工操作，不僅焊接工作量大，焊接生產(chǎn)率低，焊接質(zhì)量波動(dòng)大；而且工作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)條件差，勞動(dòng)強(qiáng)度大。焊接過程中的電弧、噪音，煙塵直接

圖1 通用型弧焊機(jī)器人

接危害工人的身體健康。隨著我國加入WTO與國際接軌，在工業(yè)企業(yè)內(nèi)正大力推行“健康、安全、環(huán)保”即“HSE”管理，改善工人在焊接中的工作環(huán)境是非常迫切的。而采用自動(dòng)焊接技術(shù)，是改變上述狀況的唯一途徑。 工業(yè)機(jī)器人作為人類肢體的外延，它能在生產(chǎn)人員無法操作的環(huán)境下，不知疲倦地從事艱苦的、繁重的勞動(dòng)，使生產(chǎn)工人擺脫危險(xiǎn)、有害的工作環(huán)境，減輕生產(chǎn)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度[1]，是代替工人進(jìn)行焊接操作的最佳自動(dòng)化工具。通用型弧焊機(jī)器人由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成如圖 1所示。目前，通用型弧焊機(jī)器人的廣泛使用還受到一定的限制：通用型弧焊機(jī)器人價(jià)格昂貴，一次性投資風(fēng)險(xiǎn)大；結(jié)構(gòu)為分體結(jié)構(gòu)，體積大、重量重、不便于靈活移動(dòng)，適于在流水生產(chǎn)作業(yè)線固定焊接工位上使用；控制程序開發(fā)方式多采用示教編程或機(jī)器人語言編程，由于我國生產(chǎn)工人的知識(shí)結(jié)構(gòu)所限，還不足以掌握以示教編程或機(jī)器人語言編程開發(fā)控制程序。

通用型弧焊機(jī)器人的價(jià)格、結(jié)構(gòu)和控制程序的開發(fā)方式，在很大程度上制約了通用型弧焊機(jī)器人的應(yīng)用和推廣。因此，在我國目前條件下，能否在非固定焊接工位或野外焊接中使用弧焊機(jī)器人，是一個(gè)值得探索的課題。筆者認(rèn)為：利用機(jī)電一體化技術(shù)與計(jì)算機(jī)硬件、軟件相結(jié)合，開發(fā)價(jià)格便宜，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、便于靈活移動(dòng)的便攜式弧焊機(jī)器人；以圖形仿真方式開發(fā)控制軟件，簡化控制軟件開發(fā)方式，是可以在非固定焊接工位或野外焊接中使用弧焊機(jī)器人的。本文介紹的便攜式弧焊機(jī)器人，以MC68HC908GP32 微處理器為核心，以固化的控制軟件，控制便攜式弧焊機(jī)器人完成焊接生產(chǎn)作業(yè)，為弧焊機(jī)器人的應(yīng)用和推廣，提供了有價(jià)值的參考。本文對(duì)便攜式弧焊機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)硬件、控制軟件開發(fā)等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題作了簡要介紹。 

1便攜式弧焊機(jī)器人機(jī)械硬件

圖 2 便攜式弧焊機(jī)器人樣機(jī)

弧焊機(jī)器人應(yīng)用的最大特點(diǎn)是：以控制軟件的改變，取代復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)的改變，使弧焊機(jī)器人完成弧焊生產(chǎn)作業(yè)柔性化。因此，按照柔性制造的觀點(diǎn)，將弧焊機(jī)器人的硬件——大臂、小臂、手腕、機(jī)身連同控制的電氣硬件，以及機(jī)器人控制器都設(shè)計(jì)、制造為機(jī)電一體功能模塊結(jié)構(gòu)[2]�；『笝C(jī)器人使用用戶根據(jù)企業(yè)完成具體的焊接生產(chǎn)作業(yè)的需要，購買弧焊機(jī)器人機(jī)電一體功能模塊，組裝成專用的便攜式弧焊機(jī)器人，避免了冗余自由度，使得便攜式弧焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、價(jià)格便宜，便于靈活移動(dòng)。圖2是采用機(jī)電一體化功能模塊組裝的便攜式弧焊機(jī)器人樣機(jī)。

