焊接機器人是在工業(yè)機器人基礎上發(fā)展起來的先進焊接設備，由于焊接過程中，工件有加工誤差、熱變形、定位誤差等各種影響因素，導致焊接質(zhì)量下降，為保證焊接的可靠性，必須要進行焊縫的自動跟蹤。核心是開發(fā)離性能的傳感器和有效的控制方法，近年來，CCO傳感器和旋轉(zhuǎn)電弧傳感器已成為兩大主流傳感器;模糊控制和及其與神經(jīng)網(wǎng)絡、PIO結(jié)合的智能控制方法已成為主要的控制方法。
本文介紹適用于大型水平工件(包括小坡度工件)焊接的輪式爬行機器人的構(gòu)成及相關的控制方法。
1、焊接機器人的系統(tǒng)構(gòu)成
1.1硬件構(gòu)成
機器人系統(tǒng)由小車軍體、控制系統(tǒng)、信號采集及檢測電路、交直流電源四部份組成，配上直流弧焊電源、送絲機和保護氣體后就組成了一個完整的焊接機器人系統(tǒng)。
機器人本體包括移動小車、十字滑塊及相應的電機。機器人本體是一個基于汽車原理的運動機構(gòu)，同時承擔負重功能。二個前輪由步進電機驅(qū)動，負責轉(zhuǎn)向:二個后輪由
交流伺服電機驅(qū)動，提供整個系統(tǒng)前進的動力;十字滑塊曲直流伺服電機驅(qū)動且配有限位開關。線性滑軌和滾珠絲桿完成垂直方向和水平方向的精確運動，可元級調(diào)速，有一定的負重能力和越位保護功能，能夠承載20kg的重量，能帶著焊槍快速移動，最高速度大于100mm/s同時十字滑快的行程大于60mm，從而保證整個系統(tǒng)在相當區(qū)域內(nèi)有良好的動態(tài)響應。
控制系統(tǒng)由研祥EVOC工業(yè)控制計算機、GT-400-SVPCI運動控制卡、maxon直流伺服電機控制器、松下交流伺服電機控制器MSOA043A1A、美國IM483混合式步進電機控制器，恒速旋轉(zhuǎn)控制卡、送絲
控制繼電器組成。研祥工控機為Pentium N2.4.512M內(nèi)存，基于PICMG總線的卡式計算機，其內(nèi)裝有AC1820AA/D高速數(shù)據(jù)采集卡和GT_400_sv_PCI運動控制卡。
信號采集系統(tǒng)及控制接口電路，ISA總線的C1820AA/D采集卡、YOH-HTD-7-300A霍爾電流傳感器組成。
控制電源及
變壓器:包括直流5V、12V和交流24V幾個電壓等級。
機器人小車、十字滑塊及各控制卡在工控機的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，構(gòu)成一個有機整體，實物見圖1。
圖1 機器人
焊接電源和信號的檢測及相關的控制部件組成電弧傳感系統(tǒng)，包括焊炬、直流焊接電源、霍爾電流傳感器、AID采樣器件、濾波和轉(zhuǎn)速控制電路。它是整個系統(tǒng)的關鍵，完成測位、旋轉(zhuǎn)伺服控制和電流采樣的功能。為了確定焊炬旋轉(zhuǎn)時所處的位置及旋轉(zhuǎn)速度，在
旋轉(zhuǎn)電機中裝有一個同鈾的光電碼盤，其外圈有64個矩形槽、內(nèi)圈有1個矩形槽，當電機運轉(zhuǎn)時，矩形槽交替地阻擋和允許從光電管中的發(fā)光管通往光敏接受管的光路，光敏管輸出脈沖信號，反映旋轉(zhuǎn)的瞬時位置，用作AID采樣的觸發(fā)脈沖。
