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機(jī)器人自動化焊接設(shè)備實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

0引言

隨著焊接領(lǐng)域內(nèi)自動化水平的不斷提高，采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動化焊接操作已是大勢所趨。焊接機(jī)器人由于具有通用性強(qiáng)、工作可靠等特點，可以克服傳統(tǒng)手工焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點，從而增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量[1]。

為了方便機(jī)器人自動化焊接設(shè)備記錄焊接過程參數(shù)，確保生產(chǎn)過程的實時可控，并可用于后續(xù)焊接工藝的優(yōu)化，本文針對已有的Plasma-MIG復(fù)合焊接自動化設(shè)備，在研究歐姆龍HostLink通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，以虛擬儀器編程軟件LabVIEW為上位機(jī)開發(fā)平臺，設(shè)計了一套實時監(jiān)控系統(tǒng)，以進(jìn)行焊接過程狀態(tài)和參數(shù)的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)不但確保了焊接參數(shù)采集顯示的實時性和準(zhǔn)確性，而且具有通用性強(qiáng)、方便移植推廣等特點。

1總體方案設(shè)計

1.1復(fù)合焊接系統(tǒng)概述

Plasma-MIG復(fù)合焊接自動化設(shè)備主要由MOTOMAN焊接機(jī)器人、歐姆龍PLC、Fronius TIG焊接電源以及MIG焊接電源等部分組成。其中，PLC作為復(fù)合焊接系統(tǒng)的控制核心，直接控制TIG、MIG兩臺焊接電源的狀態(tài)和參數(shù)；同時，協(xié)調(diào)焊接機(jī)器人和兩臺焊接電源的運行，接收焊接機(jī)器人的操作命令，協(xié)調(diào)兩臺焊接電源電弧的起弧時序以及送絲、送氣等動作；最終，實現(xiàn)機(jī)器人自動化焊接。PLC與焊接電源和機(jī)器人的通信依靠現(xiàn)場總線實現(xiàn)。

PLC作為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的主站，連接兩臺焊接電源，通過循環(huán)執(zhí)行其內(nèi)部程序，將待設(shè)焊接參數(shù)從存儲區(qū)傳送到焊接電源內(nèi)置寄存器。由焊機(jī)內(nèi)部專家數(shù)據(jù)庫對參數(shù)進(jìn)行智能化微調(diào)之后，輸出其實際工作值，PLC將其實時讀取并保存至相應(yīng)存儲區(qū)。整個工作過程中，PLC存儲區(qū)和焊機(jī)寄存器對應(yīng)點位的數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。

1.2監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

對于歐姆龍PLC，上位機(jī)與之通信的過程實際是與其通信單元HostLink之間交換命令和響應(yīng)的過程。上位機(jī)可對PLC傳送程序指令，控制PLC數(shù)據(jù)區(qū)及其工作情況，PLC對上位機(jī)發(fā)送的指令代碼進(jìn)行分析，進(jìn)行相應(yīng)的操作后，向上位機(jī)反饋相應(yīng)的響應(yīng)代碼[2]。基于此原理，編寫上位機(jī)軟件對下位機(jī)PLC的存儲區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入與讀取操作，即可控制并獲取現(xiàn)場焊接設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)，實現(xiàn)對焊接系統(tǒng)的實時監(jiān)控。對于1∶1的上位連接系統(tǒng)，即一臺上位機(jī)與一臺PLC之間的通信，在硬件層面，可通過RS-232串行接口連接PC與PLC。

圖1為機(jī)器人焊接與監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理圖

1.3通信協(xié)議格式

在一次交換中，傳輸?shù)拿罡袷胶蛻?yīng)答數(shù)據(jù)稱之為一幀。命令幀通過用戶編寫的上位機(jī)通信程序?qū)崿F(xiàn)；PLC的HostLink單元根據(jù)上位機(jī)發(fā)來的命令幀自動生成響應(yīng)幀，并返回給上位機(jī)[3]。

