工业机器人论文

工业机器人

摘要：本文主要介绍了弧焊机器人的发展历史及其技术发展现状，介绍了目前弧焊机器人生产中的实际应用，着重介绍了弧焊机器人控制系统及柔性再造系统，最后阐述了弧焊机器人发展的前景。

Summary:This paper describes the history of arc welding robot’s development, its technology development status and actual use in production. It highlights arc welding robot control system and flexible recycling system. At last , it elaborates the development prospects of arc welding robot.

关键词：弧焊机器人；控制系统；CAN总线；柔性再制造

1 工业机器人（弧焊机器人）发展现状

工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域，具有拟人功能、可编程和通用性三大特征。工业机器人由机械系统、驱动系统、控制系统及感知系统构成，其中控制系统相当于机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素对机器人的运行起了至关重要的作用。工业机器人的主要技术参数包括自由度、定位精度和重复定位精度、作业范围、最大工作速度以及承载能力等。工业机器人作为现代制造技术发展的重要标志之一和新兴技术产业，已为世人所认同，并正对现代高技术产业各领域以至人们的生活产生了重要影响。

为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。弧焊机器人是焊接机器人较为复杂的一种，不仅要求机器人要有足够的负载能力，而且在点与点之间移位时速度要快捷，动作要平稳，定位要准确，并且焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态、焊接参数都要求精确控制。虽然从理论上讲，有5个轴的机器人就可以用于电弧焊，但是对复杂形状的焊缝，用5个轴的机器人会有困难。因此，除非焊缝比较简单，否则应尽量选用6轴机器人。弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业之外，在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用。弧焊机器人是包括各种焊接附属装置在内的焊接系统，而不只是一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机。

2 弧焊机器人生产中的实际应用

目前，弧焊机器人较多应用于焊接机器人工作站（包括箱体焊接机器人工作站、不锈钢气室机器人柔性激光焊接加工设备、轴类焊接机器人工作站和机器人焊接螺柱工作站）、焊接机器人柔性生产线，生产实践表明，采用机器人焊接是焊接自动化的革命性进步，

它突破了传统的焊接刚性自动化方式，开拓了一种柔性自动化焊接新方式，具体说来有以下优点：

1) 易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性；

2) 提高生产率；

3) 改善工人劳动条件和卫生条件，机器人可在有害环境下长期工作；

4) 降低对工人操作技术难度的要求；

5) 缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；

6) 可实现产品焊接柔性自动化；

7)增强生产管理的计划性和可预见性。

3 弧焊机器人系统构成及特点

弧焊机器人系统主要由机器人及控制器、焊接设备装置和控制系统等构成。

3.1 机器人及控制器

目前，弧焊工业机器人本体基本上都属于六轴关节式机器人，如日本松下G2系列高性能机器人。其中下面3个轴的运动是把焊枪送到不同的空间位置，而上面3个轴的运动是解决焊枪的姿态问题。

控制器是由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，它处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件和机器人自诊断软件等。

3.2 焊接设备装置

焊接设备装置由焊接设备及其周边装置组成。

焊接装备则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。周边装置是机器人本体与焊接设备为完成某种特定工作而设计的装置，比如各种工件夹具、安全防护装置、变位装置等，甚至包括机器人的移动装置、焊枪清理和焊丝剪切装置等。

3.3 控制系统

控制系统采用以系列可编程控制器（PLC）为核心的I/O高速远程总线控制,它主要由控制箱主操作盘、副操作盘及远程I/O端子等部分组成。主要完成对器人、远程I/O工作站、操作盘的协调控制。

4 弧焊机器人的控制系统

机器人的控制技术是在传统机械系统的控制技术的基础上发展起来的，由于机器人是空间开链机构，需要多关节的运动协调。因此，尽管机器人的控制系统与机构运动学和动力学

密切相关，但是比普通的自动化设备控制复杂得多。

4.1 控制系统的特点

1）弧焊机器人控制系统本质上是一个非线性系统。引起机器人非线性的因素包括机器人的机构、传动件、及驱动元件等；

2）机器人控制系统是有多关节组成的一个多变量控制系统，且各关节间具有耦合作用，具体表现为：某一个关节的运动，会对其他关节产生动力效应，每一个关节都要受到其他关节运动所产生的扰动；

3）机器人控制系统是一个时变系统，其动力学参数随着关节位置的变化而变化。

4.2 基于CAN总线的弧焊机器人控制系统

弧焊机器人控制系统是多变量、非线性、强耦合系统, 需要进行复杂的动力学方程的建立和计算，因此弧焊机器人控制系统采用了上、下位机控制系统两层结构形式，以达到开放性强、实时性好、对焊枪的位置控制精确的目的。为达到这一目的，需要采用一种与之匹配的实用的总线结构，CAN总线就是这样一种合适的总线结构。

CAN总线是一种多主从结构, 不分主从。CAN总线的节点数可达110个, 最大传输速率为1Mbps，网络上任意的节点均可主动向其它节点发送消息,传输介质可灵活地选择，能提供差动地发送和接受数据的能力。总之CAN 总线具有结构简单、成本低、通信方式灵活、可靠性高和抗干扰能力强等优点。

以5自由度关节式弧焊机器人控制系统为研究对象，采用了基于CAN总线的并行上、下位机控制系统，其中上位机采用高性能通用PC机，主要负责机器人的路径规划、任务分配、系统监视等。下位机为5个单片机系统，它们是并行工作的，每个单片机系统负责本关节的控制和位置传感器的信号采集。上、下位机之间通过CAN总线通讯，上位机可以向下位机发送控制命令或数据，下位机可以向上位机传送各个关节的位置信号。CAN总线是支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。

控制系统的系统软件采用模块化结构设计，功能组态直观，易于程序编写。系统仿真结果表明基于CAN总线的弧焊机器人控制系统性能价格比高，各电机轴运转平稳、动作协调、运动迹线非常平滑，轨迹跟踪实时性好，实现了设计要求。

4.3 基于PMAC的开放式弧焊机器人控制系统

PMAC（多轴运动控制卡），是目前世界上功能最强的运动控制器之一，具有最大的灵活性。基于PMAC的开放式机器人控制系统，解决了弧焊机器人控制器结构封闭，不能进行离线编程和集成焊接传感器的缺点。

PMAC在权限内可视为一台完整的实时多任务计算机。基于PMAC的开放式弧焊机器人控制系统的设计思想有以下几点：

1）分层的系统体系结构，极大的提高了机器人控制系统软、硬件设计的独立性和高效性；