基于焊接机器人的自动化控制系统设计

李明琨

（广西南宁技师学院，广西 南宁 530031）

焊接技术是材料加工领域中一项重要的技术，是材料之间实现高强度连接的有效手段。经过焊接后两部分材料能够永久结合，因此对于焊接过程的第一手工作质量要求也比较高，后期的修复过程非常困难。焊接工人是一种普通的工种，但是掌握不同技艺和熟练程度的焊接工人所进行的焊接过程有明显的区别，具有丰富焊接经验以及熟练焊接技能的工人在焊接过程中能够平稳施焊，得到相对稳定的焊缝性能和均匀的焊缝结构。然而，焊接机器人的出现逐渐使人们看到了手工焊接操作的弊端所在，大规模地使用焊接机器人能够规避手工焊接不稳定的问题，对于焊接质量的普遍提升具有重要的意义。除此之外，焊接实施过程中环境非常恶劣，危险性比较高，工人因为焊接操作问题发生人员受伤甚至死亡的事情屡见不鲜，焊接机器人的出现使焊接操作人员的工作环境彻底改变，安全系数得到了提高。焊接机器人是机械制造技术和计算机自动化技术深度发展融合的产物，能够替代绝大多数的焊接操作过程，是一种科技含量很高的现代化加工设备。由于焊接机器人的焊接参数设定后，其焊接工艺和焊接质量就能够得到保证，因此在焊接环境条件相同时，焊接机器人所获得的焊缝质量要比手工焊缝质量普遍高很多，尤其是在一些需要进行复杂轨迹焊接的情形时效果更加明显。焊接机器人的产生和发展显著提高了焊接生产的效率，解放了焊接工人的双手，对制造技术以及材料加工技术的进步起到了重要的作用。

1 自动化控制系统设计

1.1 总体思想

焊接机器人的系统设计思路较为复杂，结构众多，是一个集成化程度很高的综合性自动化系统，对焊接机器人进行设计时采用机器人设计常用的模块式设计思路。其中焊接机器人的主机是一个可以进行操作处理的系统，具有实时处理的功能，需要完成的任务分为识别和控制两个部分，识别部分是对焊接机器人所处焊接状态下的各个位置和各种运动行为进行识别，对机器人的控制部分实质上是对各个关节处的伺服电机进行控制，主机需要根据机器人上各个传感器和信号器获得的信号进行反馈。焊接机器人的主机作为整个机器人控制的中枢需要具备强大的信息处理能力，以实现其信息处理以及指令发送的功能，因此，高性能MCU处理器是焊接机器人主机的首选。除了主机外，还有一个主要的组成部分就是伺服控制系统，伺服控制系统是一种下位控制，负责各种舵机转速的调节、位置的控制以及力矩选择，焊接机器人伺服控制系统的控制器件以DSP为核心，用高速的通讯网络实现主机和伺服控制系统之间的互联。

1.2 硬件设计

在进行焊接机器人硬件选择时，首先要进行控制芯片的选择，对控制芯片进行参数选择时应该关注其加工性能、芯片核心处理器的运算速度、芯片控制伺服系统的精确度以及芯片的功率消耗等。一般的芯片工作电压都是3.3V，鉴于此，应该选用与之额定电压相匹配的外部辅助设备，如果工作电压不同，则需要在硬件设计时对芯片和外部电路之间的有效互联进行转换设计。

焊接机器人的硬件设计系统分为电路电子DSP、一些特殊环节的硬件驱动设计以及对芯片电路和外部电路的保护设计等。DSP设计要为焊接机器人提供总线接口以及数字接口，要具有仿真电路、故障电路以及保护电路等功能。除此以外，电路电子DSP在设计时还要兼顾对电路的检测以及对电路的抗干扰功能。

在焊接机器人的电路设计中，时钟电路的设计是最为关键的步骤，作为电路核心设计，在焊接机器人的自动化控制中起到了关键作用。焊接机器人需要进行实时控制以完成精确的焊接过程，因此电路控制的实时性对时钟电路来讲意义非凡。时钟电路的硬件设计选择供电外部振荡器，将时钟电路的频率设定为10MHz，采用低电压的设计思路。根据尽可能简化的设计原则，DSP的时钟输入端和XTA1可以直接相连接，需要注意的是，在进行振荡器选配时，应该尤其注意其电平数值，最佳的方案是选择3.3V电平的振荡器。如果选择另一种5V电平的振荡器进行匹配，则应该采用电平转换器将5V的电平转换为3.3V电平，以实现有源振荡器和时钟输入端的可靠对接。而在实际的控制电路使用过程中，倍频和分频操作可以满足不同电路模块对电路频率的接口需求。