歐姆龍PLC與上位機(jī)之間的通信依賴于其特有的HostLink通信協(xié)議，基于該協(xié)議的通信指令分為C-Mode指令和FINS指令兩類。C-Mode指令專用于HostLink單元的串行通信，而FINS指令還可用于多種網(wǎng)絡(luò)通信，其不依賴于固定的硬件傳播途徑。此外，F(xiàn)INS指令支持PLC內(nèi)部所有存儲區(qū)域的外部訪問，可實現(xiàn)更為豐富的PLC監(jiān)控功能。用于串行通信時，F(xiàn)INS指令必須結(jié)合HostLink協(xié)議實現(xiàn)，即在FINS數(shù)據(jù)幀前后加上HostLink的指令頭、結(jié)構(gòu)校驗序列碼(FCS)和指令終止符。

完整的通信幀格式如圖2所示。

圖2　完整的通信幀格式圖

幀中部分關(guān)鍵指令代碼具體含義說明如下。

FINS命令碼：讀取和寫入操作所對應(yīng)的固定代碼。

正文：具體操作內(nèi)容，包括讀寫存儲器區(qū)域的代碼、區(qū)域起始地址、數(shù)據(jù)長度等。

FCS：幀校驗序列，用來檢查在傳送幀數(shù)據(jù)時是否發(fā)生錯誤。具體算法是從幀數(shù)據(jù)的開始到幀正文結(jié)束(FCS之前)，所有數(shù)據(jù)字符的ASCII碼執(zhí)行異或操作[4-5]。

2LabVIEW程序設(shè)計

在LabVIEW中，虛擬儀器軟件架構(gòu)(virtual instrument software architecture，VISA)是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口。其本身并不具有儀器編程能力，而是調(diào)用低層驅(qū)動器的高層應(yīng)用程序編程接口(application programming interface，API)。在VISA函數(shù)模塊中，關(guān)于串口通信的VI主要有VISA串口配置、串口讀取、串口寫入、串口字節(jié)數(shù)、清空緩存區(qū)、串口關(guān)閉[6]。

在LabVIEW程序中，HostLink串口通信的一般流程如圖3所示。

圖3　HostLink串口通信流程圖

2.1串口通信程序設(shè)計

(1)串口參數(shù)配置。

按照實際通信需求，通過VISA串口配置VI初始化串口，設(shè)定VISA資源名稱，即與PLC通信的上位機(jī)串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗方式以及停止位等通信參數(shù)。

(2)FCS校驗碼計算。

將待計算字符串轉(zhuǎn)化為由各字符的ASCII碼組成的數(shù)組序列，通過For循環(huán)函數(shù)體對數(shù)組成員進(jìn)行異或運算。執(zhí)行完所有循環(huán)后，將運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)表示的字符串，即待求的FCS碼。

程序框圖如圖4所示。

將上述FCS碼計算程序編制成“FCS”子VI，其中的“待計算字符串”和“FCS”接口分別設(shè)為外部輸入和輸出端口，供上級VI調(diào)用。

圖4　FCS碼計算程序框圖

(3)數(shù)據(jù)讀取。

歐姆龍PLC的I/O存儲區(qū)主要存儲輸入、輸出數(shù)據(jù)和中間變量等，可以通過FINS命令直接訪問。通常情況下，上位機(jī)需要從PLC中讀取的數(shù)據(jù)也位于I/O存儲區(qū)中。

當(dāng)讀取PLC的I/O存儲區(qū)時，在命令幀的正文內(nèi)容部分，F(xiàn)INS命令碼代表讀取操作，而存儲區(qū)域代碼和存儲區(qū)域地址共同指定具體的I/O存儲區(qū)，數(shù)據(jù)單元數(shù)量指定從起始地址向后偏移的數(shù)據(jù)區(qū)域長度。

數(shù)據(jù)讀取程序框圖如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)讀取程序框圖

將幀內(nèi)容組合之后，輸入“FCS校驗碼計算”子VI程序進(jìn)行計算。最終，由幀內(nèi)容、校驗碼和結(jié)束碼共同構(gòu)成完整的命令幀：@00FA000000000+通道號+通道數(shù)+FCS+*+↙。

