基于PLC技術的焊接機器人主從協調運動控制系統研究

曹海蘭，張 媛

(西安交通工程學院 機械與電氣工程學院，西安 710300)

0 引言

焊接機器人主要用來從事焊接工作，在工業機器人的末端法蘭裝接焊鉗或焊槍，用以執行焊接、切割、熱熔等作業[1]。為滿足各種不同的操作需求，焊接機器人軸上的機械接合，一般是一種連接凸緣，可以安裝各種工具或末端執行器。移動焊接機器人的關鍵技術主要包括行走機構技術、十字滑塊機構技術、傳感技術、控制技術、控制器構架等。在現代工業技術開拓性發展背景下，焊接機器人在工業生產中得到廣泛應用。焊接機器人執行焊接加工任務需要以運動控制系統作為支持，運動控制是自動化的一個分支，主要通過控制驅動器、伺服電機等設備實現對運動目標位置和速度的控制。運動控制系統作為焊接機器人的核心組成模塊，在機器人運動中起到決定性的作用，系統的控制目標是保證機器人的末端執行器按照既定軌跡移動，并保持一定的運動精度。

文獻[2]提出了一種基于物聯網技術的機器人的運動控制模型，并給出了該機器人的運動學建模、控制體系結構和動力牽引機構，基于物聯網技術實現了機器人運動信息的傳輸，完成該機器人運動控制。基于D-H法文獻[3]提出基于多機器人的焊接主從協調運動控制系統。利用多機械手協同運動控制方法，實現了從動機器人協同運動的目標矩陣，并對其進行了主從協調運動控制的流程圖和相應的程序指令集，最后利用4臺KR1440機器人構成多機械手柔性焊接系統，驗證了多機器人主從協調運動控制系統的有效性。上述方法均具有一定的有效性，然而在實際執行過程中現有運動控制系統無法實現對焊接機器人的同步控制，且控制精度不滿足應用要求，最終導致焊接工件加工結果存在質量問題。為了解決上述問題，引入PLC技術。

PLC也就是可編程邏輯控制器，它使用一類可編程內存，在其內部儲存程式，執行以使用者為導向的指令。將PLC技術應用到焊接機器人運動控制系統的優化設計工作中，以期能夠實現主從協調運動控制，同時提高系統的控制功能，進而提升焊接機器人的加工質量。

1 焊接機器人主從協調運動控制系統硬件設計

焊接機器人主從協調運動控制系統硬件模塊包括焊接機器人傳感器、PLC控制器及焊接機器人運動驅動器，整體結構圖如圖1所示。

圖1 焊接機器人主從協調運動控制系統硬件整體結構

1.1 裝設焊接機器人傳感器

圖3 PLC控制器組成結構與控制電路

為了實現對焊接機器人實時位姿的測定，為焊接機器人的控制提供參考數據，在構建焊接機器人數學模型的關節以及執行位置上安裝傳感器設備。安裝的傳感器設備類型包括位置傳感器、速度傳感器以及旋轉電弧傳感器等，本文選用位置傳感器型號為VL53L0CXV0DH/1、速度傳感器型號為74402-05B、旋轉電弧傳感器型號為AHG17C5M，其中位置傳感器的設計結果以及與焊接機器人的連接方式如圖2所示。

圖2 焊接機器人位置傳感器結構與連接方式示意圖

焊接機器人主從協調運動控制系統裝設的旋轉電弧傳感器的工作原理是通過對焊槍與工件的間距的改變，檢測出焊槍的高度和左右偏移，焊接電流將隨著電弧長度的變化而變化[4]。旋轉電弧傳感器的一階和二階模型可以表示為：

(1)

式中，κ0為正弦激勵系數，ζ1(s)、ζ2(s)和ζ3(s)分別為傳感器幅頻、相頻和信號傳遞頻率。將旋轉電弧傳感器的一階模型和二階模型進行擬合[5]。按照上述方式可以得出其他焊接機器人的傳感器設計結果，并將其安裝在焊接機器人數學模型的指定位置上。

