基于川崎机器人三维激光切割控制系统设计

2020-12-08刘园园赵亚琴

艺术科技 2020年21期

刘园园赵亚琴

摘要：本项目使用MicroChip公司的dspic33ep256mu806芯片，设计了一套基于川崎机器人Ethernet总线式三维激光切割控制系统，设计了激光控制的模拟量、PWM模块、川崎机器人、水冷机、CCD，切割头、调高器交互的Ethernet模块，以及相应的IO模块，基于C#的Winform设计了相应的HMI界面使操作工可以更加方便的操作，最终实时控制使之可以相互协同，完成三维激光切割作业。常规机器人激光切割大量用于薄汽车钣金加工，而本项目的CCD模块可以大大提升厚钣金件的激光加工效率。

关键词：dspic33ep256mu806;川崎机器人;总线式;三维激光切割;CCD

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2020）21-00-02

0 引言

相较于五轴激光切割机床设备，机器人激光切割设备价格便宜，而且灵活性和可操作性也优于五轴激光切割机床设备[1]。传统的数控系统类设备[2]，学习成本要高于机器人操作的学习成本。三维激光切割机器人专门用于加工三维异形钣金件，大量应用于汽车钣金加工领域，由于是三维空间作业，科学技术含量高，相对于传统的三维加工，激光切割的加工精度更高且具备较好的灵活性和柔性。

1 川崎机器人

川崎机器人在搬运、焊接、喷涂、打磨等行业有着相当的比重，早年川崎重工以高速高性能闻名世界[3]。本项目所选用的是川崎RS020通用机器人，川崎机器人提供ProfiNet、CC-LINK、Ethernet等总线接口方便用户灵活控制和对机器人进行二次开发[4]，而且还提供功能强大的AS语言，这是一种完全开放式的语言，可编程性强，机器人相应的姿态、速度、加速度、精度等都可以自己定义变量，可以广泛应用于各种需要自动作业的场合。

该机器人重复定位精度为±0.04mm，水平伸展距离为1725mm，垂直伸展距离为3078mm，最大速度为11500mm/s，负载为20KG，6轴自由度，速度与臂展可以满足大部分激光三维钣金加工的作业要求。

2 基于dspic33ep256mu806的嵌入式控制系统

2.1 dspic33ep256mu806

PIC单片机在工业界和汽车界早已家喻户晓，它的RISC结构解决了早前冯诺依曼结构单片机的瓶颈问题后，更是以高效率、低功耗、高稳定性，大电流驱动及Flash技术特点，成为工业领域、汽车领域的佼佼者[5]。

DPS的优点在于，基于各种规模的集成电路，可以程序控制，也可模块化控制，重复性好，计算同一序列的结果都不会有差异，而且稳定性强，且容易实现各种卷积算法，便于各种需要高速信号处理的场合。

DSPIC是Microchip公司在原来PIC单片机的基础上加入DPS数字信号处理器的功能，基于这两个功能可以完成各种各样的实时数字处理，最终应用于电机控制、调制解调器、汽车电路产品、功能电路、工业控制等行业。

2.2 激光功率控制模块

在钣金件加工行业，光纤激光器则逐步代替效率低下的YAG激光器，成为金属钣金件加工行业的主流激光器[6]。

机器人三维激光切割使用的大部分是光纤激光器，该激光器的控制接口为0～10V模拟量接口，12V～24V的PWM占空比接口，控制导向光光闸和激光开启关闭，以及反馈激光器故障的I/O口。本项目中，选用的MAX5231芯片，通过对单片机内部的SPI接口模块编程，完成0～5V的DAC，再通过一个运放，反向放大电压由0～5V到0～10V即可完成激光器0～10V的模拟量接口控制。选用UCC27321芯片，通过对单片机内部的PWM模块编程，将PWM输出口接到UCC27321的输入口，使PWM的带负载能力大大提升，可以满足各种品牌激光器的负载需求。通过单片机的引脚和光耦相互连接，完成激光器导向光光闸和激光开启关闭I/O口的功能实现。