通過“VISA寫入”函數(shù)，將幀命令輸入到指定的緩沖區(qū)，并通過串行傳遞方式傳送給PLC。在讀取響應(yīng)幀之前設(shè)置一定的延時，為數(shù)據(jù)傳遞和硬件響應(yīng)預(yù)留時間，以確保數(shù)據(jù)讀寫的準(zhǔn)確完整。在用“VISA讀取”函數(shù)讀取PLC反饋的響應(yīng)幀后，從中截取目標(biāo)數(shù)據(jù)(包括模擬量數(shù)據(jù)和開關(guān)量數(shù)據(jù))，供后續(xù)處理。

將上述數(shù)據(jù)讀取程序編制成“READ”子VI，供上級VI調(diào)用。

(4)數(shù)據(jù)寫入。

將數(shù)據(jù)寫入PLC的I/O存儲區(qū)時，幀位構(gòu)成與讀取數(shù)據(jù)操作基本相似。

程序總體與讀取數(shù)據(jù)程序類似，不同之處在于，需將待寫入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合命令幀格式要求的十六進(jìn)制數(shù)表示的字符，并將存儲區(qū)域代碼設(shè)為“字節(jié)”模式對應(yīng)的編號。若成功寫入數(shù)據(jù)，上位機(jī)可通過“VISA讀取”函數(shù)，從串口接收緩沖區(qū)中讀取到相應(yīng)包含響應(yīng)信息的響應(yīng)幀。

對于以字節(jié)為單位的數(shù)字量數(shù)據(jù)，寫入程序框圖如圖6所示。

圖6　數(shù)字量數(shù)據(jù)寫入程序框圖

對于以位為單位的開關(guān)量(布爾量)數(shù)據(jù)，則需要將其轉(zhuǎn)化為2位十六進(jìn)制數(shù)表示的字符串，并將存儲區(qū)域代碼設(shè)為“位”模式對應(yīng)的編號。其他與數(shù)字量數(shù)據(jù)寫入相同。

將上述模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)寫入程序分別編制成“WRITE(byte)”和“WRITE(bit)”子VI，供上級VI程序調(diào)用。

2.2監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

在完成上位機(jī)監(jiān)控軟件串口通信程序各模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上，對監(jiān)控系統(tǒng)總體進(jìn)行設(shè)計。

在對PC主機(jī)串口進(jìn)行初始化配置之后，主程序通過While循環(huán)體實現(xiàn)整個系統(tǒng)的持續(xù)運行。在While循環(huán)體內(nèi)設(shè)置一個事件結(jié)構(gòu)，檢測前面板上“開始監(jiān)控”、“退出系統(tǒng)”控件的動作，并根據(jù)相應(yīng)的控件動作執(zhí)行不同的事件分支。

在“開始監(jiān)控”事件分支下，通過While循環(huán)體控制監(jiān)控操作的運行和停止。在順序結(jié)構(gòu)內(nèi)，按順序安排寫入和讀取數(shù)據(jù)操作。在寫入操作部分，調(diào)用數(shù)據(jù)寫入子VI“WRITE(byte)”和“WRITE(bit)”，將前面板中的焊接參數(shù)開關(guān)量寫入到PLC中相應(yīng)的存儲區(qū)域，繼而傳送給焊接電源，以實現(xiàn)對其狀態(tài)的控制和參數(shù)的設(shè)定。在讀取操作部分，調(diào)用數(shù)據(jù)讀取子VI“READ”，讀取PLC中采集到的現(xiàn)場焊接設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)；在對響應(yīng)幀中數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)計算處理后，將開關(guān)狀態(tài)量和一般參數(shù)量傳遞至前面板中的顯示控件，并通過“數(shù)據(jù)記錄文件寫入”函數(shù)，將系統(tǒng)運行過程中均勻時間點采集到的若干組相應(yīng)數(shù)據(jù)保存至設(shè)定的文件路徑。每一次循環(huán)執(zhí)行完之后，檢測前面板中“停止監(jiān)控”控件的值，以判斷是否繼續(xù)執(zhí)行該循環(huán)體。