1.2 選擇PLC控制器

PLC通過對各種不同的輸入信號進行內部的計算，將其轉換為所需的輸出信號，用于對外部裝置進行控制。PLC控制器包含輸入輸出接口、擴展接口、電源等模塊。圖3為PLC控制器的組成結構和控制電路。

PLC控制器的輸入內容有開關量、模擬量、數字量3個方面，由于PLC的輸入信號是各種不同的電信號，并且PLC工作在一個非常復雜的電磁環境中，因此采用了光電耦合電路來實現對PLC的控制。循環掃描是PLC工作的基本原則和方法。在PLC控制器中，用戶的程序是按照順序存儲的，CPU從一條命令開始運行，一直到最后一條命令出現，然后再回到第一條命令，如此反復。PLC的掃描分為內部、通訊、輸入、執行、輸出等多個環節，整個掃描周期是整個掃描周期。PLC控制器程序實現了對輸入、執行、輸出3個環節的精確控制[6]。在選擇焊接機器人主從協調運動控制系統的PLC控制器時，要根據輸入輸出點數確定PLC結構大小，同時確定滿足通訊能力及內存使用要求的 PLC控制器。

1.3 改裝焊接機器人運動驅動器

在焊接機器人主從協調運動控制系統的研究工作中，為了給主從機器人的運動與控制提供動力支持，在傳統控制系統的基礎上改裝運動驅動器，并從位置、速度和轉矩3個方面為焊接機器人提供運動驅動信號。為實現對主從焊接機器人的運動和控制提供動力支持，對傳統控制系統中的運動驅動器進行改造，并從位置、速度、轉矩3個角度對其進行了驅動。轉矩驅動主要利用外部的模擬量來實現，速度驅動的主要作用是用來控制焊接機器人的電機轉動速度。轉矩驅動主要利用外部的模擬量來實現，速度驅動的主要作用是用來控制焊接機器人的電機轉動速度[7]。當伺服驅動工作在速度控制模式下時，有時可能需要對位置進行定位，此時需要把反饋信號提供給處理器來確定電機或負載的位置。為了保證主控制單元的正常工作，必須在伺服驅動和主控制單元之間設置光電耦合器件。該驅動電路的輸出反饋信號可以對電動機的工作狀況進行迅速、精確地反映[8]。驅動器可以向PLC控制器輸入電機編碼盤的信號，從而檢測到該驅動器的運作狀況。

2 焊接機器人主從協調運動控制系統軟件設計

焊接機器人主從協調運動控制系統軟件流程主要為：首先構建焊接機器人數學模型，對焊接機器人實時位姿進行監測；然后規劃焊接機器人主從協調運動軌跡，設置焊接機器人主從協調運動約束；最終實現焊接機器人主從協調運動控制。軟件整體流程圖如圖4所示。

圖4 軟件整體流程圖

2.1 焊接機器人實時位姿檢測

焊接機器人主要由運動機構、焊接模塊、傳感模塊與控制模塊四部分組成，焊接機器人中運動機構的工作就是將焊接設備搬運到工件所需要的位置，焊接機器人的運動機構具有6個自由度，可實現對X、Y、Z三個方向的平移和旋轉姿勢的調節。焊接機器人采用CO2氣體保護焊技術，因此焊接模塊的硬件組成元件包括焊接電源，送絲機構，保護氣體及焊炬保護器[9]。傳感系統能夠實現對焊接機器人和加工對象的實時狀態、姿態的實時監測，實現對焊接作業和焊接設備的調節[10-12]。焊接機器人在任務執行過程中，末端執行器與加工工件接觸點上施加的合力矩可以表示為：

(2)

式中，λi、Fi和Wi分別為第i個運動機構的末端位置向量、內外合力以及力矩。在焊接任務執行過程中焊接機器人以及加工工件對象的動力學模型可以表示為：

(3)