2.3 Ethernet总线模块

工业现场总线区别于传统控制线路繁杂的情况，以数字化协议的方式来完成工业现场各种设备、零部件、分总成、控制装置之间的控制，使之可以相互协作完成工业作业。在恶劣的工业环境中，现场总线的好处在于它的抗干扰能力、接线方便、通信可靠性高、稳定性好、可接入云端大数据等成为越来越多的工厂青睐的控制方式。

本项目中选用的是W5100芯片，这是一款嵌入式以太网控制器，拥有4个独立的硬件SOCKETS，并且可以基于每个硬件SOCKET做独立的TCP/IP开发应用，有着8KB的发送缓存区和接收缓存区，可以满足中小项目的数据开发交互需求，减小单片机的开销，同时支持SPI和并行总线接口，实时性好，应用于各种工业项目中。所以本项目选用此芯片，设计相应的外围电路，完成与川崎机器人、CCD模块、调高器控制系统、焦距控制系统的通信控制。

2.4 气压控制模块

激光切割的过程中，被加工的钣金件因为材料的不同可能发生熔化切割、汽化切割，那么在这个时候，保护气体的选择性就显得尤其重要。例如，在面对不锈钢钣金件加工的时候，我们需要选择高纯度的氮气作为保护气体，在氮气的保护下，不锈钢钣金件的断面不会由于加工过程中的激光高热量而导致氧化。但是在加工碳钢钣金件的时候，我们需要氧气的助燃作用，使工件的加工速率提高，尤其是对于4mm厚度以上的碳钢材料，氧气气压控制更是决定了碳钢材料加工后的断面好坏。

本项目选用了高精度的比例阀控制模块，控制接口为4～20ma的模拟量，选择该电流模拟量的原因是抗干擾能力更好、传输距离远。该模拟量和1～10公斤的氧气成线性比例关系，选用MAX5231模块和运放之后，在后面设计外围转换电路，将0～10V模拟量转换为4～20ma模拟量，满足碳钢钣金件的气体控制需求。

2.5 调高器，焦距控制模块

三维激光切割是一种高能量的切割，热影响区小，但是单独的激光焦点所聚集的能量较高，所以激光切割的过程对激光焦点的位置要求非常严格，而且在三维加工异形钣金件的时候，由于工件大多数区域都是圆弧或者半圆弧形态，如果切割头与板面的距离不能始终保持一致，那么将大大影响最终的切割效果[7]。

本项目中，选用了总线式电容式高度跟踪系统，切割头前面的金属喷嘴与被加工钣金件之间的距离产生的间隙电容，通过采集、放大、滤波、处理等外围电路设计，转化为切割头与被加工钣金件之间的距离，再通过PID算法，控制切割头上方的电机和切割头内部的激光聚焦镜电机，然后动态地调整切割头和钣金件之间的距离和激光的焦点位置。基于ethernet的总线方式，可以保证调高器控制模块和聚焦控制模块的高实时性、高稳定性和抗干扰性，从而可以满足高速激光切割的需求[8]。

2.6 CCD视觉模块

目前，机器视觉与深度学习是人工智能迅猛发展的一个重要方向[9]。通过CMOS或者CCD等图像摄取器，采集图像信号，再转变为数字信号，然后再进行图像处理，获得被采集目标的各种信息，如形态、坐标、亮度、颜色等，控制系统对采集来的信号进行各种卷积、池化来提取目标的相关特征值[10]，送入设备主控制系统进行处理，最终完成设备的控制。

本项目中选择的CCD模块是针对厚异形钣金件进行加工的，目前厚板的加工使用的是分段穿孔和渐进穿孔的控制模式，由DSPIC主控制系统、调高器和焦距控制模块协同完成。这样穿孔的效率其实并不高，所以在此基础上增加了CCD视觉模块，实时监控穿孔的过程，只要激光一旦穿过厚钣金件，CCD模块通过计算后，立刻返回一个信号给DSPIC控制系统，通知DSPIC控制系统已经完成穿孔的工艺，可以进行切割，由此，大大提高了厚钣金件加工效率。

