焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)概述

　　作為焊接機(jī)器人的用戶，為正確選擇、合理使用并做到能常規(guī)維護(hù)焊接機(jī)器人，必須對(duì)焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有一定層次的了解。

　　焊接機(jī)器人是裝上了焊鉗或各種焊槍的工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)涉及數(shù)學(xué)、自動(dòng)控制理論等，內(nèi)容很多。要在較短的篇幅中，全面而系統(tǒng)地介紹工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)在是非工業(yè)機(jī)器人控制專業(yè)人員所能及的事情，因此，本章內(nèi)容是從焊接機(jī)器人的用戶角度出發(fā)，盡量以圖代解、簡(jiǎn)明地闡述有關(guān)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（見圖1）的一般性問題。

1焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸的構(gòu)成
1.1焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸的定義
　　點(diǎn)焊與弧焊兩種機(jī)器人都是由典型6關(guān)節(jié)型（也稱6軸）工業(yè)機(jī)器人裝上焊鉗或焊槍而構(gòu)成，因此，討論焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，亦即討論典型6關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。顧名思義，典型6關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人有6個(gè)可活動(dòng)的關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)名稱都有定義，在圖2中，給出了典型6關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的編號(hào)與動(dòng)作狀態(tài)（編號(hào)后面的英文大寫字母就是規(guī)定動(dòng)作英文名稱的第一個(gè)字母），每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都由一個(gè)伺服電（動(dòng)）機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)都有各自的伺服控制系統(tǒng)。機(jī)器人最后“手”關(guān)節(jié)上所安裝的工具中心點(diǎn)（TCP）（對(duì)點(diǎn)焊鉗與電焊槍的TCP點(diǎn)，在相應(yīng)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)中都作了規(guī)定）的運(yùn)動(dòng)軌跡是多個(gè)關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)協(xié)同動(dòng)作的結(jié)果。而機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（器）的作用就是如何根據(jù)編程指令來指揮控制6個(gè)伺服電（動(dòng)）機(jī)協(xié)同動(dòng)作，以完成工具中心點(diǎn)所要求實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2新開發(fā)的帶內(nèi)置回轉(zhuǎn)擺動(dòng)軸的FlexTorch機(jī)器人焊槍系統(tǒng)

1.2焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軸參數(shù)
　　焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軸參數(shù)主要包括：各軸最大運(yùn)動(dòng)范圍、最大速度、相關(guān)軸的容許轉(zhuǎn)距、相關(guān)軸的容許慣性力矩等。一種典型的6關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的量值見表。

　　可以看出：6關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軸參數(shù)不僅涉及各軸本身，也最終決定整臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的性能。其中，最重要的性能指標(biāo)是：重復(fù)定位精度和負(fù)載重量。

2焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成
　　2.1對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一般要求
　　機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，主要用于對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能如下：
　　2.1.1記憶功能：存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。
　　2.1.2示教功能：離線編程、在線示教、間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。
　　2.1.3與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。
　　2.1.4坐標(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、絕對(duì)坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系和用戶自定義四種坐標(biāo)系。
　　2.1.5人機(jī)接口：示教盒、操作面板、顯示屏。
　　2.1.6傳感器接口：位置檢測(cè)、視覺、觸覺、力覺等。
　　2.1.7位置伺服功能：機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取?BR>　　2.1.8故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。
　　2.2焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（硬件）的組成