1.3 软件设计

为实现焊接机器人的焊接功能，除了以电路以及控制芯片为核心的硬件系统设计外，软件的设计也尤为重要。软件系统设计通常分为三个环节，即上层开发环节、驱动程序设计以及底层控制程序。上层开发是为了给用户一个测试控制器，方便实现控制要求的软件平台，驱动开发需要满足控制器在复杂干扰的环境中可靠的工作，它的作用就是负责在不同网络中的通信。对于底层开发的程序设计主要是针对伺服驱动的运动功能来考虑，一般采用的是C语言来进行编程开发，是整个控制系统的基础。

对焊接机器人进行软件设计可以根据传感器的状态值实现无刷电机和电路电压之间的自动切换，另外就是，通过一定的算法实现电机位置和速度的精确控制，并且不同模式之间可以自由地切换。软件运行过程中可以实现对各种故障的检测和诊断作业，包括CAN的通信故障、功率器件的过载故障和系统的运行故障等。

本次DSP开发选用的是 TM32.LF2407开发系统，有高效的C编译器，简化的汇编语言，是基于Windows系统的可视化调用接口，可以兼容不同的仿真接口，代码工具箱采用CCS推出的软件集成开发环境，利用CCS对程序进行一些管理和编译工作，主要是完善用户的开发试验环境。

2 焊接机器人功能调试

焊接机器人的功能控制面板上布置了一个电源指示灯，能够随时显示电源的供电情况。如果焊接机器人供电线路出现问题，应该进行电路检查以发现问题、排查疑点。如果供电良好，则应该进行焊接机器人供电极性的检查，查看伺服电机的运动方向情况。首先应该对伺服电机施加小电流检查运动的极性，而后再进行大电流检查，如果在极性检测之初就施加大电流很容易使舵机运动至极限位置，受到机器人结构的影响，舵机运动至极限位置时可能出现被机器人结构所制动的情况，此时舵机就很容易损坏。除极性检查外，还要对焊接机器人进行关节活动情况的检查，各个关节应该能根据预定的程序进行运动，完成预定程序要求的动作。对基本轴的S轴进行操作时，操作S+键焊接机器人的本体应该能够进行向左旋转动作，在操作S+键时，应能够向相反的方向运动。焊接机器人控制面板上的基本轴L轴控制机器人下臂的前后运动，当操作L+键时，焊接机器人的下臂应能够向后运动，反之，当操作L-键时，焊接机器人的下臂向前运动。对焊接机器人基本轴的U轴进行操作时可以完成上臂的上下运动，同样有两个功能按键使上臂分别向上运动或者向下运动。对基本轴调试完成后，即对焊接机器人的腕部轴进行调试，腕部轴分为R轴、T轴和B轴，分别完成机器人上臂带手腕回转、机器人手腕上下运动以及机器人手臂回转的功能。每个腕部控制轴同样布置两个功能按键，一个是逆时针旋转轴，另一个是顺时针旋转轴，经过上述调试后，焊接机器人的供电系统调试以及关节处轴运动调试完成。

3 结语

我国的材料技术相比其他发达国家来讲起步较晚，材料加工也是制约工业发展的薄弱环节，随着我国的经济跨越式发展，高技术含量的焊接技术有了更广泛的需求，焊接机器人正契合了这种时代背景，在机械加工以及零部件制造领域让人们看到了诱人的应用前景。在汽车的结构件制造领域以及汽车零部件生产企业中，焊接机器人已经率先应用于生产线中，这表明焊接机器人的产生和发展具有重要的现实意义。而采用机器人进行焊接最重要的就是其自动化控制系统的设计，设计是制造和量产的灵魂所在。本文通过对焊接机器人总体设计的研究得知，在进行机器人控制系统总体设计时，应着重考虑结构性问题以及整体性问题，把机器人的控制系统从上到下分为几个组成部分，再解决各个组成部分之间的沟通与互联。对硬件的设计应该注意硬件与硬件之间的通信接口是否一致，能否实现可靠通信。对软件的设计核心是设计思路的制定，这对于焊接机器人软件设计至关重要。