機(jī)器人控制器是影響焊接機(jī)器人性能的關(guān)鍵部分之一，對開發(fā)焊接機(jī)器人起著至關(guān)重要的作用，奇瑞汽車有限公司吸收現(xiàn)有焊接機(jī)器人控制器的先進(jìn)技術(shù)，正在開發(fā)高質(zhì)量、低成本的國產(chǎn)焊接機(jī)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(guī)劃產(chǎn)能達(dá)到20萬輛/年的轎車焊接生產(chǎn)線，幾乎都必須使用焊接機(jī)器人。焊接機(jī)器人不僅能滿足工藝要求、保證焊接質(zhì)量，還可以保證焊接生產(chǎn)線的自動化、規(guī)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(jī)器人有日本FANUC機(jī)器人、德國KUKA機(jī)器人和意大利COMAU機(jī)器人等，由于機(jī)器人品牌眾多，相關(guān)技術(shù)人員難以準(zhǔn)確掌握關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)備維護(hù)難度大，備件儲備費用高。因此，我們根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，對各家機(jī)器人控制器進(jìn)行分析，逐步完善和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為開發(fā)國產(chǎn)焊接機(jī)器人打好了基礎(chǔ)。

　　焊接機(jī)器人控制器分析

　　1、FANUC控制器概述

　　FANUC機(jī)器人主要應(yīng)用于奇瑞公司焊裝一車間，是奇瑞公司最早引進(jìn)的焊接機(jī)器人，也是奇瑞公司唯一用到附加軸的焊接機(jī)器人。

　　FANUC機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對集成化，主控機(jī)采用32位CPU控制，用于機(jī)器人運動插補(bǔ)運算和提高坐標(biāo)變換的運算速度，它采用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21軸，進(jìn)一步改善機(jī)器人動態(tài)特性。FANUC機(jī)器人還支持離線編程技術(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)器人運動程序。

　　圖1為FANUC機(jī)器人控制原理圖

　　2、FANUC控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　以FANUC-R-J3iB控制箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)為例，F(xiàn)ANUC控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(tǒng)電源分配功能，負(fù)責(zé)對控制箱內(nèi)部各工作板卡輸出210V交流及±15V，+24V直流電。

　?。?）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，對整個系統(tǒng)進(jìn)行電路保護(hù)。

　?。?）伺服放大器：不僅提供伺服電機(jī)的驅(qū)動、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(jī)間采用光纖傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行實時信號循環(huán)反饋。

　　（4）輸入/輸出模塊：標(biāo)配為ModuleA/B，另外可通過Profibus板、過程控制板與PLC及外圍設(shè)備進(jìn)行通信。

　?。?）主控機(jī)：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(fù)責(zé)控制器內(nèi)部及外圍設(shè)備的信號交換和處理。

　　（6）示教器：示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及人機(jī)交互操作。

　　圖2為FANUC機(jī)器人

　　3、KUKA控制器概述

　　KUKA機(jī)器人主要應(yīng)用于奇瑞公司焊裝二車間，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對開放化，采用分散控制方式，按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制分成幾個模塊，每個模塊有不同的控制任務(wù)和控制策略，各模式之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。這種方式實時性好，易于實現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴(kuò)展，可實現(xiàn)智能控制，是目前流行的控制方式。KUKA機(jī)器人采用Windows操作界面，使得人機(jī)界面更加友好。在應(yīng)用方面也因為其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、便于操作、備件更換方便，而成為最受用戶歡迎的焊接機(jī)器人品牌。

　　圖3KUKA機(jī)器人的控制原理

　　4、KUKA控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　以KUKA-KRC2控制箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)為例，KUKA控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)共分為6大工作部分：

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

　?。?）ESC安全系統(tǒng)：由主電源直接向ESC卡提供27V直流電，并與工控機(jī)、示教器及外圍設(shè)備連接，對整個系統(tǒng)進(jìn)行電路保護(hù)。

　　（3）伺服驅(qū)動器（KSD）：與工控機(jī)間采用INTERBUS總線方式通訊，標(biāo)配為6個分散獨立的驅(qū)動器實時控制6軸運動，柜內(nèi)最多可擴(kuò)展到8軸。

　?。?）RDC數(shù)模信號轉(zhuǎn)換模塊：由旋轉(zhuǎn)變壓器將位置及溫度信號反饋給RDC，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)焦た貦C(jī)內(nèi)DSE-IBS卡，數(shù)據(jù)處理后通過主電源，控制各驅(qū)動器對伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。

　?。?）工控機(jī)：整個控制系統(tǒng)的中樞部分，負(fù)責(zé)與主電源、安全回路、RDC及外圍設(shè)備進(jìn)行信號交換和處理，除標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)雙環(huán)控制）。

