機器人攪拌摩擦焊力位混合控制系統集成*

葉子平，王春桂，趙運強，溫林秀

（1.廣東省科學院中烏焊接研究所廣東省現代焊接技術重點實驗室，廣州 510651；2.松山湖材料實驗室，廣東東莞 523000）

0 引言

攪拌摩擦焊[1]是英國焊接研究所（TWI）于1990 發明的一種新型固相連接技術，近年來，憑借工業機器人優越的靈活性和較高的自由度，以重載機器人為本體搭載的攪拌摩擦焊接設備[2]開始出現，攪拌摩擦焊是依靠攪拌頭與工件摩擦及攪拌頭軸肩對工件鍛壓進行焊接的，在焊接過程中攪拌頭需要與工件保持一定的接觸面，也就是焊接工藝參數中的Z軸方向的壓下量，但攪拌摩擦焊接過程中伴隨著熱輸入量的積累，工件屈服強度逐漸降低且發生變形[3]，此外，機器人關節臂在垂直方向上因承受了較大的下壓力而變形[4]，兩者的變形共同導致了攪拌頭在焊接過程中無法取得理想的下壓量。目前在國內已開發的攪拌摩擦焊專機及機器人攪拌摩擦焊設備已大部分集成了下壓力控制系統[5～6]，但下壓力控制系統主要是控制機器人Z方向的位移。此外在橫向位移上，機器人關節臂所受較大前進阻力[7]而發生變形，其受力后的變形非常大，尤其是在焊接三維空間曲線時該問題尤其突出，在實際焊接時，經實測，500 kg 級的重載機器人在300 kg 下壓力控制值下焊接空間曲線時X及Y方向的變形量可達2 mm，機器人本體的安裝條件也對該變形量有一定的影響。

單純采用下壓力控制系統并不能解決焊縫偏移問題，因此有必增加焊縫跟蹤系統來解決橫向偏移問題，將下壓力控制系統與焊接跟蹤系統組合集成到機器人攪拌摩擦焊設備中才能更好地解決焊縫偏移問題，滿足機器人攪拌摩擦焊的生產應用。

將下壓力控制系統或焊接跟蹤系統集成至機器人攪拌摩擦焊接系統通常是采用上位機或加外部PLC 形式，由于上位機一般是采用C++、VB 等編程語言進行編制數據的采集與處理程序，在使用時有利于分散設備的集中控制及數據的后期分析，但由于程序語言的限制不能很好地實時適應焊接工藝參數調節如焊接過程中下壓力控制值需變化等要求，將位移反饋控制系統集成至機器人內部控制器中將有利于工藝參數的控制及控制的實時性。為此，本文根據機器人攪拌摩擦焊接的工藝特點，同時考慮工藝參數調節的需要及系統的實時響應性，擬在機器人內部控制系統中集成下壓力控制系統及焊接跟蹤系統，以滿足機器人焊接工藝要求。

1 攪拌摩擦焊主軸等外圍設備的集成控制

機器人攪拌摩擦焊接系統主要由包含機器人控制器的機器人本體、攪拌焊電主軸及輔助設備所組成，系統集成主要是指電主軸及輔助設備等外部設施的控制。機器人控制系統主要由控制系統PC、手持編程器、控制柜等組成，已配套成套可單獨運行。外部設備的集成主要通過其控制柜的幾個外部接口進行。其通訊方式主要是基于以太網的現場總線系統，目前主要有ProfiNet （工業以太網，是基于TCP/IP 的工業通訊系統）、開放式現場總線系統EtherCAT 及EtherNet/IP 現場總線系統（EIP）3 種形式。其中ProfiNet 形式大多需要外部控制器如外部PLC 等，采用EtherCAT 形式則使用總線耦合器模塊與KR C4 里的輸入輸出端直聯，EtherNet/IP 實質上就是以太網TCP/IP 針對工業用途的擴展版。

