便携式关节型弧焊机器人的开发

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引言

   焊接是机械制造工业的基本生产手段之一，提高焊接质量的稳定性和可靠性是至关重要的。限于经济和技术的原因，我国的焊接生产作业基本还是手工操作。采用手工操作，不仅焊接工作量大，焊接生产率低，焊接质量波动大；而且工作环境恶劣，劳动条件差，劳动强度大。焊接过程中的电弧、噪音，烟尘直 接危害工人的身体健康。随着我国加入WTO与国际接轨，在工业企业内正大力推行“健康、安全、环保”即“HSE”管理，改善工人在焊接中的工作环境是非常迫切的。而采用自动焊接技术，是改变上述状况的唯一途径。 工业机器人作为人类肢体的外延，它能在生产人员无法操作的环境下，不知疲倦地从事艰苦的、繁重的劳动，使生产工人摆脱危险、有害的工作环境，减轻生产工人的劳动强度^[1]，是代替工人进行焊接操作的最佳自动化工具。通用型弧焊机器人由机械系统、控制系统、驱动系统组成如图 1所示。目前，通用型弧焊机器人的广泛使用还受到一定的限制：通用型弧焊机器人价格昂贵，一次性投资风险大；结构为分体结构，体积大、重量重、不便于灵活移动，适于在流水生产作业线固定焊接工位上使用；控制程序开发方式多采用示教编程或机器人语言编程，由于我国生产工人的知识结构所限，还不足以掌握以示教编程或机器人语言编程开发控制程序。

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图1 通用型弧焊机器人

通用型弧焊机器人的价格、结构和控制程序的开发方式，在很大程度上制约了通用型弧焊机器人的应用和推广。因此，在我国目前条件下，能否在非固定焊接工位或野外焊接中使用弧焊机器人，是一个值得探索的课题。笔者认为：利用机电一体化技术与计算机硬件、软件相结合，开发价格便宜，体积小、重量轻、结构紧凑、便于灵活移动的便携式弧焊机器人；以图形仿真方式开发控制软件，简化控制软件开发方式，是可以在非固定焊接工位或野外焊接中使用弧焊机器人的。本文介绍的便携式弧焊机器人，以MC68HC908GP32 微处理器为核心，以固化的控制软件，控制便携式弧焊机器人完成焊接生产作业，为弧焊机器人的应用和推广，提供了有价值的参考。本文对便携式弧焊机器人的机械结构、控制系统硬件、控制软件开发等几个关键技术问题作了简要介绍。

1 便携式弧焊机器人机械硬件

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弧焊机器人应用的最大特点是：以控制软件的改变，取代复杂的机械结构和电气结构的改变，使弧焊机器人完成弧焊生产作业柔性化。因此，按照柔性制造的观点，将弧焊机器人的硬件——大臂、小臂、手腕、机身连同控制的电气硬件，以及机器人控制器都设计、制造为机电一体功能模块结构^[2]。弧焊机器人使用用户根据企业完成具体的焊接生产作业的需要，购买弧焊机器人机电一体功能模块，组装成专用的便携式弧焊机器人，避免了冗余自由度，使得便携式弧焊机器人结构紧凑、重量轻、价格便宜，便于灵活移动。图2是采用机电一体化功能模块组装的便携式弧焊机器人样机。

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图2 便携式弧焊机器人样机

2  便携式弧焊机器人控制硬件

为适应采用机电一体化功能模块，以搭“积木”的方式组装成各种便携式弧焊机器人，便携式弧焊机器人控制硬件采用微处理器为控制核心，很显然，为适应增、减机电一体模块扩展便携式弧焊机器人功能的需要，控制系统硬件必需具有可扩展性，这包括：

a、微处理器提供较多的I/O端口，不扩展可编程输入输出接口，就能“挂接”多个臂体模块，同时驱动多个臂体模块，并预留I/O端口，便于便携式机器人功能扩展（扩展成便携式检测机器人等）

b、机电一体化臂体功能模块的伺服系统嵌入在臂体内，微处理器必需具有大容量的片内Flash存储器和RAM，可以不外扩展存储器，以利缩小伺服系统的体积。

便携式弧焊机器人控制系统核心MC68HC908GP32 微处理器芯片可组成5个I/O端口，用3个端口对3个臂体模块进行控制，一个I/O端口控制手腕直流电机，一个I/O端口控制手腕步进电机。