旋轉(zhuǎn)電機的控制一般采用PWM方式，具體的實現(xiàn)分為數(shù)字式和模擬式兩種。通過OSP進行數(shù)字處理，計算出相應的控制量后輸出到OAC7625，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果經(jīng)過隔離放大后控制PWM模塊SG3525，這是一種數(shù)字式的控制方法，此外也有采用單片機的HSO或EPA的高速輸出功能，通過驅(qū)動及光電隔離電路完成電壓等級的轉(zhuǎn)換后對電機進行轉(zhuǎn)速控制。
我們采用的是圖2所示的模擬電路的方法，原理是:焊炬旋轉(zhuǎn)的速度信號經(jīng)隔離放大后，送入LM2907進行頻率/電壓轉(zhuǎn)換，其輸出為一個與轉(zhuǎn)速相對應的鋸齒波。此信號和調(diào)速旋鈕來的設定值分別輸入放大器的負、正輸入端，輸出的是PWM電壓，實現(xiàn)對場效應管IRE540的控制。
1.2焊縫跟蹤的實現(xiàn)
旋轉(zhuǎn)電弧傳感器將一周的焊炬運動離散為64個點，經(jīng)過霍爾傳感器的采集之后送給島。轉(zhuǎn)換器件以提取各個點處的電流值。對這些電流值的分析得到當前焊槍下的焊道的信息。當焊縫的左右偏差和高低變化的數(shù)值計算出來后，通過固高公司的四軸運動控制器來控制小車車體和十字滑塊的協(xié)調(diào)運動，運動控制器的核心是ADSP2181數(shù)字信號處理器，實現(xiàn)高性能的控制計算，包括實時軌跡規(guī)劃、位置、速度或加速度控制、主機命令處理和本身的I/O管理，實現(xiàn)焊縫的精確跟蹤。
2、控制設計
2.1控制方法
整個控制系統(tǒng)采用模糊控制、PI控制、bang-bang控制相結(jié)合的方法:設置二個不同的閥值，在誤差超過大闕值時用bang-bang控制;小于大闊值而大于小闕值時用FUZZY，在誤差接近O時采用PI方法，加入積分以最終消除誤差。
2.1.1模糊控制
當小于大闕值而大于小闕值的時候，我們采用模糊控制，取偏差e和偏差的變化ec作為模糊控制的輸入量，經(jīng)模糊推理后得到輸出的控制量。
根據(jù)模糊控制規(guī)則表，制定出合適的論域，然后我們就可以用重心法解模糊求出控制量U。
2.1.2PI控制
當系統(tǒng)的偏差很小時采用PI控制，取偏差e做為輸入量，則根據(jù)PI控制算法得到控制量U，控制量U的計算公式如下:
2.1.3bang-bang控制
當系統(tǒng)的偏差很大時采用bang-bang控制，取偏差e和偏差的變化ec做為輸入量，根據(jù)bang-bang控制的算法，我們可以得到控制量U。
2.2控制器設計
2.2.1控制策略
由上述的測試數(shù)據(jù)可知:小車的反應速度較慢，所以主要靠十字滑塊來進行焊縫的精確、快速跟蹤，而利用小車進行彎曲的焊縫跟蹤。根據(jù)引言中的分析，整個控制系統(tǒng)采用模糊控制、PI控制、bang-bang控制相結(jié)合的方法:設置二個不同的闕值，在誤差超過大闕值時用bang-bang控制;小于大闕值而大于小闕值時用FUZZY，在誤差接近O時采用PI方法，加入積分以最終消除誤差。流程圖如圖3。
圖3 焊接主程序流程圖
2.2.2控制器結(jié)構(gòu)
3、結(jié)束語
設計了FUZZY、FUZZY-P及FUZZY-PI等多種控制方法，在水平直線V字焊縫，Z型V字焊縫上進行了多次試驗。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器能夠較好地進行彎曲焊縫的跟蹤，試驗說明了此類機器人工作是可靠、靈活的，有較好的應用前景。
