賀 掬，朱柏樹

（1.四川電子機(jī)械職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川綿陽621023；2.成都華遠(yuǎn)電器設(shè)備有限公司，四川成都 610207）

0 前言

國(guó)外庫(kù)卡、ABB、發(fā)那科、安川等，國(guó)內(nèi)新時(shí)達(dá)、廣數(shù)、新松和卡諾普等廠家都在致力于發(fā)展機(jī)器人或者機(jī)器人控制器，焊機(jī)更是比比皆是。由于工件的不一致性、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性和自動(dòng)化焊接的成本高等問題，使得人工焊接仍然是焊接行業(yè)的主流。國(guó)內(nèi)除汽車制造行業(yè)普遍使用機(jī)器人焊接外，其他行業(yè)還是以人工為主，其原因是沒有將機(jī)器人焊接很好地應(yīng)用到這些行業(yè)。因此，如何將機(jī)器人和焊接電源無縫銜接起來并應(yīng)用到所需行業(yè)顯得格外重要。

1 概述

1.1 機(jī)器人焊接電源及其通訊

機(jī)器人焊接電源是專門為配套機(jī)器人而設(shè)計(jì)的焊接電源，是一種基于傳統(tǒng)焊接電源并具備機(jī)器人接口的焊接電源。機(jī)器人接口分為模擬通訊接口和數(shù)字通訊接口。傳統(tǒng)的模擬通訊接口一般含有以下幾類信號(hào)：（1）機(jī)器人控制焊機(jī)的開關(guān)量信號(hào)：?jiǎn)?dòng)信號(hào)、送氣信號(hào)、送絲信號(hào)、退絲信號(hào)和開啟焊道搜索信號(hào)；（2）焊機(jī)反饋給機(jī)器人的開關(guān)量信號(hào)：焊機(jī)就緒、引弧成功、粘絲信號(hào)和焊道搜索檢測(cè)信號(hào)；（3）機(jī)器人控制焊機(jī)的模擬信號(hào)：電流（送絲速度）和電壓給定信號(hào)；（4）焊機(jī)反饋給機(jī)器人的模擬信號(hào)：電流（送絲速度）和電壓反饋信號(hào)。

模擬通訊的優(yōu)點(diǎn)有：（1）通訊的實(shí)時(shí)性極強(qiáng)；（2）通訊的可靠性高；（3）安裝調(diào)試極為方便；（4）出現(xiàn)通訊故障檢修容易。模擬通訊主要的缺點(diǎn)是通訊連線多，幾根到幾十根，接線復(fù)雜，不便于長(zhǎng)距離通訊和多個(gè)機(jī)站組網(wǎng)。模擬通訊是雙向的，如果焊機(jī)是模擬通訊接口，意味著機(jī)器人也得采用模擬通訊接口，或者通過中轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)接。當(dāng)下流行的數(shù)字通訊有現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)，通訊信號(hào)除了上述的模擬通訊信號(hào)外，還包括諸多其他信號(hào)，例如：調(diào)取焊機(jī)的存儲(chǔ)通道號(hào)、讀取焊機(jī)的錯(cuò)誤代碼和修正信號(hào)等。數(shù)字通訊彌補(bǔ)了模擬通訊連線多的缺點(diǎn)，通常只需4～6根組成的屏蔽電纜線即可[1]。

1.2 工業(yè)機(jī)器人及其通訊

工業(yè)機(jī)器人（Industrial Robot）是指工業(yè)生產(chǎn)中使用的機(jī)器人。日本在工業(yè)機(jī)器人的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用方面都居世界首位。以日本發(fā)那科機(jī)器人為例，針對(duì)國(guó)際主流焊機(jī)的數(shù)字通訊方式如表1所示。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用在焊接行業(yè)通常配套的均為國(guó)外高端焊機(jī)，并配有相應(yīng)的弧焊軟件包，價(jià)格昂貴，維護(hù)維修困難，機(jī)器人焊接系統(tǒng)的維護(hù)管理人員成本很高，極大地制約了焊接機(jī)器人走入國(guó)內(nèi)中小企業(yè)。國(guó)內(nèi)的焊機(jī)配套工業(yè)機(jī)器人，大多單獨(dú)使用模擬通訊方式或者通用的總線通訊方式（如Devicenet通訊），不管是模擬通訊方式還是通用總線通訊方式，在配套過程中，基本焊接功能容易實(shí)現(xiàn)，但是很難實(shí)現(xiàn)包括起止點(diǎn)尋位和焊縫跟蹤等全部功能。因此大部分國(guó)內(nèi)焊機(jī)配套的機(jī)器人焊接系統(tǒng)都停留在演示和教學(xué)階段，很難投入到實(shí)際生產(chǎn)中。反之，機(jī)器人焊接得不到普及，無數(shù)焊工仍然處于惡劣的焊接環(huán)境中。

