焊接機器人控制系統(tǒng)原理分析

焊接是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工方式，同時由于焊接煙塵、弧光和金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境非常惡劣，隨著人工成本的逐步提升，以及人們對焊接質(zhì)量的精益求精，焊接機器人得到了越來越廣泛的應用。

機器人在焊裝生產(chǎn)線中運用的特點

焊接機器人在高質(zhì)、高效的焊接生產(chǎn)中發(fā)揮了極其重要的作用，其主要特點如下：

1.性能穩(wěn)定、焊接質(zhì)量穩(wěn)定，保證其均一性

焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結(jié)果起決定性作用。人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，很難做到質(zhì)量的均一性；采用機器人焊接，每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人為因素影響較小，降低了對工人操作技術(shù)的要求，焊接質(zhì)量非常穩(wěn)定。

2.改善了工人的勞動條件

采用機器人焊接后，工人只需要裝卸工件，遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺等；點焊時，工人不再需要搬運笨重的手工焊鉗，從大強度的體力勞動中解脫出來。

3.提高勞動生產(chǎn)率

機器人可一天24h連續(xù)生產(chǎn)，隨著高速、高效焊接技術(shù)的應用，使用機器人焊接，效率提高地更加明顯。

4.產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量

機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常明確。

5.可縮短產(chǎn)品改型換代的周期，降低相應的設備投資

可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。機器人與專機的最大區(qū)別就是它可以通過修改程序以適應不同工件的生產(chǎn)。

一、FANUC控制系統(tǒng)概述

FANUC機器人主要應用在奇瑞公司乘用車一廠和乘用車三廠的焊裝車間，是奇瑞最早引進的焊接機器人，也是奇瑞公司最先用到具有附加軸的焊接機器人。

其控制系統(tǒng)采用32位CPU控制，以提高機器人運動插補運算和坐標變換的運算速度。采用64位數(shù)字伺服驅(qū)動單元，同步控制6軸運動，運動精度大大提高，最多可控制到21軸，進一步改善了機器人動態(tài)特性。支持離線編程技術(shù)，技術(shù)人員可通過離線編程軟件設置參數(shù)，優(yōu)化機器人運動程序。控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對集成化，這種集成方式具有結(jié)構(gòu)簡單、整機價格便宜、易維護保養(yǎng)等特點。

圖1 控制原理圖

二、FANUC控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

控制器是機器人的核心部分，實現(xiàn)對機器人的動作操作、信號通訊、狀態(tài)監(jiān)控等功能。下面以FANUC—F-200iB為例，對其控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各部分的功能進行分析：

1）電源供給單元

變壓器向電源分配單元輸入230V交流電，通過該單元的系統(tǒng)電源分配功能對控制箱內(nèi)部各工作板卡輸出210V交流電及±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，并接入內(nèi)部各控制板卡形成保護回路，對整個系統(tǒng)進行電路保護。

3）伺服放大器

不僅提供伺服電機驅(qū)動和抱閘電源，并且與絕對值編碼器實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，與主控機間采用光纖傳輸數(shù)據(jù)，進行實時信號循環(huán)反饋。

4）輸入/輸出模塊

標配為ModuleA/B，另外也可通過在擴展槽安裝Profibus板、過程控制板與PLC及外圍設備進行通訊。

5）主控單元

整個控制系統(tǒng)的中樞部分，包括主板、CPU、FROM/SRAM組件及伺服卡，負責控制器內(nèi)部及外圍設備的信號處理和交換。

6）急停電路板

用來對緊急停止系統(tǒng)、伺服放大器的電磁接觸器以及預備充電進行控制。

7）示教器

包括機器人編程在內(nèi)的所有操作都能由該設備完成，控制器狀態(tài)和數(shù)據(jù)都顯示在示教盒的顯示器上。

圖2 控制內(nèi)部結(jié)構(gòu)

三、 故障案例分析

機器人控制器斷電檢修后，對控制器送電，機器人報伺服故障，故障代碼為SERVO-062。對此故障進行復位：按MENUS→SYSTEM→F1，［TYPE］→找 master/cal→F3，RES_PCA →F4，YES 后，機器人仍然報伺服故障。

1、故障分析和檢查：故障代碼SERVO-062的解釋為SERVO2 BZAL alarm（Group：%d Axis：%d），故障可能原因分析如下：

1） 機器人編碼器上數(shù)據(jù)存儲的電池無電或者已經(jīng)損壞：拆卸編碼器脈沖數(shù)據(jù)存儲的電池安裝盒，電池盒內(nèi)裝有4節(jié)普通1.5V的1號干電池，對每節(jié)電池的電壓進行測量，均在1.4V以下，電池電壓明顯偏低，于是更換新電池，再次對故障進行復位，機器人仍然報SERVO-062故障。

2） 控制器內(nèi)伺服放大器控制板壞：檢查伺服放大器LED“D7”上方的2個DC鏈路電壓檢測螺絲，確認DC鏈路電壓。如果檢測到的DC鏈路電壓高于50V，就可判斷伺服放大器控制板處于異常狀態(tài)。實際檢測發(fā)現(xiàn)DC鏈路電壓低于50V，所以初步判斷伺服放大器控制板處于正常狀態(tài)。 進一步對伺服放大器控制板上P5V、P3.3V、SVEMG、OPEN的LED顏色進行觀察，確認電源電壓輸出正常，沒有外部緊急停止信號輸入，與機器人主板通訊也正常，排除伺服放大器控制板損壞。

3） 線路損壞：對機器人控制器與機器人本體的外部電纜連線RM1、RP1進行檢查，RM1為機器人伺服電機電源、抱閘控制線，RP1為機器人伺服電機編碼器信號以及控制電源線路、末端執(zhí)行器線路、編碼器上數(shù)據(jù)存儲的電池線路等線路。拔掉插頭RP1，對端子5、6、18 用萬用表測量+5V、+24V控制電源均正常。接下來對編碼器上數(shù)據(jù)存儲的電池線路進行檢查。機器人每個軸的伺服電機脈沖編碼器控制端由1-10個端子組成，端子8、9、10為+5V電源，端子4、7為數(shù)據(jù)保持電池電源，端子5、6為反饋信號，端子3為接地，端子1、2空。拔掉M1電機的脈沖控制插頭 M1P，萬用表測量端子4、7，電壓為0，同樣的方法檢查M2~M7電機全部為0，由此可以判斷編碼器上數(shù)據(jù)存儲的電池線路損壞。順著線路，發(fā)現(xiàn)正負電源雙絞線的一端插頭長期埋在積水中，線路已腐蝕嚴重。

2、故障處理：更換線路后復位，對機器人進行全軸零點復歸“ZERO POSITION MASTER”，導入備份程序后恢復正常，故障排除。

結(jié)論

做為日系機器人的主要品牌之一，其在控制原理上與其它品牌機器人大致相同，但其控制部分組成結(jié)構(gòu)有著自己的風格，體現(xiàn)亞洲人的使用習慣，比較適合國內(nèi)使用。我國焊接機器人技術(shù)的研究應用雖然較晚，但借鑒于國外的成熟技術(shù)，得到了迅速的發(fā)展。09年我公司與哈工大合作開發(fā)的奇哈機器人誕生，似乎看到了企業(yè)與科研合作的力量，覺得當企業(yè)進入的時候，特別是這種應用型企業(yè)開始參與設備的研究的時候，門就慢慢打開了。但焊接機器人是個機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國產(chǎn)機器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產(chǎn)機器人的發(fā)展。