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焊接機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)概述
作者：華中科技大學(xué)材料學(xué)院 盧本 摘要：該文以最常用的關(guān)節(jié)型六自由度焊接機(jī)器人為例，概述了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，強(qiáng)調(diào)闡明焊接系統(tǒng)與焊接參量與通用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的實用計算機(jī)接口，并對現(xiàn)代焊接機(jī)器人的人機(jī)界面做了綜合性的簡介。 關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)型通用機(jī)器人；運(yùn)動自由度；焊接系統(tǒng)接口；離線與在線編程；3D動畫示教與編程 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，必須對焊接機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(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)動控制系統(tǒng)涉及數(shù)學(xué)、自動控制理論等，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)動控制系統(tǒng)，實在是非工業(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、簡明地闡述有 關(guān)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)（見圖1）的一般性問題。
1.1 焊接機(jī)器人運(yùn)動軸的定義 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個可活動的關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動名稱都有定義，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) 的編號與動作狀態(tài)（編號后面的英文大寫字母就是規(guī)定動作英文名稱的第一個字母），每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動都由一個伺服電（動）機(jī)驅(qū)動，每個電機(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)動軌跡是多個關(guān)節(jié)伺服系 統(tǒng)協(xié)同動作的結(jié)果。而機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)（ 器）的作用就是如何根據(jù)編程指令來指揮控制6個伺服電（動）機(jī)協(xié)同動作，以完成工具中心點(diǎn)所要求實現(xiàn)的運(yùn)動軌跡。
焊接機(jī)器人的運(yùn)動軸參數(shù)主要包括：各軸最大運(yùn)動范圍、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)動參數(shù)的量值見表。
2 焊接機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的組成 2.1 對機(jī)器人運(yùn)動控制系統(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，主要用于對機(jī)器人運(yùn)動的控制，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：存儲作業(yè)順序、運(yùn)動路徑、運(yùn)動方式、運(yùn)動速度和與生產(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、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、運(yùn)動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補(bǔ)償?shù)取? 2.1.8 故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時系統(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)動控制系統(tǒng)（硬件）的組成 焊接機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)中的硬件（圖4）一般包括： 2.2.1 控制計算機(jī)。控制系統(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；
示教盒擁有自己獨(dú)立的CPU以及存儲單元，與主計算機(jī)之間以串行通信方式實現(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 硬盤和軟盤存儲器。存儲焊接機(jī)器人工作程序以及各種焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫的外圍存儲器； 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。用于信息的自動檢測，實現(xiàn)機(jī)器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。對一般的點(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)實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機(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)的部分是實現(xiàn)軸驅(qū)動電機(jī)伺服控制的伺服單元。習(xí)慣上所說的電動機(jī)伺服系統(tǒng)，是指速 度控制、伺服電動機(jī)和檢測部件三部分；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)。
3.1.1 實現(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)動功放，一般機(jī)器人的軸驅(qū)動電機(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必須經(jīng)功率放大才能推動電機(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)的控制對象。 3.1.5 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置檢測裝置（轉(zhuǎn)速、位置傳感器）。轉(zhuǎn)速、位置檢測裝置的功能是實時檢測軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)角位移量，并將實時檢測結(jié)果反饋給電動機(jī)伺 服系統(tǒng)，以形成電動機(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)，一般也需要電動機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)角位移量的實時檢測參數(shù)。因此，轉(zhuǎn)速、位置檢測裝置是 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、從兩級控制計算機(jī)實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主計算機(jī)實現(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；從計算機(jī)實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作協(xié)調(diào)控制。主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，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，最終都?xì)w結(jié)為相應(yīng)各軸的驅(qū)動電機(jī)、亦即伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動； 而對機(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)載擾動的能力，也即要求靜態(tài)和動態(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)載時電動機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。對于一般的機(jī)器人而言，要求電動機(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，既要求在低速時電動機(jī)伺服系統(tǒng)有大的轉(zhuǎn)矩輸出又要求轉(zhuǎn)動平穩(wěn)。 為了滿足上述四點(diǎn)要求，對電動機(jī)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件—伺服電動機(jī)也提出了相應(yīng)的要求，它們是： ●電動機(jī)在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，特別在低速時應(yīng)仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象； ●電動機(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,電動機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)—電時間常數(shù)和起動電壓。 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)電動機(jī)伺服系統(tǒng)、直流電動機(jī)（見圖6）伺服系統(tǒng)兩個分階段之后，已進(jìn)入了同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)階段。
直流電動機(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機(jī)所不具備的。 此外，直流電動機(jī)還有起動轉(zhuǎn)矩大、效率高、調(diào)速方便、動態(tài)特性好等特點(diǎn)。但是，直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其定子上有激磁繞組產(chǎn)生主磁場，對功率較大 的直流電動機(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)限制了直流電動機(jī)的體積和重量，尤其是電刷和換 向器的滑動接觸造成了機(jī)械磨損和火花，使直流電動機(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，還是一個無線電干擾 源，會對周圍的電器設(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，普通直流電動機(jī)的電刷和換向器限制了直流電動機(jī)向高速度、大容量 的發(fā)展。 3.3.2 交流異步電動機(jī) 與直流電動機(jī)相比，交流異步電動機(jī)（圖7）具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壽命長、成本低、保養(yǎng)維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)。但它調(diào)速性能差，起動轉(zhuǎn)矩小，過載能力 和效率低。其旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生需從電網(wǎng)吸取無功功率，故功率因數(shù)低， 輕載時尤甚，這大大增加了線路和電網(wǎng)的損耗。長期以來，在不要求調(diào)速的場合，異步電動機(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 機(jī)亦可用于需調(diào)速的場合。 |
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