王 艷，郝 亮，金 月，劉曉蘭

(哈爾濱華德學(xué)院，哈爾濱 150025)

1 焊接機器人自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制器：使用PLC控制器，通過調(diào)整PID進行回路控制。運行原理是通過對輸出信號的處理，實現(xiàn)偏差信號的轉(zhuǎn)換，根據(jù)接收的指令發(fā)出執(zhí)行指令信息，使系統(tǒng)完成操作動作。被控單元：由控制器控制，是接收操作指令的模塊。執(zhí)行操作模塊：當控制器發(fā)出指令，被控單元接收指令后，控制機械手臂完成指令操作。測試環(huán)節(jié)：使用傳感器對數(shù)據(jù)進行測量。自動控制系統(tǒng)需要持續(xù)發(fā)送信息，對此類信息使用傳感器測量，利用變換回路，將信息進行轉(zhuǎn)換，滿足控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的需要。比較環(huán)節(jié)：主要用于信號比對，計算信號偏差，比對信號為系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)信號。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

PLC控制器選型：PLC是整個系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，是控制焊接機器人操作行為的模塊，設(shè)計采用西門子公司生產(chǎn)的S7-200型控制器，具有可編程、使用場合多、體積小的優(yōu)勢，檢測和監(jiān)測性能較好。

位置傳感器設(shè)計：其主要用于工件位置、焊鉗運動位置、焊接平臺位置的檢測，根據(jù)檢測對象選擇不同類型的位置傳感器。工件和焊接平臺檢測：選擇南京凱基特電氣生產(chǎn)制造的KJT-FJ18GW型耐高溫光電傳感器，使用壽命較長、可靠性較高，使用全金屬封裝，可耐120℃的高溫。焊接平臺移動檢測：使用BC40S型光電編碼器。

控制開關(guān)設(shè)計：主要控制自動系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，具備轉(zhuǎn)換、啟動、關(guān)閉、暫停、復(fù)位等功能。

上位機設(shè)計：負責(zé)控制系統(tǒng)的軟件部分，用于人機交互，借助通信網(wǎng)絡(luò)對PLC進行監(jiān)測。使用北京亞控科技公司研發(fā)的監(jiān)控軟件組態(tài)王6.60sp1，其最大特點是基于標準的工業(yè)計算機軟硬件平臺構(gòu)建的集成系統(tǒng)，性能和自動化表現(xiàn)良好。

焊接平臺設(shè)計：焊接平臺和PLC控制器之間，使用變頻器連接。變頻器控制著焊接平臺的移動，在組態(tài)王軟件中，輸入焊接平臺的移動速度，通過PLC控制變頻器對焊接平臺進行驅(qū)動。本系統(tǒng)使用的是西門子MM440變頻器，可實現(xiàn)更高的動態(tài)響應(yīng)，在不編碼的情況下，也可實現(xiàn)焊接平臺的移動。

伺服電機設(shè)計：焊接機器人雙機械手臂的控制，是由控制器發(fā)出指令，由伺服電機完成機械手臂的操作行為，機械手臂操作與人工焊接操作有些類似，可以橫向和縱向移動，所以要在伺服驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)置兩個電機。本系統(tǒng)使用的是西門子6SL3210-5FE10-8UA0型伺服電機，具有高動態(tài)性能，可實現(xiàn)機械手臂的高精度定位。

焊接控制設(shè)計：焊接控制對象是焊鉗，使用開關(guān)控制，針對焊接環(huán)節(jié)進行設(shè)置，主要是焊鉗起弧、焊接和收弧。

3 系統(tǒng)控制界面設(shè)計

控制界面可以參考組態(tài)王界面進行設(shè)計。登陸界面，操作人員輸入用戶名和密碼可登錄主界面，主界面設(shè)置了各個功能模塊對焊接機器人進行控制。自動焊接模塊，操作人員點擊進入后，開始控制焊接機器人的焊接操作。此模塊中，設(shè)置了啟動、暫停、關(guān)閉按鈕，點擊啟動按鈕，系統(tǒng)自動檢測工件位置，確定工件安裝是否準確，確認無誤后，操作人員按下焊接按鈕，伺服電機啟動，控制機器人手臂進行工件焊接。焊接過程中，需要調(diào)整工件，可按下暫?；蜿P(guān)閉按鈕，停止焊接操作。機器人焊接有時需要人工介入，對系統(tǒng)進行調(diào)試?？刂祈撁嬷性O(shè)置了手動調(diào)試選項，點擊后進入手動調(diào)試頁面。該頁面的主要功能是機器人手臂調(diào)試、焊接平臺調(diào)試，選擇調(diào)試選項后，可進行手臂和平臺調(diào)試。參數(shù)設(shè)定頁面，主要設(shè)置機器人手臂的焊接參數(shù)，可設(shè)置焊接速度，起弧和收弧時間。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 轉(zhuǎn)換圖分析

基于PLC焊接機器人的自動控制屬于順序控制，包括九個流程，使用S0.0～S1.0表示，如圖1所示，每個流程代表機器人焊接的一個環(huán)節(jié)。其中，I0.5是限位開關(guān)，I1.1是上限位開關(guān)，I1.0代表下限位開關(guān)，是控制機械手臂的開關(guān)，打開開關(guān)后，機械手臂縱向運動，I0.6是右限位開關(guān)，I0.7是左限位開關(guān)，控制機械手臂橫向運動，I1.3控制焊接平臺的兩端限位。M0.0是標志位，M0.1是開機標識，M0.2是起弧時間，M0.3是收弧時間。

4.2 自動順序控制模塊運行原理

進入軟件自動控制模塊，按下焊接按鈕后，自動控制系統(tǒng)開始運行。進入流程S0.0后，沿著X軸方向，機械手臂開始橫向運動，激發(fā)I0.6開關(guān)，進入流程S0.1，沿著Y軸方向，機械手臂開始縱向運動。機械手臂到位后，I1.0下限位開關(guān)為1，焊槍進行起弧操作，進入焊接狀態(tài)，當達到M0.2起弧時間要求后，進入S0.3。焊接平臺接到信號后，開始移動，進行工件焊接。焊接結(jié)束后，進入S0.4，焊接平臺停止運行，焊槍開始收弧操作。當收弧時間M0.3結(jié)束后，開始S0.5操作，機械手臂開始收回操作，沿著Y軸反向運動，當?shù)竭_I1.1上限位開關(guān)后，開始S0.6操作。機械手臂開始回收操作，沿著X軸方向運動，到達I0.7左限位開關(guān)后，進入S1.0。系統(tǒng)完成機器人焊接操作后，平臺處于停止狀態(tài)，等待下一個焊接指令。

5 系統(tǒng)的調(diào)試和安裝

系統(tǒng)設(shè)計好后，需要進行安裝和調(diào)試。在實驗室開展系統(tǒng)調(diào)試，進行焊接操作，通過對焊接槽型工件的評估，得到以下數(shù)據(jù)：自動控制系統(tǒng)的定位精度為±0.3 mm，焊接速度是±0.7 mm/s。使用自動系統(tǒng)通過伺服電機控制機械手臂橫向、縱向移動，進行復(fù)位測試，獲取機械手臂的定位精度，利用控制器輸出機械手臂運行參數(shù)。使用控制系統(tǒng)，通過變頻器控制焊接平臺，調(diào)整變頻器輸出頻率，保證焊接定位的準確性，及焊接速度的精確度，測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1。

表1 測試數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Results of testing data