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【技術講解】焊接機器人控制器的研發分析

未知 2019-07-16 10:53

  機器人控制器是影響焊接機器人性能的關鍵部分之一,對開發焊接機器人起着至關重要的作用,奇瑞汽車有限公司吸收現有焊接機器人控制器的先進技術,正在開發高質量、低成本的國産焊接機器人控制器。

  轎車車身大約有3000~4000個焊點和3m以上的焊縫,規劃産能達到20萬輛/年的轎車焊接生産線,幾乎都必須使用焊接機器人。焊接機器人不僅能滿足工藝要求、保證焊接質量,還可以保證焊接生産線的自動化、規模化和柔性化。

  奇瑞汽車有限公司(以下簡稱奇瑞公司)使用的焊接機器人有日本FANUC機器人、德國KUKA機器人和意大利COMAU機器人等,由于機器人品牌衆多,相關技術人員難以準确掌握關鍵技術,設備維護難度大,備件儲備費用高。因此,我們根據現場的實際情況,對各家機器人控制器進行分析,逐步完善和統一标準,為開發國産焊接機器人打好了基礎。

  焊接機器人控制器分析

  1、FANUC控制器概述

  FANUC機器人主要應用于奇瑞公司焊裝一車間,是奇瑞公司最早引進的焊接機器人,也是奇瑞公司唯一用到附加軸的焊接機器人。

  FANUC機器人内部結構相對集成化,主控機采用32位CPU控制,用于機器人運動插補運算和提高坐标變換的運算速度,它采用64位數字伺服驅動單元,同步控制6軸運動,運動精度大大提高,最多可控制21軸,進一步改善機器人動态特性。FANUC機器人還支持離線編程技術,技術人員可通過離線編程軟件設置參數,優化機器人運動程序。

  圖1為FANUC機器人控制原理圖

  2、FANUC控制器内部結構

  以FANUC-R-J3iB控制箱内部結構為例,FANUC控制器内部結構共分為6大工作部分:

  (1)電源供給單元:由變壓器向電源分配單元輸出230V交流電,通過該單元的系統電源分配功能,負責對控制箱内部各工作闆卡輸出210V交流及15V,+24V直流電。

  (2)安全保護回路:由變壓器直接向急停單元供電,并接入内部各控制闆卡形成保護回路,對整個系統進行電路保護。

  (3)伺服放大器:不僅提供伺服電機的驅動、抱閘電源,并且與絕對值編碼器實現實時數據轉換,與主控機間采用光纖傳輸數據,進行實時信号循環反饋。

  (4)輸入/輸出模塊:标配為ModuleA/B,另外可通過Profibus闆、過程控制闆與PLC及外圍設備進行通信。

  (5)主控機:整個控制系統的中樞部分,包括主闆、CPU、FROM/SRAM組件及伺服卡,負責控制器内部及外圍設備的信号交換和處理。

  (6)示教器:示教機器人的工作軌迹和參數設定,以及人機交互操作。

  圖2為FANUC機器人

  3、KUKA控制器概述

  KUKA機器人主要應用于奇瑞公司焊裝二車間,其内部結構相對開放化,采用分散控制方式,按系統的性質和方式将系統控制分成幾個模塊,每個模塊有不同的控制任務和控制策略,各模式之間可以是主從關系,也可以是平等關系。這種方式實時性好,易于實現高速、高精度控制,易于擴展,可實現智能控制,是目前流行的控制方式。KUKA機器人采用Windows操作界面,使得人機界面更加友好。在應用方面也因為其結構簡單、性能穩定、便于操作、備件更換方便,而成為最受用戶歡迎的焊接機器人品牌。

  圖3KUKA機器人的控制原理

  4、KUKA控制器内部結構

  以KUKA-KRC2控制箱内部結構為例,KUKA控制器内部結構共分為6大工作部分:

  (1)電源供給單元:包括主電源和輔助電源,由變壓器分别向主、輔電源輸出240V交流電,經過變壓,輔助電源向工控機、安全模塊、電機制動、電池等模塊提供27V直流電,主電源向各伺服驅動器提供600V電壓。

  (2)ESC安全系統:由主電源直接向ESC卡提供27V直流電,并與工控機、示教器及外圍設備連接,對整個系統進行電路保護。

  (3)伺服驅動器(KSD):與工控機間采用INTERBUS總線方式通訊,标配為6個分散獨立的驅動器實時控制6軸運動,櫃内最多可擴展到8軸。

  (4)RDC數模信号轉換模塊:由旋轉變壓器将位置及溫度信号反饋給RDC,進行數模轉換後傳輸到工控機内DSE-IBS卡,數據處理後通過主電源,控制各驅動器對伺服電機進行驅動。

