MOTOMAN機器人自動焊接系統設計

陳　浩　成群林　姜　恒　王學遠

(上海航天精密機械研究所，上海　201600)

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MOTOMAN機器人自動焊接系統設計

陳浩成群林姜恒王學遠

(上海航天精密機械研究所，上海201600)

為實現焊接過程的自動化，提升制造企業的生產自動化水平，設計了一種基于DeviceNet現場總線的機器人自動焊接系統。由MOTOMANDX100弧焊機器人、EWM交直流焊接電源和工業PC構建現場總線網絡；機器人通過總線控制焊接電源動作，并實時設定焊接過程工藝參數；采用基于工業PC的監控系統進行焊機工作狀態的監控和焊接參數的實時采集與存儲。應用結果表明，該系統操作簡單、穩定性好，具有一定的推廣價值。

機器人PLC工業PC監控系統現場總線LabVIEW自動焊接

0　引言

工業機器人具有通用性強、定位準確、性能可靠等特點，被應用于焊接領域，可以克服傳統手工操作質量不穩定的缺點，提高焊接質量，增加產量[1]。

當前，焊接設備集成商普遍采用離散的I/O硬接線方式實現機器人與焊機的通信。在惡劣的焊接環境下，各種干擾因素可能影響系統性能，降低焊接質量。此外，由于需要調節的工藝參數較多，傳統的離散I/O方式使得現場布線繁雜，維護成本較高。

本文基于DeviceNet現場總線技術，設計了一種由MOTOMAN機器人、EWM交直流焊接電源以及工業PC組成的自動焊接系統，實現了焊接過程的自動化以及工藝過程的實時監控與數據記錄。總線通信的方式可以解決現場布線繁雜的問題，同時提高系統通信的可靠性和穩定性，保證工業過程質量[2]。

1　系統總體方案

MOTOMAN機器人控制柜DX100控制本體的運動，將機器人臂送至預期工位，焊接電源則控制安裝在機器人執行末端的焊槍、送絲機構以及保護氣路進行焊接。

為了準確、可靠地完成焊接工作，需要將機器人本體和焊接電源協調配合使用，因此，將焊接電源的控制權限接入機器人控制系統中，完成焊接電源和機器人兩者間的協調控制。

MOTOMAN弧焊機器人本身集成了DeviceNet現場總線接口，具備DeviceNet主站功能，可以通過DeviceNet總線，與配有數字化總線接口的EWM焊接電源進行通信，從而控制焊接電源的動作、設定工藝參數并接收反饋信息。

由于MOTOMAN機器人手持操作盒僅支持單個參數的實時調節，對于某些參數較多的焊接工藝，機器人不能滿足使用要求。因此，需要在總線網絡中增加站點，以實現多參數的調節。將配有DeviceNet通信接口卡的工業PC作為總線中的從站，通過其與機器人主站的數據交換，間接實現對某些焊接參數的設定和控制。同時，還可對系統工藝過程的狀態、參數進行實時的采集監控和數據、圖像的存儲，以便現場工藝管控與后續的工藝研究。

自動焊接系統主要由焊接設備、機器人系統和監控系統組成，其結構如圖 1所示。

圖1　自動焊接系統結構圖

2　DeviceNet現場總線配置

焊接系統中，DeviceNet現場總線網絡的拓撲結構如圖2所示。弧焊機器人、焊接電源和工業PC分別通過T形分支器接入總線網絡中。

圖2　DeviceNet網絡拓撲結構圖

分別設定三個網絡節點的站號(MACID)，并選擇相同波特率參數，以確保通信速率的一致性。

DeviceNet主從站通信的基礎是主從站之間的遠程I/O通信，只需在主站單元中為每個從站單元分配DeviceNet通信的I/O區域，主從站即可通過各自DeviceNet通信區的輸入輸出地址映射關系，實現數據交換[3]。根據系統內部通信數據量的要求，在機器人主站內部，分別為焊接電源從站與工業PC從站分配相應的DeviceNet通信區域，其映射關系如圖3所示。

