阀体焊接机器人

1 焊接对象及要求
本机器人焊接对象为一系列规格的偏心阀座内部密封面，密封面为一圆环形弧面，基体为铸铁，焊材为镍合金。采用耐磨层堆焊的方式，把镍合金熔敷在基材表面上以提高阀门密封面的抗磨损、冲击、腐蚀、擦伤和气蚀等性能，可以显著提高工件的使用寿命，节省制造、维修费用外，还可以减少修理和更换磨损件的时间，从而提高生产效率，降低生产成本。由于密封面为一圆环形弧面，堆焊时要求焊枪嘴与相贯面保持垂直，焊点始终位于水平位置最低点，溶滴不向外流淌，焊缝平滑,并保证车加工后焊缝宽度高度符合工艺要求。

2 机械结构和控制系统组成
2.1 焊接机器人机械结构

机器人机械结构如图1所示。整体由五个轴组成，前后移动的X轴，左右移动的Y轴，上下移动的Z轴，工件夹具转动的O轴，和焊枪摆动的W轴，其中O轴为一数控立卧回转工作台，具有很高的控制精度。

图1 机器人机械结构

2.2 控制系统硬件组成

机器人控制系统硬件结构如图2。整个系统由一台工业PC，两块数控卡，5套交流伺服系统，一台半自动焊机、送丝机和其他相关附属设施构成。工控机液晶显示器上加装了电阻式触摸屏，方便了用户的操作。

数控卡选用固高公司生产的GT-400-SG-PCI-S四轴运动控制卡，和GT-200-SG-PCI-S两轴运动控制卡。GT-400-SG-PCI是基于PCI总线的高性能运动控制器，它可以同步控制四个运动轴（GT-200-SG-PCI-S可以同步控制两轴），实现复杂的多轴协调运动。其核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成，能实现高性能的控制计算。板卡同时提供RS232串行通讯和PC104通讯接口。PC机通过主机通讯接口与GT-400-SG运动控制器交换信息。包括向运动控制器发出运动控制指令，并通过该接口获取运动控制器的当前状态和相关控制参数,运动控制器完成实时轨迹规划、脉冲输出控制、主机命令处理和控制器I/O管理，大大节省了主控计算机的资源。运动控制器提供4KB的命令缓冲区，实现运动轨迹的预处理，以获得高质量的运动控制，并降低主机通讯实时性的要求。运动控制器还提供八路限位开关（每轴二路）输入，四路原点开关（每轴一路）输入，四路电机驱动器报警信号（每轴一路）输入，四路电机驱动器使能信号（每轴一路）输出，四路电机驱动器复位信号（每轴一路）输出以及十六路通用数字量输出接口、十六路通用数字量输入接口。

交流伺服系统是由交流伺服放大器，交流伺服电机和光电编码器组成的闭环控制系统。伺服放大器接受来自电机控制卡的脉冲信号(脉冲的个数和频率分别对应位置和速度的给定值)，并以此为给定值控制电机的转动。伺服放大器从光电编码器获得闭环系统的位置反馈信号，并将此信号传给电机控制卡。本系统采用安川的交流伺服系统，X轴、Y轴伺服电机采用SGMGH-08ACA41标准型，伺服单元采用SGDM-10AD 型，Z轴伺服电机采用SGMGH-08ACA4C型，此电机带制动器，防止Z轴焊枪由于自重在断电情况下下滑，伺服单元采用SGDM-10AD 型，O轴转台伺服电机采用SGMGH-13ACA41标准型，伺服单元采用SGDM-15AD 型，W轴焊枪摆动伺服电机采用SGMAH-02AAA41标准型，伺服单元采用SGDM-04AD 型。除W轴焊枪摆动伺服电机编码器为13比特增量型编码器外，其余伺服电机均采用17比特增量型编码器，具有较高的控制精度。

图2 焊接机器人控机系统硬件构成

　熔化极气体保护电弧焊这种焊接方法是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬喷嘴喷出的气体保护电弧来进行焊接的。熔化极气体保护电弧焊通常用的保护气体有：氩气、氦气、CO2气或这些气体的混合气。熔化极气体保护电弧焊的主要优点是可以方便地进行各种位置的焊接，同时也具有焊接速度较快、熔敷率高等优点。本系统采用的焊机为SanRex SD-3501CYCO2半自动电弧焊接机，机器采用了最新技术IC和可控硅组合起来的高精度电子设计，焊机手动控制开关经改造后用工控电脑通过继电器模块进行控制，为适合镍合金焊材保护气体改用氩氦混合气体（氩氦比例3：1），减少飞溅，提高焊缝质量。