表1 發(fā)那科焊接機(jī)器人的數(shù)字通訊方式

1.3 起止點(diǎn)尋位

在焊接開始前，很多情況下，由于工件的擺放、夾持的誤差或者工件相互的點(diǎn)固誤差，需要尋找實(shí)際焊道的起止點(diǎn)位置，并補(bǔ)償被示教的機(jī)器人的路徑軌跡，達(dá)到校準(zhǔn)焊接起止點(diǎn)的目的[2]。工業(yè)機(jī)器人普遍采用接觸傳感的方式來實(shí)現(xiàn)起止點(diǎn)尋位。

接觸傳感的基本工作過程為：機(jī)器人系統(tǒng)通過開啟焊道搜索信號(hào)使焊機(jī)進(jìn)入焊道搜索狀態(tài)，此時(shí)焊機(jī)在焊接回路的正負(fù)極之間輸出一個(gè)電壓差，一般低于人體安全電壓，機(jī)器人拿持焊槍通過焊絲接觸工件，當(dāng)焊接回路發(fā)生短路時(shí)，立刻給機(jī)器人一個(gè)接觸工件的反饋信號(hào)即焊道搜索檢測(cè)信號(hào)，機(jī)器人收到反饋信號(hào)后立刻停止，同時(shí)記憶該位置[2-3]。在示教時(shí)，接觸傳感器檢測(cè)出一個(gè)工件位置（基準(zhǔn)位），再現(xiàn)時(shí)再檢測(cè)出一個(gè)工件位置，兩個(gè)位置相減，即計(jì)算出偏差量，根據(jù)偏差量，機(jī)器人計(jì)算出補(bǔ)償量，并將補(bǔ)償量反映在該點(diǎn)的執(zhí)行位置上[4]。由于機(jī)器人快速運(yùn)動(dòng)地觸碰工件，因此焊道搜索檢測(cè)信號(hào)必須及時(shí)反饋到機(jī)器人控制中心并停止機(jī)器人動(dòng)作，使得焊槍不撞到工件，才能得到準(zhǔn)確的空間位置。所以焊道搜索檢測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)性尤為重要，采取模擬獨(dú)立走線的通訊方式。

1.4 焊縫跟蹤

焊縫跟蹤是指通過傳感器來識(shí)別或者校準(zhǔn)焊接路徑的辦法，使得焊接過程始終沿著實(shí)際的焊縫進(jìn)行，傳感器是其重要的組成部分，一般采用接觸式傳感器、電弧傳感器、視覺傳感器和光電傳感器等來實(shí)現(xiàn)。通常把采用電弧傳感器來實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的方法稱為電弧跟蹤，工業(yè)機(jī)器人焊接工作站主要采用視覺跟蹤和電弧跟蹤，由于焊接環(huán)境復(fù)雜多樣，電弧焊接本來就產(chǎn)生高強(qiáng)度的光和熱，使得視覺跟蹤難度大、可靠性低、成本高，而電弧跟蹤是較為廉價(jià)可行的焊縫跟蹤技術(shù)。

電弧跟蹤主要是在中厚板焊接中所使用的一種功能，該功能使流過焊絲和加工工件之間的電流值保持對(duì)機(jī)器人進(jìn)行一定的補(bǔ)償。由此，加工工件被稍許偏離地設(shè)置時(shí)，在加工工件中出現(xiàn)偏差時(shí)，或者加工工件因熱應(yīng)變而變形時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)地對(duì)焊接路徑進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮附?。電弧傳感器的作用，以發(fā)那科R-30iB機(jī)器人為例：可以進(jìn)行上下方向和左右方向的補(bǔ)償；只有在使用擺焊時(shí)，可以進(jìn)行左右方向的補(bǔ)償，其中，只對(duì)正弦型擺焊有效；可以在直線和圓弧路徑中使用。

電弧傳感器是在焊接過程中實(shí)時(shí)采樣電流信號(hào)來實(shí)現(xiàn)電弧跟蹤，因此，焊縫跟蹤的準(zhǔn)確程度與機(jī)器人得到的電流信號(hào)息息相關(guān)，對(duì)電流反饋通訊的實(shí)時(shí)性要求較高。

