發(fā)那科焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用分析

　　焊接是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工方式，同時(shí)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(duì)焊接質(zhì)量的精益求精，焊接機(jī)器人得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

　　機(jī)器人在焊裝生產(chǎn)線中運(yùn)用的特點(diǎn)

　　焊接機(jī)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(diǎn)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(zhǎng)度等對(duì)焊接結(jié)果起決定性作用。人工焊接時(shí)，焊接速度、干伸長(zhǎng)等都是變化的，很難做到質(zhì)量的均一性；采用機(jī)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(duì)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(dòng)條件

　　采用機(jī)器人焊接后，工人只需要裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺等；點(diǎn)焊時(shí)，工人不再需要搬運(yùn)笨重的手工焊鉗，從大強(qiáng)度的體力勞動(dòng)中解脫出來。

　　3.提高勞動(dòng)生產(chǎn)率

　　機(jī)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(yīng)用，使用機(jī)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(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計(jì)劃非常明確。

　　5.可縮短產(chǎn)品改型換代的周期，降低相應(yīng)的設(shè)備投資

　　可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化。機(jī)器人與專機(jī)的最大區(qū)別就是它可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。

　　一、FANUC控制系統(tǒng)概述

　　FANUC機(jī)器人主要應(yīng)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(jìn)的焊接機(jī)器人，也是奇瑞公司最先用到具有附加軸的焊接機(jī)器人。

　　其控制系統(tǒng)采用32位CPU控制，以提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)運(yùn)算和坐標(biāo)變換的運(yùn)算速度。采用64位數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)單元，同步控制6軸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)精度大大提高，最多可控制到21軸，進(jìn)一步改善了機(jī)器人動(dòng)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(shè)置參數(shù)，優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序。控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)集成化，這種集成方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整機(jī)價(jià)格便宜、易維護(hù)保養(yǎng)等特點(diǎn)。

　　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(jī)器人的核心部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作操作、信號(hào)通訊、狀態(tài)監(jiān)控等功能。下面以FANUC—F-200iB為例，對(duì)其控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各部分的功能進(jìn)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(duì)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(hù)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(hù)回路，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電路保護(hù)。

　　3)伺服放大器

　　不僅提供伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和抱閘電源，并且與絕對(duì)值編碼器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，與主控機(jī)間采用光纖傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)循環(huán)反饋。

　　4)輸入/輸出模塊

　　標(biāo)配為ModuleA/B，另外也可通過在擴(kuò)展槽安裝Profibus板、過程控制板與PLC及外圍設(shè)備進(jìn)行通訊。

　　5)主控單元

　　整個(gè)控制系統(tǒng)的中樞部分，包括主板、CPU、FROM/SRAM組件及伺服卡，負(fù)責(zé)控制器內(nèi)部及外圍設(shè)備的信號(hào)處理和交換。

　　6)急停電路板

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

　　7)示教器

　　包括機(jī)器人編程在內(nèi)的所有操作都能由該設(shè)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(jī)器人控制器斷電檢修后，對(duì)控制器送電，機(jī)器人報(bào)伺服故障，故障代碼為SERVO-062。對(duì)此故障進(jìn)行復(fù)位：按MENUS→SYSTEM→F1，［TYPE］→找 master/cal→F3，RES_PCA →F4，YES 后，機(jī)器人仍然報(bào)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(jī)器人編碼器上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電池?zé)o電或者已經(jīng)損壞：拆卸編碼器脈沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電池安裝盒，電池盒內(nèi)裝有4節(jié)普通1.5V的1號(hào)干電池，對(duì)每節(jié)電池的電壓進(jìn)行測(cè)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(duì)故障進(jìn)行復(fù)位，機(jī)器人仍然報(bào)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(gè)DC鏈路電壓檢測(cè)螺絲，確認(rèn)DC鏈路電壓。如果檢測(cè)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(shí)際檢測(cè)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(jìn)一步對(duì)伺服放大器控制板上P5V、P3.3V、SVEMG、OPEN的LED顏色進(jìn)行觀察，確認(rèn)電源電壓輸出正常，沒有外部緊急停止信號(hào)輸入，與機(jī)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(duì)機(jī)器人控制器與機(jī)器人本體的外部電纜連線RM1、RP1進(jìn)行檢查，RM1為機(jī)器人伺服電機(jī)電源、抱閘控制線，RP1為機(jī)器人伺服電機(jī)編碼器信號(hào)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(chǔ)的電池線路等線路。拔掉插頭RP1，對(duì)端子5、6、18 用萬用表測(cè)量+5V、+24V控制電源均正常。接下來對(duì)編碼器上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電池線路進(jìn)行檢查。機(jī)器人每個(gè)軸的伺服電機(jī)脈沖編碼器控制端由1-10個(gè)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(hào)，端子3為接地，端子1、2空。拔掉M1電機(jī)的脈沖控制插頭 M1P，萬用表測(cè)量端子4、7，電壓為0，同樣的方法檢查M2~M7電機(jī)全部為0，由此可以判斷編碼器上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電池線路損壞。順著線路，發(fā)現(xiàn)正負(fù)電源雙絞線的一端插頭長(zhǎng)期埋在積水中，線路已腐蝕嚴(yán)重。

　　2、故障處理：更換線路后復(fù)位，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行全軸零點(diǎn)復(fù)歸“ZERO POSITION MASTER”，導(dǎo)入備份程序后恢復(fù)正常，故障排除。

　　結(jié)論

　　做為日系機(jī)器人的主要品牌之一，其在控制原理上與其它品牌機(jī)器人大致相同，但其控制部分組成結(jié)構(gòu)有著自己的風(fēng)格，體現(xiàn)亞洲人的使用習(xí)慣，比較適合國(guó)內(nèi)使用。我國(guó)焊接機(jī)器人技術(shù)的研究應(yīng)用雖然較晚，但借鑒于國(guó)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(jī)器人誕生，似乎看到了企業(yè)與科研合作的力量，覺得當(dāng)企業(yè)進(jìn)入的時(shí)候，特別是這種應(yīng)用型企業(yè)開始參與設(shè)備的研究的時(shí)候，門就慢慢打開了。但焊接機(jī)器人是個(gè)機(jī)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(duì)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國(guó)產(chǎn)機(jī)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(guó)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的發(fā)展。