機器人攪拌摩擦焊的外圍設備主要有電主軸及攪拌頭夾持液壓系統、空冷機與油冷機等輔助設備，其中電主軸是高集成度專用機頭，由帶速度反饋編碼器的高扭矩、高轉速交流稀土永磁同步電機及驅動器所組成。為提高集成系統的集成度，對于外圍設備的集成控制采用了借助于EtherCAT 協議[8]但不使用TwinCAT 或其他外部工控機及PLC 等進行控制的集成系統，其控制原理為基于EtherCAT 協議利用EtherCAT 耦合器將需要控制的信號直接連入機器人內部控制器KRC 中，在操作上無需關注其內部通訊協議，控制信號主要是IO 信號，用于控制液壓系統電磁閥及主軸啟停與轉速設定等。外圍設備IO信號點通過耦合器端子模塊聯接至機器人主控制柜CIB接口板擴展總線X44 接口，并使用軟件KUKA WorkVisual 將IO 信號點與機器人總線系統KRC 輸入輸出端相連，其控制過程可根據所需的邏輯關系編制成子程序在焊接主程序中調用或直接在主程序中設定。機器人攪拌摩擦焊系統集成如圖1所示。

圖1 機器人攪拌摩擦焊系統集成

2 下壓力控制系統

下壓力控制系統分數據采集系統和軟件兩部分。數據采集系統主要有壓力傳感器、模擬量變送器及信號傳輸單元，3 個Z向壓力傳感器為HKM-SK1.0 型應變片式傳感器，安裝于電主軸與機器人A6軸法蘭面聯結處，精度為±0.25%；變送器為FAP200 型，可輸出±10 V、±5 V和4～20 mA 信號，采樣頻率大于或等于100 Hz。焊接過程中，傳感器應變橋受力后產生的模擬量信號經信號放大器、BECKHOFF 模擬量輸入模塊和EtherCat 耦合器連接至機器人總線系統KRC 模擬量輸入端，主要采集主軸在Z軸方向受力數據；軟件主要是壓力反饋數據的處理與機器人的位移軌跡修正，同樣與外部設備的控制一樣不使用外部控制器而是使用KUKA 提供的機器人傳感器接口RSI[9]來進行，RSI 是KUKA 提供的機器人傳感器接口，通過KUKA RSI Visual軟件設計數據處理程序，實現機器人與外接傳感器類設施的數據交換與處理。KUKA RSI Visual 與博途TIA Portal 軟件類似，以框圖設計控制程序后自動生成XML 子程序在主程序調用?？刂圃砣鐖D2所示。

圖2 下壓力控制系統原理

RSI 控制單元對采集到的信號進行分析和處理，將處理的運算結果輸出至機器人，引導其進行位姿修正。數據從采集到機器人關節修正期間有一定的持續時間，這里采用PID[10]增量型控制方式對數據滯后進行處理，解決控制不同步問題。PID控制公式如下：

式中：y（k）與y（k-1）為PID 算法的輸出值；x（k）、x（k-1）及x（k-2）為過程值；t為傳感器采樣周期，t=12 ms；KR、TN、TV為微積分系數。

本文根據攪拌摩擦焊接過程實際工況，將y（k）設定一個最大限定值（超調量），總階躍時間等作為約束條件對微積分系數進行優化計算，以優化計算值作為初始值代入控制器中。圖3 所示為使用KUKA RSI Visual 軟件編寫的RSI 控制主程序框圖。除使用KUKA RSI Visual 編制數據處理及控制機器人焊接軌跡修正程序外，也可以借助機器人內部控制器中可并行運行的控制程序sps.sub將BECKHOFF 模擬量輸入模塊導入的壓力模擬值通過設定全局變量及子程序運行方式來實現焊接軌跡的修正。

圖3 RSI控制主程序

3 焊縫跟蹤控制系統

焊縫跟蹤系統使用北京創想公司生產的機器人專用激光焊縫跟蹤系統，系統由CXZK-MED-TG2 激光焊縫跟蹤器及CXZK-KZH3S 機器人控制盒所組成，焊縫跟蹤控制系統采用激光式焊縫跟蹤控制，系統由激光發射器、光學傳感器和中央處理器構成，通過控制盒內置的程序算法完成對常見焊縫的在線實時檢測，為非接觸式跟蹤模式，可實時取得焊縫橫向及高度方向的偏差，通過后續位移修正程序可實時智能跟蹤，有效解決較大前進阻力作用下的機器人關節臂變形而帶來的橫向焊接軌跡偏移問題。