3 基于C#的Winform人机交互界面

Winform是基于.NET Framework环境的开发技术，它含有窗体、控件、图形平台，可以在此基础上设计，部署各种图像，与传统的Windows应用程序MFC相比，做了大量的封装和保护，不会轻易出现类似指针内存泄漏的情况[11]，虽然在运行速度上和MFC相差了一个等级，但是在有嵌入式系统的实时运动控制装置情况下，不需要太好的运行效率，简单，好上手，可以快速开发各类工业控制的上位机HMI界面。

本项目使用Winform进行开发，该HMI涵盖了与机器人的实时交互，与DSPIC控制系统的实时交互，基于Ethernet总线下的TCP/IP，完成了机器人的各轴示教模式下的点动、机器人的坐标显示、机器人的关节角度显示、手动设置激光器的功率大小、PWM的大小、调高器的高度设定、焦距的设定、辅助气体的气压设定、激光器光闸开关、辅助气体比例阀电磁阀的开关、CCD视觉模块的反馈控制等，实现了各模块的相互配合。

4 操作流程的实现

首先，操作工通过上位机HMI监测各种模块的反馈信号，看是否存在警报。如果不存在警报，则开始设定激光器的功率大小，PWM的大小，设定调高器的高度，焦距，设定辅助气体的气压，测试激光器光闸开关，辅助气体比例阀电磁阀的开关是否存在故障，检测光斑中心点位置是否正常，检测CCD视觉模块的反馈控制是否正常。

在各模块都正常的情况下，根据加工钣金件的厚度，材料，选择不同的激光加工工艺，然后开始示教编程，完成各种LMOVE、C1MOVE、C2MOVE，并且指定相应的运动速度。在完成编程之后，将机器人由示教模式切换到循环模式，运行刚刚示教的程序。

在循环的过程中，如果存在切割头没有垂直于加工面，或者切割头与工件相互干涉的情况，那么停下来，切换回示教模式，对问题点进行重新位置修正。在确认循环模式下没有问题后，打开激光器的光闸总开关，进行最终的三维激光切割作业。

5 结语

随着用人成本的逐步提高，通过机器人等自动化设备替换人工作业已是大势所趋，未来重复密集性劳动必将被機器人完全取代。本文介绍了基于川崎机器人与DSPIC嵌入式控制系统的三维激光切割机器人的控制系统设计，通过不同的程序设定，可以满足更多企业柔性化生产的要求，为企业降低大量的生产成本。基于Ethernet的总线控制架构，不但通信速度快、抗干扰能力强、传输距离远，还易于连接控制其他机器人作业线，如传送带上的码垛机器人、喷涂机器人等生产模块，以便减少生产周期。随着越来越多用户的个性化定制需求，该Ethernet总线式控制模块可以直接接入互联网系统，将所有监控的生产数据、控制数据等上传到云端，实现更多的功能，使工业生产更加数据化和智能化，拥有更好的发展前景。

参考文献：

[1] 陈旻鹏，陆荣鑑，张建红，等.五轴激光切割机床结构设计研究[J].艺术科技，2019，32（06）：221-222.

[2] 缑斌丽，杨雨图.基于KND系统的四轴数控系统的开发[J].制造业自动化，2011，33（15）：120-121+135.

[3] 王晓兵，邱趾尚，高建森.基于川崎机器人的激光钎焊打磨应用[J].制造业自动化，2019，41（02）：89-92.

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[7] 刘家辉，牛文，刘威，等.激光切割随动控制系统[J].科学技术创新，2019（05）：194-195.

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[11] 望满春，张焕兵.一种基于KUKA机器人控制的激光切割方法[J].机电技术，2018（02）：14-15.