FANUC焊接机器人控制系统的结构与设计

FANUC焊接机器人控制系统的结构与设计摘要：本文对首先焊接机器人的概念及其结构做了介绍，并对其各个系统的功能进行描述。

重点分析了FANUC焊接机器人的控制系统的结构，最后阐述了该控制系统主要的硬件组成部分，即CPU，运动控制卡，伺服驱动器的设计思路。

关键词：控制系统、焊接机器人、硬件设计
1.FANUC焊接机器人简介
1.1 焊接机器人简介
焊接机器人是从事焊接的工业机器人[1]。

根据国际标准化组织(ISO)工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机(Manipulator)，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。

如图1所示，机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成。

这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统[2]。

图1 焊接机器人的基本组成
驱动系统的作用是给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，使机器人能够运行起来。

感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成,获取内部和外部环境状态中有意义的信息。

智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准．人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。

机器人一环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。

机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。

人一机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置：指令给定装置和信息显示装置。

控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。

如果机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。

根据控制
原理可分为程序控制系统，适应性控制系统和人工智能控制系统。

根据控制运动的形式可分为点位控制和连续轨迹控制。

由控制系统的功能可以看出，该系统是整个焊接机器人中最重要和核心的部分，本文仅介绍焊接机器人控制系统的结构及其设计思路。

而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由悍接电源、送丝机(弧焊)、焊枪(钳)等部分组成。

焊接机器人的应用不但可以改善劳动环境、减轻劳动强度、提高生产效率，稳定和保证焊接质量、节约原材料，而且能在空间站建设、核能设备维修、深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业。

同时，焊接机器人的应用也使多品种、小批量的自动化焊接生产成为可能。

1.2 FANUC焊接机器人简介
FANUC，是全球最多样化的FA（工厂自动化）、机器人和智能机械的制造商。

自1956年成立以来，公司始终是全球计算机数控设备发展的先驱，在自动化领域贡献突出。

上世纪70年代，FANUC成为世界上最大的专业数控系统生产厂家，占据了全球70%的市场份额。

2008年FANUC成为世界上最大的机器人生产厂商，在全球第一个突破20万台机器人。

目前已突破25万台，市场份额稳居第一[3]。

本文中介绍的焊接机器人选用的正是该品牌，如图2。

图2 FANUC焊接机器人实物图
FANUC焊接机器人主要应用在奇瑞公司乘用车一厂和乘用车三厂的焊装车间中，是奇瑞公司最早引进的焊接机器人，也是最先用到具有附加轴的焊接机器人。

其控制系统采用32位CPU控制，以提高机器人运动插补运算和坐标变换的运算速度；采用64位数字伺服驱动单元，同步控制6轴运动，运动精度大大提高，最多可控制21轴，进一步改善了机器人动态特性；支持离线编程技术，技术人员可通过离线编程软件设置参数，优化机器人运动程序；控制器内部结构相对集成化，这种集成方式具有结构简单、整机价格便宜且易维护保养等特点。

2.FANUC焊接机器人控制系统结构组成
如图3所示。

本论文所选用的结构中开发平台基于标准PC、硬件基于标准总线(如ISA、PCI、PC/104等)，网络连接使用以太网。

该结构主要由示教盒、PC、运动控制}、伺服放大器等构成[4]。

相互间接口简要分析如下：
(1)示教盒连接至PC，提供用户机器人操作的手持终端，示教盒主要完成键值采集和液晶屏显示控制功能。

示教盒采集键值后发送至PC机．PC机根据键值做相应处理；示教盒液晶屏显示控制功能则根据主机返同信息控制液晶屏做相应的信息显示。

(2)PC与运动控制卡之间通过总线或者双端RAM通讯。

运动控制悟进行闭环控制(位置、转速)，完成高实时性、高时钟精度的伺服计算功能，PC机则完成人机接口功能以及其他一些低实时性要求的计算任务，如：示教盒通讯、以太网通讯、轨迹规划、轨迹插补等。

PC和运动控制卡间以给定位置序列作为接13：PC发送给定位置序列至运动控制卡，运动控制卡完成匹配给定位置序列的闭环伺服控制。

(3)伺服放大器根据运动控制卡给定的控制量对电机进行相应伺服控制，如转速控制、力矩控制。

(4)PC机与以太网连接以实现机器人网络控制。

图3 控制系统结构示意图
3控制系统中硬件选择的设计思路
3.1控制系统上位控制计算机的选择
从第一台数控铣床出现后，随着电子技术、计算机技术以及伺服控制技术的发展，现代的数控系统在性能、功能、稳定性和处理速度方面都有很大的改善。

但现代制造业对加工精度、速度和适应市场能力的提高。

也导致了控制系统的软件功能复杂性以及硬件的更新能力提出了更高的要求。

在这种情况下，20世纪
90年代以来．出现了基于PC的新一代开放式数控。

由于PC(通用微机)发展很快，其性能不断增强，从8位、16位继而义推出了32位，加上PC生产批量大，价格低廉，从而使基于PC的新一代控制系统成为控制系统的主流和发展方向。

总体来看，采用PC作为机器人控制系统核心，其优越性主要表现在以下儿个方面：
(1)成本低。

PC硬件技术成熟、可靠性高、生产批量大、价格便宜。

(2)具有开放性。

PC总线是一种开放性总线，这使得系统体系结构具有开放性、模块化、可嵌入的特点。

开发人员和用户不但可以根据需要选择台适的软硬件模块，以最低的成本组成性能最佳系统，同时也可以采用晟新的计算机软硬件技术替代落后的PC，从而可以同步的提升机器人控制系统的性能。