　　6）KCP示教器：機(jī)器人示教編程，變量、參數(shù)設(shè)置工具，負(fù)責(zé)所有人機(jī)交互操作。

　　圖4為KUKA機(jī)器人

　　5、COMAU控制器概述

　　COMAU機(jī)器人主要應(yīng)用于奇瑞公司焊裝三車間，其控制系統(tǒng)采用主從控制方式，通過主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理、故障診斷、機(jī)器人語言編譯、應(yīng)用程序執(zhí)行、I/O信號通訊和人機(jī)接口管理，同時也利用它的運算能力完成坐標(biāo)變換、軌跡插補(bǔ)等工作。COMAU機(jī)器人從CPU通過數(shù)字伺服放大器同步驅(qū)動各運動軸，實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的運動控制。主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，適于高精度、高速度控制，但標(biāo)配系統(tǒng)只能擴(kuò)展2個附加軸，若想控制更多的運動軸，必須另外安裝擴(kuò)展電源機(jī)架。

　　圖5COMAU機(jī)器人的控制原理

　　6、COMAU控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　以COMAU-C4G控制箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)為例，COMAU控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)共分為6大工作部分：

　?。?）電源分配系統(tǒng)：由電源分配單元向輔助電源和數(shù)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(shù)字伺服放大器、過程處理系統(tǒng)、系統(tǒng)通訊模塊等單元提供24~25V直流電源，并通過系統(tǒng)通訊模塊向安全模塊提供24V直流電源。

　　（2）RSM安全保護(hù)系統(tǒng)：與過程處理系統(tǒng)、系統(tǒng)通訊模塊、外圍設(shè)備等單元進(jìn)行安全信號通訊，實現(xiàn)整個系統(tǒng)安全保護(hù)。

　?。?）伺服驅(qū)動單元：數(shù)字伺服放大器通過機(jī)器人接口模塊反饋編碼器信號，與運動控制處理器間通過INTERNET進(jìn)行通訊，提供伺服電機(jī)的驅(qū)動電源和抱閘電源，控制機(jī)器人運動。

　?。?）FIA系統(tǒng)通訊模塊：負(fù)責(zé)與各控制單元及外圍設(shè)備進(jìn)行通信并收集和分配所有信號。

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

　　（6）TP4I示教器：人機(jī)交互的工具，具有示教編程，變量、參數(shù)設(shè)定、信息顯示等功能。

　　圖6COMAU機(jī)器人

　　焊接機(jī)器人控制器設(shè)計思路

　　通過對FANUC、KUKA、CAMAU焊接機(jī)器人的控制器進(jìn)行分析，我們大致總結(jié)出焊接機(jī)器人控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括：1、電源部分；2、安全保護(hù)部分；3、伺服驅(qū)動部分；4、I/O通信部分；5、系統(tǒng)主控部分；6、示教器。各部分分工明確，聯(lián)系緊密，有效地保證了控制器的正常工作。

　　部分機(jī)器人廠家基于自己的獨立結(jié)構(gòu)開發(fā)的控制器，無論從軟件還是硬件都難以擴(kuò)展和二次開發(fā)，都有一定的局限性。隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，為了解決結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)器人控制器的缺陷，開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器”是當(dāng)前機(jī)器人控制器的一個研究方向。例如：德國KUKA公司基于PC開發(fā)的具有開放式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能的機(jī)器人控制器，該控制器設(shè)計的各個層次對用戶開放，方便用戶擴(kuò)展和二次開發(fā)。

　　因此，對于控制器的設(shè)計，我們提出以下思路：

　　1、利用基于非封閉式計算機(jī)平臺的開發(fā)系統(tǒng)，如Sun、SGI，有效利用標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)平臺的軟件和硬件資源為控制器擴(kuò)展創(chuàng)造條件。

　　2、利用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，如Windows、Vxwork；使用標(biāo)準(zhǔn)的編程語言，如C、C++，采用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)和編程語言，可以解決各種專用機(jī)器人語言互不兼容的問題。

　　3、合理的模塊化設(shè)計，有效劃分任務(wù)，使不同的子任務(wù)由不同的功能模塊實現(xiàn)，這不僅利于安裝、調(diào)試及維護(hù)，更方便修改、添加、配置功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　4、采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，方便擴(kuò)展或更改控制器內(nèi)部配置及改進(jìn)其功能，如各種傳感器，I/O板、運動控制板可以很容易地集成到原系統(tǒng)。

　　這樣建立起來的控制系統(tǒng)，不僅性能穩(wěn)定、開發(fā)周期短而且成本較低，模塊化還使系統(tǒng)開放，易于修改、重構(gòu)和添加、配置功能。

　　結(jié)束語

　　隨著汽車行業(yè)焊接制造裝備、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，焊裝機(jī)器人技術(shù)得到完善，焊接機(jī)器人控制器技術(shù)更是得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。奇瑞公司面對新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，引進(jìn)、消化和吸收現(xiàn)有焊接機(jī)器人先進(jìn)技術(shù)，通過應(yīng)用研發(fā)和二次開發(fā)，開發(fā)高質(zhì)量、低成本的焊接機(jī)器人控制器，為焊接機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化做好了鋪墊。