式中，A(q)和Ao分別為機器人和加工對象的慣性矩陣，ψF、ψx、ψfri、ψG和ψmoment分別對應的是離心力矢量、位置矢量、摩擦力矢量和重力矢量和驅動力矩矢量，FC、Fj和Fh分別表示的是機器人末端執行器、機器人作用在物體上以及環境作用下物體上的接觸力，變量κpower為動力系數[13-15]。將焊接機器人的工作原理以及動力運行規則代入到焊接機器人的組成結構中，得出焊接機器人數學模型的構建結果。

焊接機器人實時位姿檢測程序的運行需要處理器設備的支持，因此需要在主從協調運動控制系統中改裝處理器設備。使用的處理器以EP2C8芯片作為核心設備，EP2C8資源包括256個邏輯單元、8個全局時鐘。處理器的工作頻率能夠達到80 Hz，64K片內RAM包含4個通用定時器和2個高級定時器，可兼容SRAM和NOR，3個12位ADC模塊，1個12位DAC模塊等資源。在EP2C8處理器的支持下，進行實時位姿的檢測，首先確定當前焊接機器人的類型，具體的判別過程可以表示為：

(4)

式中，變量ux0和uy0分別表示的是焊接機器人投影坐標中x和y的值，φi表示焊接機器人關節i的旋轉角度。若計算得出η的值為“+1”，則說明當前焊接機器人運動機構為正臂型，否則為反臂型[16]。對于正臂型焊接機器人運動機構，其位姿檢測結果如下：

(5)

式中，x0和y0為該運動機構的初始位置坐標，φ為姿態角，eangle表示的是角度傳感器設備輸出的數據結果。同理可以得出反臂型焊接機器人運動機構的位姿檢測結果為：

(6)

式中，的參數與式(5)一致。經過式(5)和式(6)的計算，可以得出焊接機器人中所有運動機構的位姿檢測結果，并通過處理器接口輸出。

2.2 焊接機器人主從協調運動軌跡規劃

主焊接機器人運動軌跡的規劃大體可以分為3個部分，首先確定焊點以及焊道填充的方式，第二步對相鄰兩個焊點之間的焊接軌跡進行規劃，最終通過點對點軌跡的插補與平滑，得到主焊接機器人的運動軌跡規劃結果[17]。通過計算加工工件每個焊道的截面積，確定焊道的排布情況，加工工件中第k層l個焊道的坐標可以表示為：

(7)

式中，ζk，i為該焊道的截面積，hk和Δhk分別表示的是待加工焊道深度以及單層焊道的深度，y0和z0為焊道加工起點的位置坐標分量。根據焊道幾何參數以及焊接機器人末端執行器與加工工件之間的空間位置關系，確定焊道的填充方式[18]。確定主焊接機器人的焊點位置，記為(xi-w，yi-w，zi-w)，那么任意兩個焊點之間的軌跡長度可以表示為：

(8)

另外焊點i和j的移動方向可以表示為：

(9)

將各個焊點的位置數據代入到式(8)和式(9)中，即可得出點與點之間的軌跡生成結果，當焊接機器人的末端執行器到達最后一個焊接點時，得到完整的運動軌跡[19]。在對初始軌跡進行插補處理之前，需要檢測該軌跡上是否存在障礙物，若存在障礙物則利用障礙物對初始軌跡進行分段處理，以前一個焊接點為起始點，障礙物為目標點，按照上述方式對軌跡進行重新規劃，得出兩段焊接軌跡，若檢測初始生成軌跡中無障礙物則可以直接進行插補處理[20]。采用變角度插補的方式，即為了使焊槍端沿相交線的直線速度不變，當插值周期為固定時，需保證每個插值的步長相等，在每次插值前求出對應的步進角度，具體的計算公式如下：

(10)

式中，υrobot為焊接機器人的執行速度，Δτ為差值周期，β代表任意一個焊點速度方向與坐標軸之間的夾角，R為焊接軌跡半徑。在此基礎上生成協作焊接機器人的運動軌跡，保證主從焊接機器人之間的軌跡同步。主從焊接機器人的軌跡同步關系，如圖5所示。