2 集成焊接系統(tǒng)

集成焊接系統(tǒng)主要由FAUNC R-30iB機(jī)器人、華遠(yuǎn)焊機(jī)NB-350HD（ROB）、億伯特焊槍和倍福模塊等組成。如圖1所示，F(xiàn)AUNC機(jī)器人由機(jī)器人控制柜、機(jī)器人本體和連線等組成，華遠(yuǎn)焊機(jī)由焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)和通訊電纜等組成，機(jī)器人接線盒由機(jī)器人IO接口插座、倍福模塊和轉(zhuǎn)接插座等組成。

圖1 集成焊接系統(tǒng)框圖

FAUNC R-30iB Mate機(jī)器人控制柜是整個(gè)集成焊接系統(tǒng)的控制中心，指揮機(jī)器人本體的焊接行走軌跡，并實(shí)時(shí)控制機(jī)器人焊接電源。CRW11輸出控制電纜（1號(hào)線）是與焊接電源進(jìn)行模擬通訊的電纜，包括與焊接電源通訊的除電流電壓反饋信號(hào)外的所有信號(hào)線；DEVICENET總線（2號(hào)線）與機(jī)器人控制盒中的倍福模塊相連，倍福模塊將焊機(jī)反饋的電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并以DEVICENET現(xiàn)場(chǎng)總線的方式與機(jī)器人進(jìn)行通訊；通訊電纜（3號(hào)線）是焊接電源機(jī)器人接口的專用通訊電纜，包含與機(jī)器人通訊的所有信號(hào)線；防碰撞傳感器電纜（4號(hào)線）將防碰撞信號(hào)反饋給機(jī)器人以及輸出驅(qū)動(dòng)防碰撞傳感器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；前下面板6芯控制電纜（5號(hào)線）是焊機(jī)與送絲機(jī)構(gòu)的通訊電纜，包含電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)線、氣閥的控制信號(hào)線和點(diǎn)動(dòng)送絲控制線；焊接電纜正極線（6號(hào)線）接送絲機(jī)構(gòu)上的焊槍。

由于起止點(diǎn)尋位要求高實(shí)時(shí)性，選用了模擬通訊方法，通過發(fā)那科模擬接口板與焊機(jī)進(jìn)行通訊；由于電弧跟蹤的實(shí)時(shí)性要求以及軟硬件的現(xiàn)實(shí)配置空間，選用了倍福模塊轉(zhuǎn)總線的方法實(shí)現(xiàn)，并讓最少的模擬信號(hào)通過倍福模塊轉(zhuǎn)接到機(jī)器人的DEVIECENET總線；由于使用的是發(fā)那科非指定的國(guó)內(nèi)焊機(jī)，在軟件配置時(shí)通過此種混合通訊的方式與焊機(jī)通訊，達(dá)到并行不悖，不但實(shí)現(xiàn)了基本的焊接控制功能，而且實(shí)現(xiàn)了起止點(diǎn)尋位和電弧跟蹤功能。

混合通訊應(yīng)用于在機(jī)器人與焊機(jī)的集成通訊，既采用了傳統(tǒng)的模擬通訊方式（盡可能多地將通訊信號(hào)納入到此種通訊方式中），也采用了流行的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式（單獨(dú)將電弧跟蹤需要的電流反饋信號(hào)納入此種通訊方式中）。不但解決了多個(gè)信號(hào)實(shí)時(shí)性的要求，而且解決了國(guó)內(nèi)焊機(jī)以全功能配套國(guó)際主流機(jī)器人軟件配置方面的問題。焊接功能齊備，滿足中厚板大多數(shù)復(fù)雜的焊接現(xiàn)場(chǎng)需求。

3 結(jié)論

介紹了一種如何利用焊機(jī)配套工業(yè)機(jī)器人的混合通訊方法，不但實(shí)現(xiàn)了焊機(jī)（以華遠(yuǎn)焊機(jī)為例）配套機(jī)器人的普通焊接功能，而且實(shí)現(xiàn)了起止點(diǎn)尋位和焊縫跟蹤功能，使得整套焊接設(shè)備能很好運(yùn)用于中厚板生產(chǎn)焊接中，對(duì)工件的加工、點(diǎn)固和夾持誤差和焊接過程中的熱變形均有良好的自校準(zhǔn)功能。