焊接機(jī)器人作為現(xiàn)代制造業(yè)的主體裝備成員，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于受關(guān)節(jié)自由度和作業(yè)可達(dá)空間的限制，單一的通用焊接機(jī)器人所能完成的焊接任務(wù)是十分有限的，所以在面對復(fù)雜焊接任務(wù)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，比如汽車底盤和車身的生產(chǎn)，就不得不用大量的焊接機(jī)器人來協(xié)同完成，于是我們就看到數(shù)十臺甚至上百臺焊接機(jī)器人同時工作在同一生產(chǎn)線上的壯觀場面。其實(shí)，這既是工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的寫照，也是單一焊接機(jī)器人能力局限的結(jié)果。

焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，從宏觀上講大體是兩個方向。一是從焊接過程的質(zhì)量控制，比如提高焊縫跟蹤軌跡精度等，從焊接工藝的角度來提高焊接質(zhì)量。二是焊接機(jī)器人作業(yè)能力的拓展，變位機(jī)就屬于這一類。本質(zhì)上變位機(jī)是焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度的拓展和作業(yè)空間的延伸。變位機(jī)的應(yīng)用使得單臺焊接機(jī)器人的作業(yè)靈活性更強(qiáng)，焊接工件的尺寸理論上也不再受限于機(jī)器人自身的作業(yè)空間。變位機(jī)的出現(xiàn)很大程度上彌補(bǔ)了過去焊接作業(yè)中的種種局限性。可以說，變位機(jī)已經(jīng)成為焊接機(jī)器人突破自身局限的新支點(diǎn)。毫無疑問，變位機(jī)成功應(yīng)用的關(guān)鍵是與焊接機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制，通俗地講，就是兩者之間的有效配合。

變位機(jī)系統(tǒng)的基本組成和國內(nèi)生產(chǎn)基本狀況

長期以來，由于制造業(yè)發(fā)展水平的差異和相關(guān)研究的薄弱，迄今沒有專門著作去研究焊接變位機(jī)的定義和分類，因此對其的稱謂和功能分類也各有不同。為此，我們需要賦予焊接變位機(jī)一個專業(yè)的定義，即用來拖動待焊工件，使其待焊焊縫運(yùn)動至理想位置進(jìn)行施焊作業(yè)的設(shè)備。具體而言，焊接變位機(jī)可以通過回轉(zhuǎn)變位或直線變位運(yùn)動，使加載工件的任意方位待焊焊縫，根據(jù)具體焊接需要，快速變?yōu)榇_焊、平焊成平角焊的施焊作業(yè)，從而改變了可能需要立焊、仰焊等難以保證焊接質(zhì)量的施焊作業(yè)。

現(xiàn)在我國生產(chǎn)變位機(jī)的廠家不少，大都不成規(guī)模，基本都是作為焊接輔機(jī)，和焊接機(jī)器人配套生產(chǎn)，以變位機(jī)為主導(dǎo)產(chǎn)品的企業(yè)尚未形成。國產(chǎn)變位機(jī)按運(yùn)動功能主要分全雙回轉(zhuǎn)式、傾翻-回轉(zhuǎn)式、單回轉(zhuǎn)式變位機(jī)。其中全雙回轉(zhuǎn)式包括L、H（雙座）、C型雙回轉(zhuǎn)式；而單回轉(zhuǎn)式焊接變位機(jī)主要包括:雙座單回轉(zhuǎn)式、雙座單回轉(zhuǎn)尾架移動式、單座單回轉(zhuǎn)等三種類型。變位機(jī)的基本性能要求包括承載量、定位精度、最大扭矩輸出、調(diào)速范圍、以及精準(zhǔn)角度設(shè)置等，目前重型變位機(jī)承載量可在5000Kg以上，最大扭矩輸出可達(dá)18000KN，焊接旋轉(zhuǎn)角可以在0-360°之間任意順、逆時針設(shè)定。高精度變位機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)控制，其本體精度保證依賴于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，而與機(jī)器人主體部分協(xié)調(diào)配合好壞是焊接系統(tǒng)工作精度高低的決定因素。