在“退出系統(tǒng)”事件分支下，按順序調(diào)用“VISA關(guān)閉”和“停止執(zhí)行VI”函數(shù)，實現(xiàn)安全退出監(jiān)控系統(tǒng)程序的功能。

3系統(tǒng)試驗

試驗流程如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)試驗流程圖

設(shè)計完成監(jiān)控系統(tǒng)之后，在LabVIEW前面板中配置相應(yīng)的串口參數(shù)，即可運行該系統(tǒng)程序。開始監(jiān)控后，在控制區(qū)，可對兩臺焊接電源分別進(jìn)行消報警操作，并進(jìn)行手動測氣和送絲退絲測試。在狀態(tài)信息顯示區(qū)，系統(tǒng)讀取焊機(jī)的狀態(tài)開關(guān)量，并通過指示燈顯示。在參數(shù)設(shè)定區(qū)，輸入待設(shè)焊接參數(shù)，在參數(shù)顯示區(qū)顯示其經(jīng)焊機(jī)智能化微調(diào)后的實際值；同時，繪制其關(guān)于時間的參數(shù)曲線，可將參數(shù)保存至所設(shè)文件路徑。試驗完成后，停止監(jiān)控并退出系統(tǒng)。

試驗過程中，監(jiān)控系統(tǒng)獲取的復(fù)合焊接系統(tǒng)參數(shù)大致波形如圖8所示。

圖8　Plasma-MIG復(fù)合焊接參數(shù)波形示意圖

4結(jié)束語

對于現(xiàn)場工業(yè)設(shè)備，以PLC為下位機(jī)進(jìn)行控制并采集現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)，以LabVIEW為上位機(jī)開發(fā)平臺；針對歐姆龍PLC特有的HostLink通信協(xié)議，利用LabVIEW軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運算和分析能力實現(xiàn)PC主機(jī)與PLC之間的RS-232串口通信，以便于對PLC的內(nèi)存單元進(jìn)行讀寫操作；最終，實現(xiàn)對焊接過程的實時監(jiān)控[7]。

本文以典型的Plasma-MIG復(fù)合焊接系統(tǒng)為例，基于PLC與LabVIEW的HostLink串口通信協(xié)議，設(shè)計了相應(yīng)的實時監(jiān)控系統(tǒng)，并在試驗中取得了良好的應(yīng)用效果。該設(shè)計方法亦可修改移植到其他上位機(jī)平臺。整個實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思想，可應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的其他場合。

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Design of the Real-time Monitoring System for Robot Automatic Welding Equipment

陳浩成群林姜恒王學(xué)遠(yuǎn)

(上海航天精密機(jī)械研究所，上海201600)

摘要：為了便于機(jī)器人自動化焊接設(shè)備記錄焊接過程參數(shù)，設(shè)計了一種基于歐姆龍HostLink通信協(xié)議和LabVIEW開發(fā)平臺的實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PLC采集焊接過程實時數(shù)據(jù)；通過HostLink通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)上傳至上位計算機(jī)；最終，由上位機(jī)監(jiān)控軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)及曲線的顯示、存儲等功能。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量結(jié)果準(zhǔn)確、操作簡單、穩(wěn)定性好，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：自動化焊接監(jiān)控系統(tǒng) PLCHostLink串口通信現(xiàn)場總線LabVIEW機(jī)器人

Abstract：In order to easily record the welding process parameters for robot automatic welding equipment,the real-time monitoring system based on OMRON HostLink communication protocol and LabVIEW development platform is designed.With this system the real time data of welding process are collected by PLC; and then uploaded to host computer via HostLink communication protocol; finally, the functions of display and storage of the real time data and curves are realized by monitoring software in host computer.The application results show that the measurement results of the system are accurate; the system is easy to operate and stable in performance,so the system has some promotional value.

Keywords:AutomaticMeldingMonitoring systemPLCHostLinkSerial port communicationField busLabVIEWRobot

中圖分類號：TP274;TH86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604013

修改稿收到日期： 2015-08-23。

第一作者陳浩(1991-)，男，現(xiàn)為上海航天技術(shù)研究院機(jī)械電子工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事焊接自動化方向的研究。