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3  便携式弧焊机器人控制原理

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焊接生产中，通过路径规划，弧焊机器人完成焊接生产作业任务多数是按顺序进行的，而且完成弧焊生产作业的运动轨迹一般是已知的，或者运动轨迹可分解为多种单一运动轨迹的组合，可以通过对各单一运动轨迹控制而合成给定的运动轨迹。因此，可以通过建立数学模型，用数学方法求解弧焊机器人运动逆解，把弧焊机器人完成焊接生产作业的运动和路径，转化为“预定”的轨迹和姿态，以离线编程方式开发出控制程序，控制弧焊机器人运动时再作实时补偿。这样的控制方式，避免了通用型弧焊机器人采用实时采样、实时计算对计算机性能的高要求，使得可以采用低成本控制系统控制弧焊机器人，使弧焊机器人价格大幅度下降。

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采用机电一体化的臂体功能模块，以搭“积木”方式组装的便携式机器人，完成焊接生产作业时，对焊接工具的位置和姿态的控制，其实质上就是对步进电机转轴转动角度和转动速度的协调控制，由步进电机基本原理和公式：

      θ＝360/Z

式中：θ-步距角

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            Z-步进电机转子齿数

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可知，每输入一个驱动脉冲，电机转轴步进一个步距角增量，因此：

a、步进电机转轴的回转角度与输入的脉冲数成正比；

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b、步进电机转轴的转速决定于输入脉冲的频率。

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步进电机能将输入脉冲转换为旋转运动，它本身所特有的高精度、无漂移、无累计误差等优点，使它成为电机一体化产品中，唯一能使用开环控制技术的伺服和执行元件。很显然，对便携式弧焊机器人的运动控制，就是对步进电机输入脉冲数量和脉冲频率的协调控制。

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4  便携式机器人控制软件开发

机器人控制软件的开发方式，直接制约着机器人的应用和推广，快速、简便的开发方式不仅促进机器人的应用和推广，而且直接决定机器人完成生产作业的柔性。便携式弧焊机器人是面向生产工人作为智能工具使用，必须简化控制软件开发方法。

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图3  控制程序开发界面

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为满足实时控制的要求，采用汇编语言编程；为适应便携式弧焊机器人结构改变或生产作业工艺改进后，快速开发控制程序的需要，以Visual Basic语言开发了“便携式机器人CAD系统”软件，使控制软件的开发在“便携式机器人CAD系统”支持下进行^[3]，开发界面如图 3所示。在可视化的人机界面输入各功能模块的有关参数，反复调用各级菜单，优化弧焊机器人结构参数；直观地观察、比较机器人仿真图形和计算的各类数据；以图形仿真方式，仿真弧焊机器人的生产作业运动和轨迹，在图形仿真的同时自动完成控制程序设计，下载到机器人控制器内，以此简化控制程序的开发。在“便携式机器人CAD系统”支持下开发控制程序，只需用鼠标点击相应的菜单，而所有涉及机器人插补算法、逆向运动学算法等机器人专业知识和技术，都由“便携式机器人CAD系统”软件处理。这种图形仿真开发控制软件的方式，使便携式弧焊机器人能适应多种焊接生产作业，使焊接生产作业柔性化。以图形仿真方式开发控制软件，就如同使用Windows图形界面操作微型计算机一样，使不熟悉机器人硬件的人，可以迅速、简便地开发出机器人控制软件，促进机器人的应用和推广。

便携式弧焊机器人控制系统上电复位后，固化的控制软件开始运行，系统初始化后：

a、控制软件读取大臂、小臂、手腕的转动角度值，计算后调用步进电机正转、反转、加速、减速子程序，向相应I/O端口输出连续的系列脉冲信号，控制大臂、小臂、手腕转动；

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b、控制软件读入采集的标征作业状态的数值，并将数值与从指定地址读取的目标值进行比较，依据差值调用大臂、小臂、手腕位置、姿态补偿子程序，对大臂、小臂、手腕的转动进行补偿；

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c、由于外界干扰，便携式弧焊机器人的焊接工具偏离或远离预定轨迹时，控制软件读入采集的标征作业状态的数值，并将数值与从指定地址读取的目标值进行比较，依据差值调用大臂、小臂、手腕加、减速补偿子程序，对大臂、小臂、手腕进行加减速补偿。

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5  结束语

依托MC68HC908GP32 微处理器芯片的高性能，开发了价格便宜，体积小、重量轻、便于灵活移动，控制软件开发简便的便携式弧焊机器人。通过样机实验表明，便携式弧焊机器人的运动功能和控制精度，满足了电弧焊自动焊接要求。而该机结构紧凑，重量轻，便于携带和灵活移动，一机多用，具有可开发性，开发控制软件简便，且生产成本低廉，实质上使该机成了一个灵巧的自动焊接工具。在操作工人的操作下进行焊接机型功能组合，控制程序开发，自动焊接前定位“清零”等工作。使该机只是代替人去完成繁重的、有害的焊接操作，去提高焊接质量，而不是完全代替人的劳动。在我国这样一个人口众多的国家，降低生产作业劳动强度，提高生产作业工作质量，是实施自动化的宗旨，也是开发便携式弧焊机器人的指导思想。