引言 焊接是機械制造工業(yè)的基本生產(chǎn)手段之一，提高焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性是至關(guān)重要的。限于經(jīng)濟和技術(shù)的原因，我國的焊接生產(chǎn)作業(yè)基本還是手工操作。采用手工操作，不僅焊接工作量大，焊接生產(chǎn)率低，焊接質(zhì)量波動大；而且工作環(huán)境惡劣，勞動條件差，勞動強度大。焊接過程中的電弧、噪音，煙塵直 接危害工人的身體健康。隨著我國加入WTO與國際接軌，在工業(yè)企業(yè)內(nèi)正大力推行“健康、安全、環(huán)保”即“HSE”管理，改善工人在焊接中的工作環(huán)境是非常迫切的。而采用自動焊接技術(shù)，是改變上述狀況的唯一途徑。 工業(yè)機器人作為人類肢體的外延，它能在生產(chǎn)人員無法操作的環(huán)境下，不知疲倦地從事艱苦的、繁重的勞動，使生產(chǎn)工人擺脫危險、有害的工作環(huán)境，減輕生產(chǎn)工人的勞動強度[1]，是代替工人進行焊接操作的最佳自動化工具。通用型弧焊機器人由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)組成如圖 1所示。目前，通用型弧焊機器人的廣泛使用還受到一定的限制：通用型弧焊機器人價格昂貴，一次性投資風(fēng)險大；結(jié)構(gòu)為分體結(jié)構(gòu)，體積大、重量重、不便于靈活移動，適于在流水生產(chǎn)作業(yè)線固定焊接工位上使用；控制程序開發(fā)方式多采用示教編程或機器人語言編程，由于我國生產(chǎn)工人的知識結(jié)構(gòu)所限，還不足以掌握以示教編程或機器人語言編程開發(fā)控制程序。 [align=center] 圖1 通用型弧焊機器人[/align] 通用型弧焊機器人的價格、結(jié)構(gòu)和控制程序的開發(fā)方式，在很大程度上制約了通用型弧焊機器人的應(yīng)用和推廣。因此，在我國目前條件下，能否在非固定焊接工位或野外焊接中使用弧焊機器人，是一個值得探索的課題。筆者認(rèn)為：利用機電一體化技術(shù)與計算機硬件、軟件相結(jié)合，開發(fā)價格便宜，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、便于靈活移動的便攜式弧焊機器人；以圖形仿真方式開發(fā)控制軟件，簡化控制軟件開發(fā)方式，是可以在非固定焊接工位或野外焊接中使用弧焊機器人的。本文介紹的便攜式弧焊機器人，以MC68HC908GP32 微處理器為核心，以固化的控制軟件，控制便攜式弧焊機器人完成焊接生產(chǎn)作業(yè)，為弧焊機器人的應(yīng)用和推廣，提供了有價值的參考。本文對便攜式弧焊機器人的機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)硬件、控制軟件開發(fā)等幾個關(guān)鍵技術(shù)問題作了簡要介紹。 1、便攜式弧焊機器人機械硬件 弧焊機器人應(yīng)用的最大特點是：以控制軟件的改變，取代復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)的改變，使弧焊機器人完成弧焊生產(chǎn)作業(yè)柔性化。因此，按照柔性制造的觀點，將弧焊機器人的硬件——大臂、小臂、手腕、機身連同控制的電氣硬件，以及機器人控制器都設(shè)計、制造為機電一體功能模塊結(jié)構(gòu)[2]。弧焊機器人使用用戶根據(jù)企業(yè)完成具體的焊接生產(chǎn)作業(yè)的需要，購買弧焊機器人機電一體功能模塊，組裝成專用的便攜式弧焊機器人，避免了冗余自由度，使得便攜式弧焊機器人結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、價格便宜，便于靈活移動。圖2是采用機電一體化功能模塊組裝的便攜式弧焊機器人樣機。 [align=center] 圖 2 便攜式弧焊機器人樣機[/align] 2 、便攜式弧焊機器人控制硬件 為適應(yīng)采用機電一體化功能模塊，以搭“積木”的方式組裝成各種便攜式弧焊機器人，便攜式弧焊機器人控制硬件采用微處理器為控制核心，很顯然，為適應(yīng)增、減機電一體模塊擴展便攜式弧焊機器人功能的需要，控制系統(tǒng)硬件必需具有可擴展性，這包括： a、微處理器提供較多的I/O端口，不擴展可編程輸入輸出接口，就能“掛接”多個臂體模塊，同時驅(qū)動多個臂體模塊，并預(yù)留I/O端口，便于便攜式機器人功能擴展（擴展成便攜式檢測機器人等） b、機電一體化臂體功能模塊的伺服系統(tǒng)嵌入在臂體內(nèi)，微處理器必需具有大容量的片內(nèi)Flash存儲器和RAM，可以不外擴展存儲器，以利縮小伺服系統(tǒng)的體積。 便攜式弧焊機器人控制系統(tǒng)核心MC68HC908GP32 微處理器芯片可組成5個I/O端口，用3個端口對3個臂體模塊進行控制，一個I/O端口控制手腕直流電機，一個I/O端口控制手腕步進電機。 3 、便攜式弧焊機器人控制原理 焊接生產(chǎn)中，通過路徑規(guī)劃，弧焊機器人完成焊接生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)多數(shù)是按順序進行的，而且完成弧焊生產(chǎn)作業(yè)的運動軌跡一般是已知的，或者運動軌跡可分解為多種單一運動軌跡的組合，可以通過對各單一運動軌跡控制而合成給定的運動軌跡。因此，可以通過建立數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)方法求解弧焊機器人運動逆解，把弧焊機器人完成焊接生產(chǎn)作業(yè)的運動和路徑，轉(zhuǎn)化為“預(yù)定”的軌跡和姿態(tài)，以離線編程方式開發(fā)出控制程序，控制弧焊機器人運動時再作實時補償。這樣的控制方式，避免了通用型弧焊機器人采用實時采樣、實時計算對計算機性能的高要求，使得可以采用低成本控制系統(tǒng)控制弧焊機器人，使弧焊機器人價格大幅度下降。 采用機電一體化的臂體功能模塊，以搭“積木”方式組裝的便攜式機器人，完成焊接生產(chǎn)作業(yè)時，對焊接工具的位置和姿態(tài)的控制，其實質(zhì)上就是對步進電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動速度的協(xié)調(diào)控制，由步進電機基本原理和公式： θ＝360/Z 式中：θ-步距角 Z-步進電機轉(zhuǎn)子齒數(shù) 可知，每輸入一個驅(qū)動脈沖，電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量，因此： a、步進電機轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)角度與輸入的脈沖數(shù)成正比； b、步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速決定于輸入脈沖的頻率。 步進電機能將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，它本身所特有的高精度、無漂移、無累計誤差等優(yōu)點，使它成為電機一體化產(chǎn)品中，唯一能使用開環(huán)控制技術(shù)的伺服和執(zhí)行元件。很顯然，對便攜式弧焊機器人的運動控制，就是對步進電機輸入脈沖數(shù)量和脈沖頻率的協(xié)調(diào)控制。 4 、便攜式機器人控制軟件開發(fā) 機器人控制軟件的開發(fā)方式，直接制約著機器人的應(yīng)用和推廣，快速、簡便的開發(fā)方式不僅促進機器人的應(yīng)用和推廣，而且直接決定機器人完成生產(chǎn)作業(yè)的柔性。便攜式弧焊機器人是面向生產(chǎn)工人作為智能工具使用，必須簡化控制軟件開發(fā)方法。 為滿足實時控制的要求，采用匯編語言編程；為適應(yīng)便攜式弧焊機器人結(jié)構(gòu)改變或生產(chǎn)作業(yè)工藝改進后，快速開發(fā)控制程序的需要，以Visual Basic語言開發(fā)了“便攜式機器人CAD系統(tǒng)”軟件，使控制軟件的開發(fā)在“便攜式機器人CAD系統(tǒng)”支持下進行[3]，開發(fā)界面如圖 3所示。 [align=center] 圖 3 控制程序開發(fā)界面[/align] 在可視化的人機界面輸入各功能模塊的有關(guān)參數(shù)，反復(fù)調(diào)用各級菜單，優(yōu)化弧焊機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)；直觀地觀察、比較機器人仿真圖形和計算的各類數(shù)據(jù)；以圖形仿真方式，仿真弧焊機器人的生產(chǎn)作業(yè)運動和軌跡，在圖形仿真的同時自動完成控制程序設(shè)計，下載到機器人控制器內(nèi)，以此簡化控制程序的開發(fā)。在“便攜式機器人CAD系統(tǒng)”支持下開發(fā)控制程序，只需用鼠標(biāo)點擊相應(yīng)的菜單，而所有涉及機器人插補算法、逆向運動學(xué)算法等機器人專業(yè)知識和技術(shù)，都由“便攜式機器人CAD系統(tǒng)”軟件處理。這種圖形仿真開發(fā)控制軟件的方式，使便攜式弧焊機器人能適應(yīng)多種焊接生產(chǎn)作業(yè)，使焊接生產(chǎn)作業(yè)柔性化。以圖形仿真方式開發(fā)控制軟件，就如同使用Windows圖形界面操作微型計算機一樣，使不熟悉機器人硬件的人，可以迅速、簡便地開發(fā)出機器人控制軟件，促進機器人的應(yīng)用和推廣。 便攜式弧焊機器人控制系統(tǒng)上電復(fù)位后，固化的控制軟件開始運行，系統(tǒng)初始化后： a、控制軟件讀取大臂、小臂、手腕的轉(zhuǎn)動角度值，計算后調(diào)用步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速子程序，向相應(yīng)I/O端口輸出連續(xù)的系列脈沖信號，控制大臂、小臂、手腕轉(zhuǎn)動； b、控制軟件讀入采集的標(biāo)征作業(yè)狀態(tài)的數(shù)值，并將數(shù)值與從指定地址讀取的目標(biāo)值進行比較，依據(jù)差值調(diào)用大臂、小臂、手腕位置、姿態(tài)補償子程序，對大臂、小臂、手腕的轉(zhuǎn)動進行補償； c、由于外界干擾，便攜式弧焊機器人的焊接工具偏離或遠離預(yù)定軌跡時，控制軟件讀入采集的標(biāo)征作業(yè)狀態(tài)的數(shù)值，并將數(shù)值與從指定地址讀取的目標(biāo)值進行比較，依據(jù)差值調(diào)用大臂、小臂、手腕加、減速補償子程序，對大臂、小臂、手腕進行加減速補償。 5 、結(jié)束語 依托MC68HC908GP32 微處理器芯片的高性能，開發(fā)了價格便宜，體積小、重量輕、便于靈活移動，控制軟件開發(fā)簡便的便攜式弧焊機器人。通過樣機實驗表明，便攜式弧焊機器人的運動功能和控制精度，滿足了電弧焊自動焊接要求。而該機結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，便于攜帶和靈活移動，一機多用，具有可開發(fā)性，開發(fā)控制軟件簡便，且生產(chǎn)成本低廉，實質(zhì)上使該機成了一個靈巧的自動焊接工具。在操作工人的操作下進行焊接機型功能組合，控制程序開發(fā)，自動焊接前定位“清零”等工作。使該機只是代替人去完成繁重的、有害的焊接操作，去提高焊接質(zhì)量，而不是完全代替人的勞動。在我國這樣一個人口眾多的國家，降低生產(chǎn)作業(yè)勞動強度，提高生產(chǎn)作業(yè)工作質(zhì)量，是實施自動化的宗旨，也是開發(fā)便攜式弧焊機器人的指導(dǎo)思想。 參 考 文 獻 1、高德林、王康華，機器人學(xué)導(dǎo)論[M]，上海交通大學(xué)出版社，1988，3-6 2、陳 炯，一種關(guān)節(jié)型弧焊機器人[P]，中國專利，專利號：ZL 99115114.3，2004 3、陳 炯，一種便攜式機器人仿真開發(fā)器[P]，中國專利，申請?zhí)枺篫L 01107364.0，2001 作者簡介：陳 炯，（1951-） 男，四川油氣田建設(shè)工程總公司高級工程師，從事微型機器人研究、設(shè)計。