圖3　DeviceNet通信區域映射關系示意圖

機器人DeviceNet通信區的輸入地址設定為2010.x～ 2049.x，輸出地址設定為3010.x～ 3063.x，具體分配如表1所示。

表1　DeviceNet通信區地址分配

3　機器人主站數據交換程序設計

3.1設計思路

在傳統的硬接線I/O集成模式下，機器人與焊接電源之間通過機器人的弧焊基板進行數據交互。機器人對焊接電源的控制，是通過改變弧焊基板接口電路在機器人PLC中所對應的映像寄存器的狀態值(0或1)來實現的[4]。機器人弧焊基板中，焊接相關信號對應的輸入/輸出寄存器、數據寄存器地址如表2所示。

表2　弧焊基板信號的寄存器地址

在現場總線模式下，機器人數據信號的輸入/輸出是對DeviceNet通信輸入/輸出區域的數字量狀態值(0或1)進行操作。在基于DeviceNet現場總線的焊接系統中，機器人作為網絡中的主站，是系統通信的核心站點。總線中對焊接電源的控制信號、設定參數以及由焊接電源反饋的數據信息，都需要經過主站進行處理，由其自身接收或傳遞至另一從站。

3.2控制信息輸出

在焊接工作模式下，機器人系統的ARCON、ARCOFF、ARCSET等焊接作業命令必須直接作用于弧焊基板的內部映像寄存器。因此，在用DeviceNet總線模塊替換弧焊基板實現機器人的外部通信時，仍需要保留這部分映像寄存器區地址，即機器人系統中與焊接命令固化了的相關接口地址保持不變。

基于此，在機器人PLC中編寫相應程序，建立輸出映像寄存器區、數據寄存器區與DeviceNet通信輸出區之間的映射關系，繼而與焊機總線接口模塊相對應，最終使機器人以總線形式進行焊接命令、參數的輸出。

焊接電源通過DeviceNet接口模塊接收的驅動參數信號按照其來源可分為三類：①只由焊接機器人控制；②由焊接機器人與工業PC共同控制；③只由工業PC監控系統控制。

第①類信號由弧焊基板的寄存器區狀態值直接驅動，包括焊接啟動信號和焊接電流輸出信號，處理程序為：

STR32551OUT30100

STR30011MOVM561W30140

第②類信號由弧焊基板寄存器區與工業PC中的監控系統共同驅動，兩者為邏輯“或”關系，包括送絲、退絲和保護氣控制，處理程序為：

STR32567OR20222OUT30102

STR32552OR20224OUT30104

STR32553OR20225OUT30105

第③類信號只由工業PC監控系統控制，包括故障復位、監控功能啟動、自動送絲啟動等開關量信號以及其他焊接參數，如脈沖基值電流、脈沖頻率、占寬比等。機器人PLC作為中間過渡，將其DeviceNet輸入區接收到的來自PC的數據信息傳遞至焊接電源的輸出區，處理程序為：

STR20221OUT30101

STR20227OUT30107

STR20232OUT30112

GSTR2025GOUT3013

GSTR2028GOUT3016

……

GSTR2047GOUT3035

3.3反饋信息輸入

焊接電源通過DeviceNet通信模塊將反饋的參數輸入至機器人主站中，由主站接收或傳遞至工業PC從站，因此主站的輸入數據處理分為反饋至機器人和反饋至工業PC兩部分。

①反饋至機器人。

為正確完成焊接操作，必須確保機器人臂末端焊槍的運動與焊接電源的起弧動作相協調，即只有在確認成功引弧后，機器人本體才繼續執行后續的運動程序，因此，必須確保機器人能準確、及時地接收焊機輸出的引弧成功信號這一關鍵的反饋信息。此外，對于焊機所反饋的送絲、保護氣運行指示信號，需要確保在出現故障時，機器人能及時停止工作。

弧焊基板接口電路中，與輸入端子連接的輸入繼電器采用光電隔離的電子繼電器，其線圈的吸合或釋放動作只取決于其外部觸點的狀態，無法由內部PLC程序驅動，即不能將輸入繼電器對應的寄存器位作為PLC程序中OUT語句的操作結果位。在輸出控制信息時所采用的區域映射關系，在接收反饋信息時不可行[5]。