　　焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的硬件（圖4）一般包括：
　　2.2.1控制計(jì)算機(jī)�？刂葡到y(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)。一般為微型機(jī)，其微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU；
　　2.2.2示教盒。示教焊接機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機(jī)交互操作。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　示教盒擁有自己獨(dú)立的CPU以及存儲(chǔ)單元，與主計(jì)算機(jī)之間以串行通信方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交互；
　　2.2.3操作面板。由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作；
　　2.2.4硬盤和軟盤存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)焊接機(jī)器人工作程序以及各種焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的外圍存儲(chǔ)器；
　　2.2.5數(shù)字和模擬量輸入輸出。各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。
　　2.2.6打印機(jī)接口。記錄需要輸出的各種信息。
　　2.2.7傳感器接口。用于信息的自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。對(duì)一般的點(diǎn)焊或弧焊機(jī)器人來說，控制系統(tǒng)中并不設(shè)置力覺、觸覺和視覺傳感器。
　　2.2.8軸控制器。完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。
　　2.2.9輔助設(shè)備控制。用于和焊接機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制，如焊接電源系統(tǒng)、焊槍（焊鉗）、焊接裝夾具系統(tǒng)等。
　　2.2.10通信接口。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。

2.2.11網(wǎng)絡(luò)接口
　　2.2.11.1 Ethernet接口：可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)臺(tái)或單臺(tái)機(jī)器人的直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mbit/s，可直接在PC上用windows9X或windowsNT庫(kù)函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個(gè)機(jī)器人控制器中。
　　2.2.11.2 Fieldbus接口：支持多種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

3焊接機(jī)器人的軸伺服控制系統(tǒng)
3.1軸伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
　　圖5是焊接機(jī)器人的軸伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。其中，虛線框內(nèi)的部分是實(shí)現(xiàn)軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)伺服控制的伺服單元。習(xí)慣上所說的電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)，是指速度控制、伺服電動(dòng)機(jī)和檢測(cè)部件三部分；而且，將速度控制部分稱之為伺服單元或驅(qū)動(dòng)器。按照伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它通常有四種基本結(jié)構(gòu)類型：開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)及混合閉環(huán)。

伺服單元的硬件一般由五部分構(gòu)成：
　　3.1.1實(shí)現(xiàn)軸伺服電機(jī)的PID控制、或FUZZY（模糊）控制、或其它控制規(guī)律的伺服控制單片機(jī)；
　　3.1.2伺服控制模板，其功能是實(shí)現(xiàn)控制單片機(jī)輸出數(shù)字量的D/A轉(zhuǎn)換與輸入到單片機(jī)的模擬量的A/D轉(zhuǎn)換；
　　3.1.3伺服驅(qū)動(dòng)功放，一般機(jī)器人的軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率多在100W~1000W的范圍，多屬中等功率，為此，由伺服控制模板給出的控制信號(hào)必須經(jīng)功率放大才能推動(dòng)電機(jī)；
　　3.1.4伺服電機(jī)是焊接機(jī)器人的軸伺服控制系統(tǒng)的控制對(duì)象。
　　3.1.5伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置檢測(cè)裝置（轉(zhuǎn)速、位置傳感器）。轉(zhuǎn)速、位置檢測(cè)裝置的功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)角位移量，并將實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果反饋給電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)，以形成電動(dòng)機(jī)伺服的閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)。即便是開環(huán)控制系統(tǒng)，一般也需要電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)角位移量的實(shí)時(shí)檢測(cè)參數(shù)。因此，轉(zhuǎn)速、位置檢測(cè)裝置是機(jī)器人的軸伺服控制系統(tǒng)極重要的組成環(huán)節(jié)。

　　圖5所示焊接機(jī)器人的軸伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)稱為主從控制方式：它是采用主、從兩級(jí)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)軸伺服控制系統(tǒng)的管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作協(xié)調(diào)控制。主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。焊接機(jī)器人的軸伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還可采用所謂“分散控制系統(tǒng)”，限于篇幅，不再闡述。

3.2對(duì)機(jī)器人電機(jī)伺服系統(tǒng)的要求

　　機(jī)器人各關(guān)節(jié)（即各軸）的運(yùn)動(dòng)，最終都?xì)w結(jié)為相應(yīng)各軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、亦即伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；

