基于PLC的六自由度焊接机器人手臂设计与应用

董长福 胡兴伟 武升杰 孙明军 焦念刚

摘 要：六自由度焊接机器人对于提高产品质量和企业竞争力有着重要意义，也是实验制造业自动化生产的重要手段。本文研究六自由度机器人关节分解和关节与工作件坐标系合并原理，阐述机器人手臂结构，通过PLC控制手臂关节运动，完成手臂位姿控制的任意性，从而完成操作工作。

关键词：焊接机器人;位姿;PLC

中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）13-0067-02

0 引言

机器人技术的应用水平象征着制造能力的水平，是一个国家工业自动化水平的重要标志[1]。由于人机协作机器人所具有的感知能力、友好性、操作指向性强、轻量化等特点，被逐渐地运用到企业实际的生活生产中[2]。本文主要对焊接机器人手臂工作原理和PLC控制系统进行分析，保证本机构完全实现六自由度工作的前提下，保证安全生产与精准生产，提高生产效率。

1 焊接机器人位姿确认

焊接机器人使用了PLC、传感器等技术，通过电机驱动等控制方法，使机器人根据操作者预输入的配置文档，通过调整机器人的躯干，协调各关节部位运动到合适位置，同时驱动焊钳和焊枪开始工作，完成指定操作工作，具体操作流程如图1。

要实现焊接机器人的躯干运动，六自由度的机器人手臂无疑满足了生产要求，六自由度的实现，即三个位移坐标和三个旋转坐标的实现，首先要确定机器人的工作件在空间坐标系中的位姿形态。

首先设立一个基准直角坐标系A，通过计算分析并定义机器人末端位姿P，，末端位姿P的位置分量如图2所示。

要确定焊接机器人的工作件位姿，必须联结机器人的刚性手臂坐标系。

焊接机器人工作件以外的刚性手臂依靠关节联结，在六自由度环境下不止一个关节，我们摘出一个关节i和邻近的前后关节为例说明机器人手臂坐标系位置图，如图3所示。

对于手臂坐标系的某一连杆来说，关节关系描述，包括连杆长度ai和邻近连杆扭角αi，如图3中展示，邻近连杆关节一般是刚性元件，可作出中轴线，线长即杆长ai，两线的夹角即扭角αi。

对于手臂坐标系的两连杆来说，运动关系描述，包括连杆夹角θi和距离di。如图3中展示，两关节的公垂线的夹角即连杆夹角θi，两关节的公垂线间的距离即距离di。

通过以上四个参数的确定，可以实现焊接机器人的六自由度描述，也就是说，当连杆i做移动运动时，di随着改变;当连杆i做旋转运动时，θi随着改变。

一般来说，六自由度机器人串联手臂机构坐标系的建立，应当满足以下条件[3]：

（1）设定其中一连杆i所处空间坐标系的原点，同时处于连杆i+1的轴线上，且為两关节轴线之间的公垂线与关节i+1轴线的交点;

（2）手臂系统中，所有连杆的关节轴线所处的位置应该与z轴处于一条直线上;

（3）串联手臂机构的对应关节公垂线的矢量方向始终为i，且指向关节为i+1;

（4）通过右手螺旋法明确Y轴方向。

经过矩阵求解，可以得到焊接机器人正运动学位姿参数方程：

si=sinθi;                                                                    （1）

ci=cosθi;                                                        （2）

si+1，i-1=sin（θi+1+θi-1）;                                           （3）

ci+1，i-1=cos（θi+1+θi-1）;                                                （4）

公式（1）（2）（3）（4）即六自由度焊接机器人某一关节的正运动位姿。

2 弧焊机器人PLC位姿控制

可编程逻辑控制基本单元模块包括CPU、存储器，其作用包括存储数据，对数据进行运算，实现利用自动化技术远程控制机械电气装置的目的，主要优点包括强抗扰能力、自我检测和机电一体化的实现。

焊接机器人手臂PLC控制通过总线通信，输出多路PWM信号控制步进电机，调动关节，控制手臂的各个自由度。脉冲时间s参数由PLC实时变化，脉冲信号频率与步进电机的转速成正比，控制结构可以如图4所示。

以焊接机器人关机i为例，Ui与Ii形成步进电机的初始转速与工作后的时刻转速，U和i体现PLC的自我检测，作用是对信号修正，同时在操作台有复位按钮和限值调整按钮，更换算法，完成不同操作。

依照图4的结构，可以设计如下，以Xi_start、Xi_stop、Xi_current表示手臂关节的空间位置数据，经过计算得到Xi_result，若数据出现负值则取绝对值即手臂的工作运行距离，同时决定了杆件的扭转，即对应着图3中的di与θi。

在该焊接机器人手臂设计中，PLC主要是用来调整步进电机频率，即调节机器人手臂关节输出脉冲。自由度数目为6，推导可得输出脉冲R参数转换矩阵如式（5）所示。

（5）

其中，β为轴数，γ为谐波速度，si和ci对应式（1）和式（2），x0和y0对应基准坐标系。

在实际控制中，建立变换坐标系，以式（5）输出PWM信号对焊接机器人手臂进行逻辑控制。

3 弧焊机器人操作

弧焊机器人采用了交流伺服驱动技术、精度高且刚性优的RV减速机以及谐波减速器，同时采用了先进的智能控制技术，来控制串联手臂机构的协调性与位置姿态，弧焊机器人现场操作如图5。

4结语

本文把弧焊机器人作为分析对象，首先分析了六自由度弧焊机器人手臂的位姿形态、PLC位姿控制方式，并在实际操作中检验工作效果，最终结果表明，六自由度焊接机器人能够在配置文件PLC控制下完成手臂位姿控制，满足生产要求。

参考文献

[1] 万丰，许俊锋，吴佳.基于PLC的机器人手臂位置控制算法研究[J].仪表技术，2016（06）：34-37+40.

[2] 王飞，晁智强，张传清，等.机器人手臂运动轨迹跟踪变导纳控制仿真[J].计算机仿真，2018，35（12）：280-285.

[3] 肖爽.六自由度焊接机器人运动学及动力学研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2019.

Abstract：Six-degree-of-freedomwelding robot is of great significance to improve product quality and enterprise competitiveness， and is also an important means of automatic productioninexperimental manufacturing. In this paper， the principle ofsix-degree-of-freedom robot jointdecomposition and coordinate system combination between joint and work piece is studied， and the structure of robot arm is expounded.

Key words：robotic arm;posture;PLC

收稿日期：2020-06-09

作者簡介：董长福（1973—），男，山东济宁人，本科，技术员，研究方向：矿山机电产品的研究与开发。

通讯作者：胡兴伟（1988—），男，山东济宁人，研究生，研究方向：机械产品研发设计。