在系統梯形圖中，將原先弧焊基板接收反饋信號的輸入點位替換為相應的DeviceNet通信區的輸入點位，即對系統梯形圖程序進行修改：

STR22550OUT70042→STR20136OUT70042

STR22551OUT70043→STR20135OUT70043

STR22553OUT70040→STR20100OUT70040

70040、70042和70043為機器人系統內部信號，分別表示焊接電源的引弧確認、保護氣正常確認以及送絲正常確認，用作后續工作程序的啟動觸發條件。

②反饋至工業PC。

作為系統的監控站點，工業PC需要實時獲取焊接電源的工作狀態以及焊接參數等信息。為此，機器人主站需要將DeviceNet輸入區接收到的來自焊機的數據信息傳遞至工業PC的DeviceNet輸出區，處理程序為：

GSTR2010GOUT3036

GSTR2011GOUT3037

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……

GSTR2020GOUT3046

GSTR2021GOUT3047

對于焊接電源反饋到工業PC的數據信息，從中截取需要實時監控的工作過程狀態信號以及待顯示、保存的參數值。該部分功能在監控系統軟件中實現。

4　工業PC監控系統設計

在工業PC的PCI卡槽中插入HilscherDeviceNet通信卡CIFX50-DN，作為系統的從站，并在此基礎上編制監控系統軟件。

4.1工作原理

監控系統軟件作為Windows系統的應用程序，其與外部總線的數據交換原理如圖4所示。監控系統調用通信卡的API函數，由底層驅動程序直接對通信卡進行操作。在此過程中，在監控系統軟件與通信卡的雙端口存儲器(dual-portmemory，DPM)之間交換數據流，從而實現了用工業PC對外部DeviceNet總線設備的狀態與參數監控。

圖4　數據交換原理圖

4.2總體架構

圖5　監控系統總體架構圖

當LabVIEW程序涉及對硬件的操作控制時，均調用封裝了API函數資源的動態鏈接庫文件CIFX32DLL.dll。在“調用庫函數”對話框中選擇庫中具體的API函數，并將參數的數量、類型以及返回值的類型與函數原型進行匹配，實現庫函數的調用[6-7]。

4.3功能模塊

監控系統采用模塊化設計方法，分為多個獨立的子模塊。由每個模塊實現特定的功能，再進行組合。主要功能介紹如下。

①硬件驅動權限處理。

對硬件進行操作的前提是獲取驅動程序的操作權限，再打開需要進行數據交換的通道。調用API函數xDriverOpen和xChannelOpen，獲得驅動的句柄hDriver和數據通道的句柄hChannel，供后續程序調用。在通信工作完成后，釋放操作權限以關閉通信功能。調用API函數xChannelClose和xDriverClose，先通過數據通信通道的句柄hChannel關閉該通道，再通過驅動的句柄hDriver關閉驅動。

②輸出數據配置。

由工業PC監控系統站點傳遞至焊接電源的數據有1位二進制數表示的開關量和16位二進制數表示的數字量這兩種類型，分別用于開關信號和參數的設定。為了統一數據類型，將所有輸出數據統一重組成無符號16位整數數組的連續數據塊。

③數據輸出。

調用通信卡的數據通道寫入數據API函數xChannelIOWrite，通過已打開的數據通道的句柄hChannel獲取輸出操作權限，將配置完成的輸出數據塊傳遞至CIFX50-DN通信卡的DPM中；再將其輸出至緩沖區，并發送至DeviceNet現場總線中。

④數據輸入。

調用通信卡的數據通道讀取數據API函數xChannelIORead，通過已打開的數據通道的句柄hChannel獲取輸出操作權限。DeviceNet現場總線中輸入的所有數據經過輸入緩沖區，傳遞至CIFX50-DN通信卡的DPM后，由監控系統程序讀取數據。