　　而對(duì)機(jī)器人電機(jī)伺服系統(tǒng)提出了很高的要求，大致可概括為以下四個(gè)方面：
　　3.2.1高精度。為了保證焊接零件的加工質(zhì)量并提高效率，首先要保證焊接機(jī)器人的定位精度和加工精度。因此，在機(jī)器人各軸位置控制中要求有高的定位精度，即在μm的數(shù)量級(jí)內(nèi)。而在速度控制中，要求有高的調(diào)速精度、強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，也即要求靜態(tài)和動(dòng)態(tài)速降盡可能��；
　　3.2.2快響應(yīng)。要求系統(tǒng)有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，位置跟蹤誤差（位置跟蹤精度）要��；
　　3.2.3寬調(diào)速范圍。它是指在額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。對(duì)于一般的機(jī)器人而言，要求電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)能在0～20m/min范圍內(nèi)都能正常工作；
　　3.2.4低速大轉(zhuǎn)矩。根據(jù)焊接機(jī)器人加工特點(diǎn)，大都是在中低速負(fù)重狀態(tài)下工作（點(diǎn)焊機(jī)器人為甚），這樣，既要求在低速時(shí)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)有大的轉(zhuǎn)矩輸出又要求轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。

　　為了滿足上述四點(diǎn)要求，對(duì)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件—伺服電動(dòng)機(jī)也提出了相應(yīng)的要求，它們是：
　　●電動(dòng)機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，特別在低速時(shí)應(yīng)仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象；
　　●電動(dòng)機(jī)應(yīng)有一定的過載能力，以滿足低速、大轉(zhuǎn)矩的要求；
　　●為了滿足快速響應(yīng)的要求,電動(dòng)機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)—電時(shí)間常數(shù)和起動(dòng)電壓。

3.3機(jī)器人伺服電機(jī)的類型
　　機(jī)器人伺服系統(tǒng)在經(jīng)歷了開環(huán)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)（見圖6）伺服系統(tǒng)兩個(gè)分階段之后，已進(jìn)入了同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)階段。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
3.3.1有刷直流電動(dòng)機(jī)
　　直流電動(dòng)機(jī)有優(yōu)良的控制性能，其機(jī)械特性“硬”、調(diào)速性能好是各類交流電動(dòng)機(jī)所不具備的。

　　此外，直流電動(dòng)機(jī)還有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率高、調(diào)速方便、動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)。但是，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其定子上有激磁繞組產(chǎn)生主磁場(chǎng)，對(duì)功率較大的直流電動(dòng)機(jī)常常還裝有換向極，以改善電機(jī)的換向性能。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子上安放電樞繞組和換向器，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)限制了直流電動(dòng)機(jī)的體積和重量，尤其是電刷和換向器的滑動(dòng)接觸造成了機(jī)械磨損和火花，使直流電動(dòng)機(jī)的故障多、可靠性低、壽命短、保養(yǎng)維護(hù)工作量大。換向火花既造成了換向器的電腐蝕，還是一個(gè)無線電干擾源，會(huì)對(duì)周圍的電器設(shè)備帶來有害的影響。電機(jī)的容量越大、轉(zhuǎn)速越高，問題就越嚴(yán)重。所以，普通直流電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器限制了直流電動(dòng)機(jī)向高速度、大容量的發(fā)展。

3.3.2交流異步電動(dòng)機(jī)
　　與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流異步電動(dòng)機(jī)（圖7）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、壽命長(zhǎng)、成本低、保養(yǎng)維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。但它調(diào)速性能差，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，過載能力和效率低。其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生需從電網(wǎng)吸取無功功率，故功率因數(shù)低，輕載時(shí)尤甚，這大大增加了線路和電網(wǎng)的損耗。長(zhǎng)期以來，在不要求調(diào)速的場(chǎng)合，異步電動(dòng)機(jī)占有主導(dǎo)地位，但是自交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)出后，交流異步電動(dòng)機(jī)亦可用于需調(diào)速的場(chǎng)合。