生產(chǎn)焊接變位機(jī)的主要國內(nèi)廠家有濟(jì)南焊達(dá)機(jī)械有限公司、無錫市陽通機(jī)械設(shè)備有限公司、杭州凱爾達(dá)機(jī)器人有限公司、威達(dá)自動化焊接設(shè)備公司等單位，其生產(chǎn)的變位機(jī)在國內(nèi)占有較大的市場。

焊接機(jī)器人和變位機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)技

作為焊接機(jī)器人和變位機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動控制的解決方案，我們通常會將變位機(jī)和機(jī)器人作為一個整體，采用一個具有協(xié)調(diào)控制功能的控制系統(tǒng)來統(tǒng)一控制，這是一種行之有效的開發(fā)方法。然而，不少企業(yè)因?yàn)橹芭渲昧舜罅亢附訖C(jī)器人，將原有的單機(jī)器人系統(tǒng)改造成具有與獨(dú)立變位機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動的作業(yè)系統(tǒng)，就成為了企業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求。因此前述的設(shè)計方法對于改造早期的封閉式單機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)并不適用，能否設(shè)計一種方法解決二者之間的協(xié)調(diào)問題，成為當(dāng)今焊接機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。

1. 針對焊接機(jī)器人和變位機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動控制設(shè)計

將焊接機(jī)器人和變位機(jī)視為整機(jī)系統(tǒng)開發(fā)出配套的專用控制器，可以提高設(shè)計效率，獲得較好的協(xié)同作業(yè)效果。在幾家研究單位中，浙江大學(xué)機(jī)器人研究中心長期致力于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域通用運(yùn)動控制器的設(shè)計研發(fā)，目前已開發(fā)出第三代多軸運(yùn)動控制器MAMC 3.0，其基于DSP和CPLD的開放式架構(gòu)可以滿足通用型焊接機(jī)器人多軸聯(lián)動的控制場合，并且控制器擴(kuò)展出的接口可用于變位機(jī)伺服控制。該產(chǎn)品將計劃產(chǎn)業(yè)推廣。其硬件架構(gòu)如圖2所示。

在這套控制系統(tǒng)中，由工控機(jī)負(fù)責(zé)統(tǒng)一協(xié)調(diào)規(guī)劃，完成任務(wù)的分配和調(diào)度。運(yùn)動控制由焊接機(jī)器人和變位電機(jī)的下層伺服驅(qū)動器、光電編碼器構(gòu)成位置閉環(huán)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)工作的狀態(tài)將會通過運(yùn)動控制器反饋，實(shí)時顯示在工控機(jī)顯示界面上。得益于開放式的軟硬件架構(gòu)，操作者可以方便的通過更改相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)不同的配置策略，如具體控制軸數(shù)、軌跡規(guī)劃策略以及運(yùn)動控制策略等。目前，諸多科研單位對焊接機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動控制做了深入研究并得出一系列重要成果，如果從開始階段就實(shí)現(xiàn)基于開放式架構(gòu)的集成化控制系統(tǒng)，無疑是給這些研究成果創(chuàng)造了一個方便轉(zhuǎn)化的平臺。通過這種集成化的專業(yè)控制系統(tǒng)，可以在焊接初始時期預(yù)先規(guī)劃好焊接機(jī)器人和變位機(jī)的運(yùn)動軌跡，使得在作業(yè)工程中實(shí)現(xiàn)二者良好的配合。

目前，具有機(jī)器人自動焊接系統(tǒng)生產(chǎn)資質(zhì)的國內(nèi)廠家大多采取該設(shè)計方案。以杭州凱爾達(dá)機(jī)器人有限公司生產(chǎn)的焊接機(jī)器人系統(tǒng)為例，其變位機(jī)控制和焊接機(jī)器人本體是由同一個控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。目前該公司研制有單軸變位機(jī)和雙軸變位機(jī)，并應(yīng)用與工件邊焊接邊變位，可適應(yīng)環(huán)焊縫，復(fù)雜空間焊縫的要求。

