工业机器人论文

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，

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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

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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；

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2）对伺服系统进行了以力矩、速度为内环，位置为外环的三层闭环控制，完全满足了机器人进行弧焊作业的要求。

3）基于面向对象技术和模块化思想开发的控制软件功能完善、简单易用，可以很好的完成弧焊作业，并且具有很强的可移植性、扩展性，使得机器人控制软件具有极大程度的开放性。

4.4 控制系统的发展

机器人控制系统将重点研究开放式、模块化控制系统，向开放型控制器方向发展，器件集成度提高，系统的可靠性、易操作性和可维修性将大大提高。控制系统的性能进一步提高，如日本松下G2系列高性能机器人，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。计算机语言、编程与人的交流界面更加友好。编程技术的离线编程的实用化将成为研究重点。

5 柔性再造系统

焊接生产系统柔性化是焊接生产自动化的主要标志之一。建立一个包括测量、建模和离线编程三个子系统的弧焊机器人柔性再制造系统，需要由测量系统对废旧零件进行测量,将测量结果输入建模系统，在建模系统中,建立工件的再制造模型,输入离线编程系统经过离线编程与图形仿真,生成焊接再制造程序,下载至机器人控制器, 实现工件的焊接再制造。

焊接生产系统柔性化发展方向是以弧焊机器人为主体，在计算机的综合控制下实现对空间焊缝的精确跟踪和焊接参数的在线调整，配合多自由度变位机及相关的焊接传感控制设备和先进的弧焊电源，通过与弧焊机器人的协同作业使焊缝处于最佳焊接位置，从而保证焊接质量，清除焊接死角位置。

6 弧焊机器人发展趋势

为了适应工业生产系统向大型、复杂、动态和开放方向发展的需要，智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主要方向。随着先进控制技术的发展，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统以实现多机器人和操作者之间的协调控制、机器人的遥控及监控技术、机器人半自主和自主技术，除此之外，在有时延中断的情况下，建立预先显示进行遥控也是未来焊接机器人的发展方向。智能化的实现需要借助于嵌入式控制技术、焊接传感技术、焊接动态过程智能控制技术和焊接智能化集成系统。 6.1 嵌入式控制技术

嵌入式控制系统具备网络和人机交互能力，以其小型、专用、易携带、可靠性高的特点，可以取代以往基于微处理器的控制方式。嵌入式控制系统已经在弧焊机器人控制领域得到了应用，在线监测焊接工艺可确保焊接质量“零缺陷”的理想目标。

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6.2 机器人焊接传感技术

视觉焊缝跟踪传感器是焊接机器人传感系统的核心和基础之一。焊缝跟踪识别技术一般是采用激光、结构光等主动视觉的方法，利用计算技术视觉技术实现机器人对焊接环境的感知功能，建立三维视觉硬件系统，从而正确导引机器人焊枪终端沿实际焊缝完成期望的轨迹运动。

6.3 焊接动态过程智能控制技术

针对实际的焊接动态过程控制对象，智能控制器的设计需要许多技巧性的工作，尤其在控制器的实时白适应与自学习算法研究及其系统实现。近年来随着模拟人类智能行为的模糊逻辑、人工神经网络、专家系统等智能控制理论方法的出现，使得我们有可能采用新思路来设计模拟焊工操作行为的智能控制器，以期解决焊接质量实时控制的难题。焊接动态过程智能控制器与焊接机器人系统设计结合起来，对不同的焊接工艺、不同的检测手段采用不同的智能控制器设计方法，将使机器人焊接智能化技术有实质性的提高。 6.4 机器人焊接智能化集成系统

从系统控制领域的发展分类来看，可将机器人焊接智能化系统归结为一个一弧焊机器人为主体的复杂系统的控制问题。这个复杂的系统包括焊接任务规划、各种传感系统、机器人轨迹控制以及焊接质量智能控制。这种系统可以作为一个焊接产品柔性制造系统(FMS) 技术上具有灵活的适应性。此外，焊接智能化系统是制造具有高度自主能力的智能焊接机器人的一个必不可少的技术过渡。

参考文献：

[1] 熊有伦. 机器人技术基础[M] . 武汉: 华中理工大学出版社, 1996. [2] 韩建海. 工业机器人[M] . 武汉: 华中科技大学出版社,

[3] 刘双伟,王克鸿.发展弧焊机器人自动焊技术的途径[J]. 机械制造与自动化，2004,

33(2)：12-15.

[4] 赵熹华．焊接方式与机电一体化[M]．北京：机械工业出版社，2001．

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[5] 康艳军，朱灯林，陈俊伟．弧焊机器人和变位机协调运动的研究[J]．电焊机，2005，

35(3)：46－49．

[6] 朱进满.焊接机器人的应用[J]. 现代制造,2005,(12) :42-47.

[7] 陈裕川.大型自动化焊接设备的国内外现状及发展趋势[J].电焊机.2002,10:1-7.

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