 

2 便攜式弧焊機(jī)器人控制硬件

 

為適應(yīng)采用機(jī)電一體化功能模塊，以搭“積木”的方式組裝成各種便攜式弧焊機(jī)器人，便攜式弧焊機(jī)器人控制硬件采用微處理器為控制核心，很顯然，為適應(yīng)增、減機(jī)電一體模塊擴(kuò)展便攜式弧焊機(jī)器人功能的需要，控制系統(tǒng)硬件必需具有可擴(kuò)展性，這包括：

a、微處理器提供較多的I/O端口，不擴(kuò)展可編程輸入輸出接口，就能“掛接”多個(gè)臂體模塊，同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)臂體模塊，并預(yù)留I/O端口，便于便攜式機(jī)器人功能擴(kuò)展（擴(kuò)展成便攜式檢測機(jī)器人等）

b、機(jī)電一體化臂體功能模塊的伺服系統(tǒng)嵌入在臂體內(nèi)，微處理器必需具有大容量的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器和RAM，可以不外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，以利縮小伺服系統(tǒng)的體積。

便攜式弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)核心MC68HC908GP32 微處理器芯片可組成5個(gè)I/O端口，用3個(gè)端口對(duì)3個(gè)臂體模塊進(jìn)行控制，一個(gè)I/O端口控制手腕直流電機(jī)，一個(gè)I/O端口控制手腕步進(jìn)電機(jī)。 

3 便攜式弧焊機(jī)器人控制原理

 

焊接生產(chǎn)中，通過路徑規(guī)劃，弧焊機(jī)器人完成焊接生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)多數(shù)是按順序進(jìn)行的，而且完成弧焊生產(chǎn)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)軌跡一般是已知的，或者運(yùn)動(dòng)軌跡可分解為多種單一運(yùn)動(dòng)軌跡的組合，可以通過對(duì)各單一運(yùn)動(dòng)軌跡控制而合成給定的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，可以通過建立數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)方法求解弧焊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)逆解，把弧焊機(jī)器人完成焊接生產(chǎn)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)和路徑，轉(zhuǎn)化為“預(yù)定”的軌跡和姿態(tài)，以離線編程方式開發(fā)出控制程序，控制弧焊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)再作實(shí)時(shí)補(bǔ)償。這樣的控制方式，避免了通用型弧焊機(jī)器人采用實(shí)時(shí)采樣、實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)性能的高要求，使得可以采用低成本控制系統(tǒng)控制弧焊機(jī)器人，使弧焊機(jī)器人價(jià)格大幅度下降。

采用機(jī)電一體化的臂體功能模塊，以搭“積木”方式組裝的便攜式機(jī)器人，完成焊接生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，對(duì)焊接工具的位置和姿態(tài)的控制，其實(shí)質(zhì)上就是對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的協(xié)調(diào)控制，由步進(jìn)電機(jī)基本原理和公式：

      θ＝360/Z

式中：θ-步距角

            Z-步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)

可知，每輸入一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量，因此：

a、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)角度與輸入的脈沖數(shù)成正比；

b、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于輸入脈沖的頻率。

步進(jìn)電機(jī)能將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它本身所特有的高精度、無漂移、無累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)，使它成為電機(jī)一體化產(chǎn)品中，唯一能使用開環(huán)控制技術(shù)的伺服和執(zhí)行元件。很顯然，對(duì)便攜式弧焊機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，就是對(duì)步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖數(shù)量和脈沖頻率的協(xié)調(diào)控制。 

4 便攜式機(jī)器人控制軟件開發(fā)

 

機(jī)器人控制軟件的開發(fā)方式，直接制約著機(jī)器人的應(yīng)用和推廣，快速、簡便的開發(fā)方式不僅促進(jìn)機(jī)器人的應(yīng)用和推廣，而且直接決定機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)的柔性。便攜式弧焊機(jī)器人是面向生產(chǎn)工人作為智能工具使用，必須簡化控制軟件開發(fā)方法。