⑤輸入數據后續處理。

監控系統通過CIFX50-DN通信卡讀取的數據是無符號16位整數數組的形式，通過“索引數組”函數提取數據塊所需數據，以進行后續處理。

在監控系統前面板中，將開關量狀態信號用“布爾顯示”控件表示。對于焊接電壓、焊接電流和送絲速度等需要實時監控的焊接過程參數，通過“索引數組”函數獲取相應的輸入數字量；再根據反饋數字量與參數顯示值之間的線性對應關系進行轉化運算，得到實際參數值，通過“波形圖表”控件在前面板中實時顯示。

“波形圖表”控件內部包含一個先入先出的緩沖區，用以臨時存儲歷史數據。焊接過程結束后，將過程中的緩存數據通過“寫入電子表格”函數寫入到Excel表格中，保存數據文本文件；再利用“波形圖表”“導出曲線圖像”，保存焊接過程中實時記錄的參數曲線圖像。

5　系統運行試驗

機器人自動焊接系統設計完成之后，進行系統試運行。系統運行流程如圖6所示。

圖6　系統運行流程圖

采用該焊接系統進行焊接試驗，試驗結果表明，該套自動焊接系統實現了各項預期功能，且運行可靠。

6　結束語

本文設計了一種基于DeviceNet現場總線通信方式的自動焊接系統。首先，對現場總線網絡進行基礎配置；然后，在機器人主站中設計相關程序，實現了系統網絡站點間的數據交換；最后，以LabVIEW為開發平臺，設計了監控系統軟件，可對整個系統的工作狀態以及工藝過程參數進行實時監控顯示與后續記錄保存。

自動焊接系統克服了傳統硬接線集成模式下系統易受干擾、布線繁雜的缺點，提高了系統通信的可靠性和穩定性，保證了工業過程質量；同時，可對實際作業過程進行實時監控，并對過程數據進行記錄與保存以供后續的工藝研究，具備實際工程推廣價值。

[1] 張正兵，李曉娜．機器人在焊接中的應用[J]．電焊機，2008，38(6)：44-47．

[2] 賈強，劉艷．焊接自動化技術[J]．科技世界，2013(18)：90-93．

[3] 李燁．現場總線技術及應用研究[D]．長沙：湖南大學，2002．

[4] 吳紅霞，劉洋．電氣控制及PLC原理與應用[M]．北京：冶金工業出版社，2011：13-14．

[5] 施光林，劉利．可編程序控制器通信與網絡[M]．北京：機械工業出版社，2006：9-10．

[6] 孫濱，郭曉東．動態鏈接庫技術及其應用[J]．電腦編程技巧與維護，2009(15)：13-14．

[7] 劉剛，王立香．LabVIEW8.20中文版編程及應用[M]．北京：電子工業出版社，2008．

DesignoftheMOTOMANRobotAutomaticWeldingSystem

Inordertorealizetheautomationofweldingprocess,andtopromotetheautomationlevelofmanufacturingenterprises,akindofrobotautomaticweldingsystembasedonDeviceNetfieldbusisdesigned.ThefieldbusnetworkisconstitutedbyMOTOMANDX100arcweldingrobot,EWMAC/DCweldingpowersupplyandindustrialPC;theoperationofweldingpowersupplyiscontrolledbytherobotviathefieldbusandthetechnologicalparametersoftheweldingprocessaresetupinrealtime;whilethemonitoringofoperatingstatusofweldingmachineandtherealtimeacquisitionandstorageoftheweldingparametersareconductedbythemonitoringsystembasedonindustrialPC.Theapplicationresultsshowthatthesystemissimpletooperateandstableinperformance,whichindicatesthatthesystemhassomepromotionalvalue.

RobotProgrammablelogiccontroller(PLC)IndustrialPCMonitoringsystemProfibusLabVIEWAutomaticwelding

陳浩(1991—)，男，現為上海航天技術研究院航空宇航制造專業在讀碩士研究生；主要從事焊接自動化方向的研究。

TH-39;TP274

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609015

修改稿收到日期：2016-03-02。