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【摘 要】通过对焊接机器人本体研究,结合机器人学的基本原理,总结归纳其内部控制系统设计过程,更好的认知和学习焊接机器人控制系统的使用情况.
【关 键 词】焊接机器人；控制系统
1.引言
自1959年美国推出世界上第一台Unimate型机器人以来,工业机器人的数量在世界范围内不断增长,其中有半数为焊接机器人.到目前为止,焊接机器人大致可分为三代,第一代是基于示教再现工作方式的焊接机器人,由于操作简便,不需要环境模型,示教时可修正机械结构带来的误差等特点,在焊接生产中得到大量使用.第二代是基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人,第三代是指装有多种传感器,接受作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应智能机器人.
由于计算机集成制造系统（CMIS）和柔性制造系统（FMS）的发展,越来越迫切地要求工业机器人系统能与现代化工厂的其他自动化系统成为一体,同时随着生产技术的不断更新,以及对机器人系统研究的需要等,这一切都要求机器人的控制系统在硬件和软件结构上都必须具有开放性,同时还要保持有较高的实时响应.因此机器人的控制系统体系结构的研究一直是机器人研究工作者关注的重点.
2.系统结构
系统控制器由计算机控制、PLC控制和机器人控制器控制等方式组成.除了控制机器人动作外,还进行输人输出控制等.主控部分按照示教盒提供的信息生成工作程序,并对程序进行运算,算出各轴的运动指令,交给伺服驱动,伺服驭动部分将从主控来的指令进行处理,产生伺服驭动电流.驱动伺服电机,KUKA采用内置PLC,其主要进行输人输出控制,控制在机器人进行作业的时候,通过输人输出接口,给焊机发出焊接指令,并监控焊机的工作情况,同时还可对周边装置进行控制.
由于机器人控制器里内置PLC,也可独自完成对较小系统的全部控制任务,系统控制对机器人和周边装置进行统一的控制、管理、采集传感器信号,对整个系统进行监视,控制系统将报警并停止全部作业控制系统主要进行的监控任务有工作设备是否准备好、工件是否到位、是否夹紧、工作过程各工作条件有否异常、有无人员进人工作区等,在需要的情况下,还将进行记录.焊、送丝机、软管等辅具也必须满足机器人焊接的特定要求.
3.控制原理分析（驱动系统）
驱动系统采用机电一体化设计、所有轴都是由数字化交流伺服电机驱动,交流伺服驱动系统有过载、过流、缺相、超差等各种保护,性能安全可靠先进的设计令机器人能够高速、精确、稳定的运行,并易于维护.机器人运动的孰迹十分精确、重复定位精度小于0.5mm.机器人手臂的每个关节都可当作一个简单的伺服机构,每个关节控制都有一个伺服环,以提供位置误差信息.机器人采用了独立关节的PID伺服控制.机器人具有非线性特点,即惯性力、关节间的耦联及重力均与机器人的位姿或速度有关,是变化的,但伺服系统的反馈系数是确定不变的,因此这种控制方法难于保证在高速、变速或变载荷情况下的精度.由于工业机器人在工业环境下,对其快速性与变载负荷都有严格要求,固在控制方法上仍采用传统的单关节PID控制,从设计方便考虑,我们选择相应的集成驱动芯片,实现单性可逆驱动,利用单片定时器产生PWM脉冲调制信号,检测元件为旋转变压器,检测信号转换后送入关节控制器,并与控制器中的设定参数比较,产生偏差信号,控制驱动器驱动电机.如图1所示为单臂控制过程.
如果要让一个以上的关节同时运动,那么各运动关节的力和力矩会产生互相作用,而且能对每个关节适当地应用位置控制器、速度控制器、加速度控制器.因此,要克服这种相互作用,就必须附加补偿.要确定这种补偿,就需要分析机器人的动态特征,对各关节间的耦合和补偿.
4.软件系统
焊接机器人的系统软件主要由PCWin-dows系统、KSS系统、OPCServer构成,控制软件主要实现以下基本功能模块：人机界面、数据库存取、机器人运动控制、报警处理、电机驱动器操作、I/O模块操作、串行通讯等.WindowsXP系统是经MicroSoft授权,安装于库卡PC系统的基本操作系统,用于机器人的编程与操作；KSS系统用于机器人的控制,如位置计算,速度控制、电流监控等,WindowsXP系统与KSS系统通TCP/IP协议进行通讯.
5.总结
通过对焊接机器人系统结构、电源控制系统、各硬件模块和软件逻辑模块的分析和整理,可以有效的了解各模块开发工具和各个模块的连接形式.焊接机器人控制系统控制器采用工业控制计算机,编码器反馈输出,步进电机用于闭环控制,软件采用模块化设计等.