為滿足實(shí)時(shí)控制的要求，采用匯編語言編程；為適圖 3 控制程序開發(fā)界面

應(yīng)便攜式弧焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)改變或生產(chǎn)作業(yè)工藝改進(jìn)后，快速開發(fā)控制程序的需要，以Visual Basic語言開發(fā)了“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”軟件，使控制軟件的開發(fā)在“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”支持下進(jìn)行[3]，開發(fā)界面如圖 3所示。在可視化的人機(jī)界面輸入各功能模塊的有關(guān)參數(shù)，反復(fù)調(diào)用各級(jí)菜單，優(yōu)化弧焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)；直觀地觀察、比較機(jī)器人仿真圖形和計(jì)算的各類數(shù)據(jù)；以圖形仿真方式，仿真弧焊機(jī)器人的生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)和軌跡，在圖形仿真的同時(shí)自動(dòng)完成控制程序設(shè)計(jì)，下載到機(jī)器人控制器內(nèi)，以此簡化控制程序的開發(fā)。在“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”支持下開發(fā)控制程序，只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)的菜單，而所有涉及機(jī)器人插補(bǔ)算法、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)算法等機(jī)器人專業(yè)知識(shí)和技術(shù)，都由“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”軟件處理。這種圖形仿真開發(fā)控制軟件的方式，使便攜式弧焊機(jī)器人能適應(yīng)多種焊接生產(chǎn)作業(yè)，使焊接生產(chǎn)作業(yè)柔性化。以圖形仿真方式開發(fā)控制軟件，就如同使用Windows圖形界面操作微型計(jì)算機(jī)一樣，使不熟悉機(jī)器人硬件的人，可以迅速、簡便地開發(fā)出機(jī)器人控制軟件，促進(jìn)機(jī)器人的應(yīng)用和推廣。

便攜式弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)上電復(fù)位后，固化的控制軟件開始運(yùn)行，系統(tǒng)初始化后：

a、控制軟件讀取大臂、小臂、手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值，計(jì)算后調(diào)用步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速子程序，向相應(yīng)I/O端口輸出連續(xù)的系列脈沖信號(hào)，控制大臂、小臂、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)；

b、控制軟件讀入采集的標(biāo)征作業(yè)狀態(tài)的數(shù)值，并將數(shù)值與從指定地址讀取的目標(biāo)值進(jìn)行比較，依據(jù)差值調(diào)用大臂、小臂、手腕位置、姿態(tài)補(bǔ)償子程序，對(duì)大臂、小臂、手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償；

c、由于外界干擾，便攜式弧焊機(jī)器人的焊接工具偏離或遠(yuǎn)離預(yù)定軌跡時(shí)，控制軟件讀入采集的標(biāo)征作業(yè)狀態(tài)的數(shù)值，并將數(shù)值與從指定地址讀取的目標(biāo)值進(jìn)行比較，依據(jù)差值調(diào)用大臂、小臂、手腕加、減速補(bǔ)償子程序，對(duì)大臂、小臂、手腕進(jìn)行加減速補(bǔ)償。 

4 結(jié)束語

 

依托MC68HC908GP32 微處理器芯片的高性能，開發(fā)了價(jià)格便宜，體積小、重量輕、便于靈活移動(dòng)，控制軟件開發(fā)簡便的便攜式弧焊機(jī)器人。通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，便攜式弧焊機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能和控制精度，滿足了電弧焊自動(dòng)焊接要求。而該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，便于攜帶和靈活移動(dòng)，一機(jī)多用，具有可開發(fā)性，開發(fā)控制軟件簡便，且生產(chǎn)成本低廉，實(shí)質(zhì)上使該機(jī)成了一個(gè)靈巧的自動(dòng)焊接工具。在操作工人的操作下進(jìn)行焊接機(jī)型功能組合，控制程序開發(fā)，自動(dòng)焊接前定位“清零”等工作。使該機(jī)只是代替人去完成繁重的、有害的焊接操作，去提高焊接質(zhì)量，而不是完全代替人的勞動(dòng)。在我國這樣一個(gè)人口眾多的國家，降低生產(chǎn)作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)作業(yè)工作質(zhì)量，是實(shí)施自動(dòng)化的宗旨，也是開發(fā)便攜式弧焊機(jī)器人的指導(dǎo)思想。 ww