便携式关节型弧焊机器人的开发

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。

 

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

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。

 

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。

3 、便携式弧焊机器人控制原理

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。

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

Z-步进电机转子齿数

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;

b、步进电机转轴的转速决定于输入脉冲的频率。

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。

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。

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。

 

控制程序开发界面

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;

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;

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。

4 、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。

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