2.針對焊接機(jī)器人和變位機(jī)獨(dú)立的運(yùn)動控制器設(shè)計

對于已購置成品工業(yè)機(jī)器人的企業(yè)，由于是封閉式的控制系統(tǒng)，除非購置同樣廠家的變位機(jī)，否則很難和其他廠家的變位機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制。因此，客觀上需要我們?nèi)ゲ捎锚?dú)立式控制方法，分別控制焊接機(jī)器人本體和變位機(jī)的運(yùn)動。為保證焊接精度的要求，必須要將焊接機(jī)器人和變位機(jī)的相對位置精度限定在一個極小的范圍內(nèi)。硬件架構(gòu)如圖4所示。

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針對這種設(shè)計目標(biāo)的一般方法是：焊接加工前，通過焊接機(jī)器人內(nèi)建的注信息功能創(chuàng)建和保存運(yùn)動類型和變位機(jī)速度，并在變位機(jī)控制器上另建文件保存與焊接機(jī)器人對應(yīng)的變位機(jī)位置信息，然后在加工前按照上述的控制方法生成焊接機(jī)器人和變位機(jī)的加工文件。執(zhí)行焊接工作時，分別由機(jī)器人和變位機(jī)控制器解析執(zhí)行。這種設(shè)計方法的基礎(chǔ)在于求解工件焊接軌跡在用戶坐標(biāo)系下的位置。在焊接前，先要建立用戶坐標(biāo)系，確定變位機(jī)相對于焊接機(jī)器人的位置，然后求得焊縫軌跡在該坐標(biāo)系下的表達(dá)式，最后確定變位機(jī)運(yùn)動控制函數(shù)，并由機(jī)器人和變位機(jī)的運(yùn)動關(guān)系求得機(jī)器人的空間運(yùn)動軌跡。因?yàn)楹附訖C(jī)器人和變位機(jī)采用的是兩套不同的控制系統(tǒng)，要保證協(xié)同作業(yè)還需要統(tǒng)一的時鐘觸發(fā)，這點(diǎn)應(yīng)該在硬件系統(tǒng)控制中予以實(shí)現(xiàn)，如統(tǒng)一這兩個系統(tǒng)的指令信號時鐘，實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)。此外，在示教過程中，示教文件和加工文件的文件結(jié)構(gòu)設(shè)計亦不容輕視。

除了變位機(jī)運(yùn)動控制算法的建立，變位機(jī)運(yùn)動軌跡的圓滑度和機(jī)器人配合運(yùn)動的復(fù)雜度也同樣重要。為使變位機(jī)運(yùn)動保持運(yùn)動的平穩(wěn)性，需要利用高級插值算法對變位機(jī)示教點(diǎn)做擬合，實(shí)現(xiàn)圓滑過渡。另外可以采用小線段擬合的方法，這樣可以將機(jī)器人空間運(yùn)動軌跡分割成一個個小的線段。這樣就大大減少了焊機(jī)器人所需的控制點(diǎn)數(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)二者協(xié)同工作。

國內(nèi)在對分離式變位機(jī)的相關(guān)研究直到近期才逐漸開始，高性能的變位機(jī)目前還不普及，大多數(shù)現(xiàn)場應(yīng)用的變位機(jī)只能實(shí)現(xiàn)簡單的、基本的預(yù)設(shè)動作，復(fù)雜焊接軌跡的協(xié)調(diào)運(yùn)動還未在大規(guī)模工業(yè)加工場合中實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)和展望

在我國，變位機(jī)是個相對“年輕”的產(chǎn)品，它對焊接工業(yè)來說是不可或缺的，以焊接機(jī)器人為核心，集成變位機(jī)等設(shè)備的焊接加工系統(tǒng)大大提高了我國工業(yè)制造的效率。同時，這種集成性設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，也是進(jìn)一步提高我國焊接裝備制造以及焊接加工工藝水平所必須突破的。在這些技術(shù)當(dāng)中，焊接機(jī)器人本體和變位機(jī)協(xié)調(diào)控制技術(shù)具有突出的應(yīng)用價值，它使需要立焊、仰焊等難以保證焊接質(zhì)量的施焊操作成為可能，從而保證了焊接質(zhì)量，提高了焊接生產(chǎn)率和生產(chǎn)過程的安全性。

在未來的焊接機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展中，變位機(jī)協(xié)調(diào)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和普及需要廣大科研單位和制造企業(yè)共同推動，其必將成為中國焊接機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展的新支點(diǎn)。