圖5 主從焊接機器人軌跡同步關系圖

通過控制主、從機器人的速度，保證焊接機器人運行時間相同，保證最終的主、從焊接機器人的軌跡同步，同時避免主、從焊接機器人發生碰撞。

2.3 焊接機器人主從協調運動控制

由于焊接機器人和加工工件通常為剛體，當主從機器人操作剛體對象時，末端工具手夾持在某個固定點，因此機器人末端之間不會有相對運動。設主從機器人末端位置應滿足以下約束關系：

Qmain+B·?-Qfrom=0

(11)

式中，Qmain和Qfrom分別為主、從焊接機器人末端位置矩陣，B為姿態旋轉矩陣，而?為加工工件對象的位置向量。另外，為了防止焊槍與加工工件坡口發生碰撞，取焊槍的姿態在焊接點與坡口截面上頂點連線所成的角的角平分線位置，即主、從焊接機器人的姿態角需滿足如下條件：

(12)

其中：hg表示加工工件的高度，Lzij和Lyij為焊接機器人在y和z兩個方向上的軌跡長度。由此完成對焊接機器人主從協調運動約束的設置。

焊接機器人的主從協調運動控制的工作方式，在系統接到焊接任務后，控制焊接機器人將待焊的工件在最初的焊接位置進行定位、拼接，焊接機器人在初始焊接位置準備起弧，起弧成功后協調兩臺搬運機器人完成整個弧焊過程的工件變位，最后由機器人進行焊接。結合焊接機器人的位姿檢測結果和生成的運動軌跡，計算協同運動過程中的控制量，計算公式如下：

(13)

其中：x、y和z為焊接機器人的位置坐標分量，角標testing和target表示的是檢測值和目標值。焊接機器人的運動速度控制目標為：

(14)

式中，a為焊接機器人的運動加速度，L(q1，q2)為焊點q1和q2之間的長度。主、從焊接機器人的運動速度控制目標相同。將式(13)和式(14)的計算結果代入到PLC控制器中，生成控制信號作用在焊接機器人的驅動器中，執行相應的控制程序。利用控制系統中的傳感器設備對主從焊接機器人的實時位姿數據進行更新，從而調整控制量和PLC控制信號，直到焊接機器人到達規劃運動軌跡的終點為止。

3 系統測試

為了驗證最終基于PLC技術的焊接機器人主從協調運動控制系統是否滿足用戶規定的要求，在遵循經濟性原則的前提下，設計系統測試實驗。此次系統測試實驗采用對比測試的方式，即設置文獻[2]提出的基于物聯網的焊接機器人運動控制系統作為實驗的對比系統，通過與傳統系統控制功能的對比，體現出優化設計方法在功能方面的優勢。

3.1 系統硬件配置及實驗對象選擇

硬件系統調試的目的是保證焊接機器人主從協調運動控制系統各部分硬件能夠正常工作。在控制系統的運行環境中采用與驅動器匹配的電源濾波器，消除驅動器設備給PLC控制器造成的干擾。利用PMAC TUNING軟件，對系統中的PLC控制器工作參數進行調節。在焊前調試操作過程中，發布焊接機器人的復位、標定、試運行等一系列的工作指令，以驗證其軌跡規劃、校正的正確性。在此基礎上，進行了焊接調試，對整個系統的可靠性和可行性進行了檢驗。當控制系統各硬件設備的反饋信號以及焊接機器人的執行信號與預期結果一致時，執行下一步實驗操作。

此次系統測試實驗選擇MOTOMAN型號的焊接機器人作為控制對象，該型號機器人由6個軸和4個關節組成，6個軸分別用來將末端焊接工具送到不同的空間位置和解決焊接工具在姿態方面的不同需求，4個關節分別為大臂關節、小臂關節、肩關節和腕關節。在初始狀態下，設置焊接機器人的姿態角均為0°，肩關節位置處于機器人坐標系的原點位置，大臂關節與肩關節之間夾角為0°，大臂關節與小臂關節、小臂關節與腕關節之間的夾角均為90°，根據機器人的軸長度，確定初始狀態下各個關節的位置信息。準備相同型號的焊接機器人，將其設置為從機器人，按照上述方式完成主、從焊接機器人的配置與初始化。