3 焊接机器人控制系统软件设计
工控机操作系统采用Windows 2000，软件开发平台采用Borland C++ Builder6.0。

3.1 控制系统主要软件模块

控制软件主要模块包括：人机界面，电机运动控制，焊机控制，焊接轨迹规划，图形模拟显示，数据库存取，I/O操作，中断处理，状态监控及报警处理等。

电机运动控制：电机运动控制中，X轴、Y轴、O轴、W轴电机由GT-400-SG控制卡控制，Z轴电机由GT-200-SG控制卡控制，继电器模块控制此电机的制动器，防止因自重Z轴下滑。利用GT运动控制卡提供的C++语言函数库控制电机，包括向运动控制器发出运动控制指令，并通过该接口获取运动控制器的当前状态和相关控制参数。运动控制器完成插补查补运算，实时轨迹规划、脉冲输出控制、主机命令处理等工作。

焊接轨迹规划：运动轨迹规划的目的就在于根据焊接任务的要求，设定或指定完成该任务所需的运动轨迹 = 2 \* GB2 ⑵。本设计中轨迹规划分为理想轨迹规划和实际轨迹补偿规划两部分。理想轨迹规划：依据工件焊接边界三维模型，提取出焊缝曲线数据，并根据本焊接机空间结构将其转化为五轴插补运动数据，存入数据库。实际轨迹补偿规划：检测实际工件安装在夹具上之后特殊几点位置，依据位置偏差数据对理想轨迹数据进行补偿，得到每次焊接五轴插补运动的数据。

图形模拟显示：建立焊接机作业环境的空间模型，按轨迹规划所得数据库数据仿真运动过程，检查焊缝曲线的精确性。

I/O操作模块：包括手动操作盒，工件位置偏移检测传感器，以及继电器模块等。

图3 控制系统软件模块逻辑

4.安全机制及相应处理措施
机器人由于惯量比较大，一旦伺服系统出现失控，后果将非常严重，尤其是在焊接工业中，安全问题尤为重要。因此在设计中，对安全问题进行了充分的考虑，在软件上进行了相应的中断及报警处理设计，在硬件上进行了限位及紧急制动设计。另外焊接机四周还设计安装了防护罩,废气吸收装置等。

4.1 控制轴运动错误检测

对于闭环伺服控制，在某些情况下，比如电机故障，编码器错误，机械摩擦过大等原因，电机实际位置会与期望值相差过大。设计中运用运动控制器对轴运动出错监测的功能，设置控制轴位置误差极限值，当控制轴的实际位置误差超过设定极限值后，控制器状态寄存器运动出错标志位将置1，5轴运动全部停止，焊接机关闭。

4.2 控制轴驱动器报警处理

将伺服放大器的伺服报警输出ALM+、ALM-接到运动控制卡的专用驱动器报警输入，当控制器检测到伺服放大器报警时，控制器状态寄存器运动出错标志位将置1，机器人5轴运动全部停止，焊接机关闭。

4.3 专用报警处理线程和中断预处理

软件上使用了专门的报警处理线程，保证发生故障后软件不会因为处理报警而瘫痪，中断预处理措施是运动控制器能够向主机发出中断请求，使主机能及时对各控制轴运动过程中出现的时间做出处理，这比查询的方式更为方便有效。

4.4 机械紧急制动

控制柜上设有紧急制动按钮，可紧急切断电机电源使机器停止。机械结构上每轴均有正负限位开关，限定控制轴的运动范围。一旦触发限位开关后，机器停止，该轴只能朝相反的方向运动，以便回到安全的范围。

5. 运行测试及参数确定
硬件搭建和控制系统设计完成后，需要设定伺服放大器各项运动参数，使伺服单元与机械的特性相符，优化系统的稳定性，快速响应性，柔性等指标。确定相关的焊接工艺参数，减少焊接过程中的飞溅，提高焊缝质量。

首先使用安川伺服放大器的在线自动调谐功能设定用户常数。在线自动调谐过程中，伺服放大器对运行中的负载惯性动量的变动进行测量，使目标速度环增益或位置环增益保持一定的控制功能。然后对焊枪摆动电机伺服放大器的刚性进行调整，满足焊枪臂摆动时的柔性。

焊接工艺参数的确定，首先综合专家意见，在一系列电压、电流、送丝速度、焊枪高度和保护气体流量参数范围内，手工操作焊机进行焊接实验，然后用焊接机器人进行焊接，经X光探测验伤后，确定了不同焊接速度，不同堆高下电压、电流、送丝速度，焊枪高度和保护气体流量的适合参数。

经运行测试，机器人的运行安全平稳，焊接过程平稳，质量达到了要求。

6. 结束语
与焊接机械手加数控变位机的模式相比，该焊接机器人具有较高的经济性能。本机运行安全可靠，焊接过程平稳，质量稳定，已经得到了客户的检验。其开放性可以保证其进一步升级和改进的能力，可以轻松升级系统到六轴机器人。改造夹具后可以很容易的用于焊接其他类型的工件。

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