焊縫跟蹤控制系統是采用MODBUS TCP 協議[11]作為服務器與外部設備進行數據交換，數據交換報文主要由報文頭、功能碼及數據所組成，其中跟蹤器的控制指令為15字節，機器人讀焊縫指令12字節，跟蹤控制系統回復焊縫偏移值為17字節，其中11至14字節為X及Z的偏差值。

原焊縫跟蹤設計方案是機器人控制系統通過上位機及外部PLC[12-13]作為中間控制器經由以太網KLI[14]接口與焊縫跟蹤控制系統進行數據交換。與下壓力控制系統相同，為提高系統的集成度、實時性及適應焊接工藝參數實時調節的需要，焊縫跟蹤控制系統也要求以機器人內部控制系統為基礎進行集成，為此取消使用上位機系統而改為經由機器人以太網KLI 接口與焊縫跟蹤控制系統直接通信方式進行。由于焊縫跟蹤控制系統端為采用ModbusTCP 協議，不同的指令其報文格式字節數各不相同，也與機器人端XML 數據結構不匹配，不能直接進行數據交換。為解決這個問題，根據ModbusTCP 通信是以16 進制數據進行發送與接收的過程實質就是按2 進制進行通信的特點，在機器人與焊縫跟蹤系統之間的通信同時使用XML 數據與二進制數據結構的數據交換通道來實現兩者之間的直接通訊。采用此組合方式可解決在ModbusTCP 協議下激光跟蹤系統與機器人直接進行數據交換問題，實時提取到焊縫橫向位置偏移數據，滿足控制需求。其中定義的XML數據結構連接通道使用TCP/IP用戶數據報協議，用于控制焊縫跟蹤控制系統的使能與開啟關閉等，只執行單向發送控制指令。二進制數據連接通道使用TCP/IP傳輸控制協議，為12字節固定長度，用于數據的接收與提取，可雙向傳輸數據。數據處理子程序用字符型變量Bytes[]保存提取后的二進制數據，并經計算處理后分配至預先已定義的KRC 輸出端，通過后續的RSI 處理程序控制機器人位移，也可以在主程序中直接控制機器人的位移。圖4～5所示為配置文件。

圖4 二進制數據交換配置文件

圖5 XML數據交換配置文件

圖6 所示為數據處理流程，圖7 所示為焊縫數據提取程序段，由于數據格式的限制，只能提取X方向的偏移值，但已能滿足焊縫跟蹤需求。另外值得注意的是機器人攪拌摩擦焊焊接的工件大部分為空間曲線，圓弧轉角多而且有些為閉合焊縫，因此，在焊縫離線編程時焊接姿態角只定義繞X與Y軸方向的BC 姿態角，主軸Z方向的姿態角A是不轉動的，在此情況下，焊縫跟蹤不作為實時跟蹤，只用于焊接偏差值測量，配合離線編程來實現焊縫偏移補償。

4 結束語

考慮機器人攪拌摩擦焊工藝的特性，本文采用基于機器人內部擴展總線RSI 控制方式及EtherCAT 協議在機器人攪拌摩擦焊接設備上集成了下壓力控制系統、焊縫跟蹤控制系統，對二種控制參數的數據流處理進行了設計，并采用機器人控制系統中的RSI 圖形化語言進行了編程。集成后的機器人攪拌摩擦焊設備不使用傳統的上位機及外部PLC 作為外部控制器，系統集成度高，信號處理及反饋實時性強，可對焊接過程中的橫向和垂直方向焊接軌跡偏移量進行實時修正，且焊接過程支持外部人工干預修正軌跡，可為實際工業生產中面臨的因焊接軌跡偏移而造成的接頭質量下降問題提供一定的技術支撐。