3.2 實驗方法及系統測試過程

準備10個尺寸為660 mm*480 mm*200 mm的鋼材質工件作為焊接機器人的加工工件，對不同的加工工件進行編號，并賦予不同的焊接任務。設置的焊接任務包括直線焊接、折線焊接、圓弧焊接3種類型，并生成對應的協調運動軌跡。圖6表示的是1號加工工件的焊接任務運動軌跡規劃情況。

圖6 加工工件1的焊接軌跡規劃示意圖

其他焊接任務的設置情況如表1所示。

將表1設置焊接任務的相關數據輸入到控制系統中，作為基于PLC技術的焊接機器人主從協調運動控制系統的控制目標。

表1 焊接任務設置表

將生成的控制目標與主從協調運動軌跡導入到基于PLC技術的焊接機器人主從協調運動控制系統中，利用PLC控制器對焊接任務進行編程，產生焊接機器人的運動控制程序。將主從焊接機器人調整至工作狀態，執行控制程序，得出對應的控制執行結果，其中以1號加工工件為操作對象的焊接機器人主從協調運動控制系統運行結果如圖7所示。

圖7 焊接機器人主從協調運動控制系統運行界面

同理可以得出所有焊接任務的控制執行結果，并提取運行界面顯示的執行數據。按照上述流程對基于物聯網的焊接機器人運動控制系統進行調試與實現，得出對比系統得出的運動控制結果。

3.3 系統測試結果與分析

為了實現對系統控制功能的量化對比，設置主從機器人焊接速度、姿態角以及焊接點位置控制誤差作為測試指標，其中焊接速度控制誤差和機器人姿態角控制誤差的數值結果如下：

(15)

式中，υi，control和υi，target分別表示主從焊接機器人在第i個焊點位置上的實際控制焊接速度和焊接速度控制目標，θi，control和θi，target對應的是第i個焊點上焊接機器人的實際姿態角和目標姿態角，變量np為設置的焊點數量。另外焊接點位置控制誤差的測試結果可以表示為：

(16)

式中，δi，x、δi，y和δi，z分別為焊接點位置偏差在中x、y和z方向上的分量。最終計算得出的控制誤差越小，證明對應系統的控制功能越好。

通過相關數據的統計，得出反映系統焊接速度和焊接姿態角控制誤差的測試結果，如表2所示。

表2 系統焊接速度與姿態角控制誤差測試數據表

由于主從焊接機器人的移動速度和姿態角始終處于同步狀態，因此只得出一組數據。將表2中的數據代入到式(15)中，得出兩種方法的焊接速度控制誤差的平均值分別為0.089 mm/s和0.014 mm/s，焊接姿態角的平均控制誤差分別為0.48°和0.10°。另外兩種控制系統下，主從焊接機器人的實際焊接位置誤差測試結果如圖8所示。

圖8 控制系統下焊接機器人位置誤差測試對比結果

從圖8中可以直觀地看出，在優化設計的基于PLC技術的焊接機器人主從協調運動控制系統下，主從焊接機器人的實際運動軌跡與規劃的運動軌跡之間無明顯差異，但基于物聯網的焊接機器人運動控制系統得出的實際運動軌跡在第3、4和7個焊接點位置上存在明顯偏差。將圖10表示的軌跡位置信息代入到式(16)中，計算得出兩種控制方法下焊接位置控制誤差分別為2.94 mm和0.28 mm。

4 結束語

當前，焊接機器人已經向智能化、自動化方向發展，并占有相當的市場資源。由于焊接機器人主從協調運動控制系統能夠在同一時間內完成多個機器人的智能協同工作，從而使其具備了工業計算機的開放性和現場網絡通信的能力。在此次研究工作中，利用PLC技術對主從協調運動控制功能進行編程，保證主從焊接機器人能夠按照規劃的運動軌跡和工作參數執行相應的焊接任務。從實驗結果中可以看出，與傳統控制方法相比，通過PLC技術的應用能夠有效地降低焊接機器人主從協調運動控制系統在速度、姿態角以及位置3個方面的控制誤差，因此在焊接工作中具有更高的利用價值。