  (5)工控機:整個控制系統的中樞部分,負責與主電源、安全回路、RDC及外圍設備進行信号交換和處理,除标準配置外,還包括MFC卡(控制安全回路,非可屏蔽性中斷)和DSE-IBS卡(與RDC串口通訊,輸出到KSD,實現雙環控制)。

  6)KCP示教器:機器人示教編程,變量、參數設置工具,負責所有人機交互操作。

  圖4為KUKA機器人

  5、COMAU控制器概述

  COMAU機器人主要應用于奇瑞公司焊裝三車間,其控制系統采用主從控制方式,通過主、從兩級處理器實現系統的全部控制功能。主CPU擔當系統管理、故障診斷、機器人語言編譯、應用程序執行、I/O信号通訊和人機接口管理,同時也利用它的運算能力完成坐标變換、軌迹插補等工作。COMAU機器人從CPU通過數字伺服放大器同步驅動各運動軸,實現所有關節的運動控制。主從控制方式系統實時性較好,适于高精度、高速度控制,但标配系統隻能擴展2個附加軸,若想控制更多的運動軸,必須另外安裝擴展電源機架。

  圖5COMAU機器人的控制原理

  6、COMAU控制器内部結構

  以COMAU-C4G控制箱内部結構為例,COMAU控制器内部結構共分為6大工作部分:

  (1)電源分配系統:由電源分配單元向輔助電源和數字伺服放大器提供主動力電源和25V抱閘電源,再通過輔助電源向數字伺服放大器、過程處理系統、系統通訊模塊等單元提供24~25V直流電源,并通過系統通訊模塊向安全模塊提供24V直流電源。

  (2)RSM安全保護系統:與過程處理系統、系統通訊模塊、外圍設備等單元進行安全信号通訊,實現整個系統安全保護。

  (3)伺服驅動單元:數字伺服放大器通過機器人接口模塊反饋編碼器信号,與運動控制處理器間通過INTERNET進行通訊,提供伺服電機的驅動電源和抱閘電源,控制機器人運動。

  (4)FIA系統通訊模塊:負責與各控制單元及外圍設備進行通信并收集和分配所有信号。

  (5)過程處理系統:整個系統的主控制模塊,包括系統主處理器、運動控制處理器,以主從控制的方式進行工作處理。

  (6)TP4I示教器:人機交互的工具,具有示教編程,變量、參數設定、信息顯示等功能。

  圖6COMAU機器人

  焊接機器人控制器設計思路

  通過對FANUC、KUKA、CAMAU焊接機器人的控制器進行分析,我們大緻總結出焊接機器人控制器内部結構主要包括:1、電源部分;2、安全保護部分;3、伺服驅動部分;4、I/O通信部分;5、系統主控部分;6、示教器。各部分分工明确,聯系緊密,有效地保證了控制器的正常工作。

  部分機器人廠家基于自己的獨立結構開發的控制器,無論從軟件還是硬件都難以擴展和二次開發,都有一定的局限性。随着機器人控制技術的發展,為了解決結構封閉的機器人控制器的缺陷,開發具有開放式結構的模塊化、标準化機器人控制器是當前機器人控制器的一個研究方向。例如:德國KUKA公司基于PC開發的具有開放式結構、網絡功能的機器人控制器,該控制器設計的各個層次對用戶開放,方便用戶擴展和二次開發。

  因此,對于控制器的設計,我們提出以下思路:

  1、利用基于非封閉式計算機平台的開發系統,如Sun、SGI,有效利用标準計算機平台的軟件和硬件資源為控制器擴展創造條件。

  2、利用标準的操作系統,如Windows、Vxwork;使用标準的編程語言,如C、C++,采用标準操作系統和編程語言,可以解決各種專用機器人語言互不兼容的問題。

  3、合理的模塊化設計,有效劃分任務,使不同的子任務由不同的功能模塊實現,這不僅利于安裝、調試及維護,更方便修改、添加、配置功能,提高了系統的可靠性。

  4、采用标準總線結構,方便擴展或更改控制器内部配置及改進其功能,如各種傳感器,I/O闆、運動控制闆可以很容易地集成到原系統。

  這樣建立起來的控制系統,不僅性能穩定、開發周期短而且成本較低,模塊化還使系統開放,易于修改、重構和添加、配置功能。

  結束語

  随着汽車行業焊接制造裝備、電子技術、計算機技術的迅猛發展,焊裝機器人技術得到完善,焊接機器人控制器技術更是得到了突飛猛進的發展。奇瑞公司面對新的機遇和挑戰,引進、消化和吸收現有焊接機器人先進技術,通過應用研發和二次開發,開發高質量、低成本的焊接機器人控制器,為焊接機器人産業化做好了鋪墊。

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