基于機器人激光焊接系統的開發

李彬彬 陶旭

[摘 要]德國倍福公司于2003年提出EtherCAT協議，該協議具有響應速度快、傳輸數據安全和同步的特點，現在許多工業機器人提供了基于EtherCAT協議的外部接口。本文以德國KUKA工業機器人和美國IPG光纖激光器為例，提出機器人激光焊接集成方案，解決了激光器只能連續出光，而機器人本身不具備輸出高速脈沖指令的問題，實現了機器人激光點焊、連續焊和脈沖焊接。

[關鍵詞]EtherCAT協議；激光焊接；系統開發

中圖分類號：TG456.7 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）33-0382-01

1引言

自2007年進入中國市場以來，歷經十年發展，EtherCAT技術獲得了市場的廣泛接納與認可。可以說，EtherCAT技術已不僅是中國國家推薦性標準，它也是真正的市場標準。目前，EtherCAT技術在中國的自動化控制領域遍地開花。正是其真正的開放性以及ETG團隊的大力支持，中國本土的供應商、集成商和最終用戶才能受益于該項技術，實施自己的EtherCAT主站控制器和從站產品（I/O、伺服驅動器、傳感器、編碼器、HMI等），從而增強產品本身的競爭力和制造能力。

2激光焊接的原理

激光焊接主要是通過激光技術來實現能源焊接，通過使用光學振蕩設備及利用包括電能、化學能在內的原始能量進而激發出固態、業態、氣態等不同介質，在此之后會形成相位相同、波長集中的光束，正是由于這些光束具備以上特性，所以差異角都顯得特別小，傳播距離則顯得較長，這樣的光速可實現高度集中利用。激光束的功率與金屬表面是否可以發生汽化密切相關，當其密度較大時，如果將激光束照射在金屬表面上，金屬表面溫度就會迅速增高，在較短的時間就可以使其溫度達到沸點后發生汽化。金屬蒸汽在其速度達到特定程度時，就可離開金屬熔池表面，此時會更加不利于金屬融化。金屬會出現向下凹陷的情況，形成一個小凹坑。隨著溫度上升，金屬表面凹陷處會逐漸成為一個細長的小孔。隨著激光束的移動變化，小孔前方融化的金屬會繞開小孔流向后方，然后凝固成焊縫。焊縫是深是淺與激光功率密度高低密切相關，如果所采用的激光功率密度比較低，那么熔深會比較淺、深寬卻比較小。焊接熔深是指在焊接接頭橫截面上，母材或者是焊道焊縫融化的實際深度。激光功率密度比較高時熔深也會加大，深寬也會加大，此時易形成穿透性焊縫。現階段，包括汽車座椅在內的很多焊接工藝皆是采用這種激光焊接技術。

3激光焊接技術的發展現狀

在九十年代初期國家的汽車工業還處于初級發展階段，只有一部分汽車企業在制造過程中使用了激光焊接技術，此時的激光焊接還只應用在汽車的底盤和汽車本體的焊接方面。而隨著時間的推移，激光技術的發展，越來越多的國內汽車企業選擇了激光焊接技術，激光加工技術也被應用到更多的汽車制造環節中去。激光技術的噪音較小，而且通過激光焊接能夠有效提高汽車的穩定性，最大程度的提高了汽車駕駛過程中的安全性和堅固性，因此激光加工技術逐漸取代了傳統的手動焊接模式。雖然國家現階段取得了優異的成績，但是焊接技術還需要進一步的發展，讓更多的汽車制造企業了解認識激光加工技術。

4基于EtherCAT協議的機器人激光焊接系統開發

4.1EtherCAT協議簡介

EtherCAT是一項高性能、低成本、應用簡易、拓撲靈活的工業以太網技術。它于2003年被引入市場，并于2007年成為國際標準。EtherCAT是一項開放的技術，允許任何人實施或應用。它采用標準的以太網數據幀和符合以太網標準IEEE802.3的物理層，可為實現簡單的控制構架預留空間；其系統搭建和配置工作簡單易行；成本方面達到甚至低于現場總線的成本水平；從現場總線可平穩過渡到EtherCAT。這些特點顯現了EtherCAT與其他現場總線技術的區別。無論是物聯網、工業4.0，還是《中國制造2025》，都提到各個層級普遍都需要實現無縫的、持續且標準化的通信。傳感器數據上傳到云中，同時，配方和參數從ERP系統下載到分布式設備，這就如同由兩臺機器共享的饋送系統，在垂直和水平方向都存在數據流需求。EtherCAT通過其高性能、靈活且開放的接口，從根本上滿足了數字傳輸的需求。此外，開放接口允許集成任何基于IT的協議——包括OPCUA、MQTT、AMQP或其他任何主站內部或直接進入從站設備的協議，從而為IoT提供直接鏈路，因此傳感器到云之間不會有協議間斷。

4.2硬件連接

從站板卡AIO1616通過網線與機器人主站連接實現指令的傳輸，24V電源也來自于機器人控制柜。從站PWM口與激光器數字輸入口相連，實現點焊、脈沖和連續焊接。機器人和激光器模擬量端口連接，實現激光器功率控制。從站數字輸出口與保護氣和氣刀繼電器線圈連接，通過電磁閥控制氣體的輸出與關閉。特別指出，IPGYLS2000光纖激光器沒有提供專門的PWM控制輸入口，與從站PWM輸出口連接的是激光器數字輸入口，容許最高輸入頻率是5000Hz。從站PWM輸出口，其脈沖峰值為24V，基值電壓為0V。激光器PWM輸入口和數字量輸入口是同一個點。

4.3機器人軟件配置與實現

在KUKA公司提供的WorkVisual2.4軟件中實現從站板卡端口的配置，實現機器人程序對端口的控制。建立機器人與從站板卡模擬量和數字量I/O端口的映射關系，可以實現軟件對端口的操作。從站PWM端口直接與激光器數字輸入口通過一根通訊線連接，但PWM信號調節至少包括兩個方面：脈寬調節和頻率控制，顯然，不能簡單通過建立系統與從站的數字I/O口映射來實現。采用建立16路機器人系統數字輸出口與從站板卡1路PWM輸出口映射來解決這個問題。在WorkVisual軟件中建立16路機器人系統輸出端口與板卡1路PWM輸出口之間的映射關系，然后在KSS8.2軟件系統中定義兩個全局變量pwm1和pwm2，pwm1用于脈寬調制，pwm2用于設置頻率大小，程序中改變pwm1和pwm2值就能改變PWM端口的脈寬和頻率值。程序中pwm1取值為0至65535，0表示整個周期中輸出電平值是0，65535表示周期中都輸出峰值電壓，也就是說，當pwm1的設定值為65535時表示PWM端口輸出直流信號，對應于連續焊接；設定值為0時表示沒有電平信號輸出，表示焊接終止。pwm2的數值量與周期成正比，與頻率之間是一種非線性關系。激光器功率由模擬量設定，與程序中數值呈線性關系。

5結束語

文章采用基于EtherCAT協議從站板卡，集成到機器人軟件系統中，通過機器人軟件協同控制機器人運動和激光器光閘來完成焊接過程。試驗結果表明：基于EtherCAT協議的機器人激光焊接集成系統，能方便地實現點焊、脈沖焊和連續焊，焊接效果良好。

參考文獻

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