(3)完备的软件开发环境和丰富的软件资源。

可以极大地减少数控系统开发费用，可以迅速高效地开发出功能强大的机器人控制软件，大大地降低软件开发费用和缩短开发周期。

(4)有利于加强机器人控制系统的性能口以往由于计算速度的限制，许多数控功能由硬件来实现，现在这些功能己经能用软件来实现，这一方面可以增强系统升级能力，另一方面有些不能实现的功能可以用软件方法来实现了。

(5)可以大大提高CNC系统的可扩展性、可维护性和易用性。

(6)良好的通讯功能。

成熟的PC通讯技术很容易实现机器人系统与其它计算机系统或自动化设备通讯。

基于以上分析以及稳定性的考虑．本课题选择了工业控制计算机作为控制系统的上位机。

具体采用的型号为如图2—4所示的华北科技5846L型PCI04总线工控机，其配置为：
主板：华北科技5846L 3．5寸主板
CPU：VIA C800M低功耗处理器
内存：笔记本内存144脚2561 SDRAM，最高支持512M SDRAM
IDE：支持双IDE设备，DMAl00
总线：16位PC/04接口
串口：RS232三个，Rs23/422/485一个
网卡：一个ETHENET接口，100/1M自适应，802.3
数字I/0：8个I，8个O
硬盘：80G
其他：看门狗，集成显卡、声卡，PS2鼠标、键盘，液晶显示器、CF扩展等。

3.2运动控制卡的选择
目前基于DSP的运动控制卡有很多，如Delta Tau Data Systems公司的PMAC 系列运动控制卡149—541：德国MOVTEC公司的DEC4T运动控制卡：深圳摩信公司的MCT8000系列运动控制卡1551：步进电机有限公司的MPCOI系列运动控制卡：Galil Motion Control公司研制的基于USB总线的运动控制器DMC-2000等很多不同科研单位和生产商开发的各种性能不同的运动控制卡。

但Delta Tau Data Systems公司的PMAC系列运动控制卡最具有代表性，因此．本课题中选择了PMAC2A-PC/104进行焊接机器人的运动控制。

下面将详述选择的理由。

PMAC2A—PC/104(Programmable Multi—Axes Controller)是美国Delta公司推出的遵循开放式系统结构标准的开放式可编程多轴运动控制器，是集运动轴控
制、PLC控制以及数据采集的多功能的运动控制产品，如图2-5所示，它采用Motolora DSP56311数字信号处理器作为CPU，利用DSP的强大运算功能实现1-8轴的实时。

在许多应用中，PMAC就是一台计算机，能够同时执行多个人物并能正确地进行优先级的排序，使它能够在处理时间和任务切换的复杂性这两个方面减轻主机的负担。

PMAC能应对多种硬件操作平台，能和主机以各种总线或串口方式通讯，适用于所有电机，对不同电价可以提供相信的控制信号。

它在硬件结构的开放性主要表现在：
(1)PMAC适应多种硬件操作平台，可以在I删及其兼容机上运行，在WIN95/98/2000及Linux下开发；允许同一控制软件在PC、STI)、VME、PCI、104总线上运行。

(2) 可以适用于各种电机。

包括普通的交流电动机，直流电动机，交、直流伺服电动机，
直线电机，步进电机及液压马达等：能廉沽模拟和数组的伺服驱动器。

(3) 可以与不同的检测元件连接，如测速发电机、光栅、旋转变压激光干涉仪、光电编码器等。

(4) PMAC的大部分地址向用户开放，包括电机、坐标系的所有信息及各种保护信息等。

(5) 每一块PMAC卡能控制8根轴，晟多可以有16块PMAC卡完全同步的级联到一起控制128根轴。

软件结构的开放性表现在：
(1) 支持各种高级语言。

PMAC提供16位、32位的Dll及ActiveX控件pTALK，用户可以采用C++，VB．VC．Delphi进行软件开发。

(2)PLC功能的开放。

内置式软件化PLC，可将I/O扩展到1024/124点，可编制64个一步PLC程序。

(3) 机床语言的开放。

PMAC用户支持调用县城的直线、圆弧、样条、PVT 三次曲线等插补模式，同时支持标准的RS274代码，用户还可以自定义G、M、T、D、5代码，实现特定功能。

目前，采用PMAC的开放式数控系统是很先进的技术，但是该系统的核心部分运动控制和伺服控制然要依赖于PMAC．还未能达到整个产品的硬件通用化。

综合设计成本，开发时间，难度及功能性方面的考虑最终决定采用PMAC2A —PCI04运动控制卡套件。

此套件为一三卡叠加系统，分别为：基卡，轴扩展卡(ACC-1P)，通讯卡(ACC-2P)。

另外，在PMAC附件中选购了24伏I/O卡一块。

其具体器件如下：
(1)基卡一块
·80MHZ DSP5631l CPU
·128k*24 SRAM用户内存
·512*8闪存
·8位并行PC/104主机接口
·4通道轴接口电路
·RS-232通讯口
·扩展伺服算法(零极点形式)
(2)轴扩展卡(ACC一1P)一块
·4通道轴接口电路，每一通道包括：
·12位+/-l0V模拟量输出
·3相编码信号输入
·脉冲、方向匹配输出
·5个输入标志，2个输出标志
·JTHW多路复用接口
·JOPT 8输入/8输出I/0
(3)通讯卡(ACC-2P)一块
·8K×16双端RAM
·10M以太网口
·JTHW多路复用接口
(4)24伏I/0卡(ACC一34AA)一块
·24伏32输入/32输出I/O
·JTHW接口
·光电隔离
3.3机器人伺服驱动器系统的选择
从工业机器人驱动技术的发展历史以及不同的应用场合来看，驱动源主要有电气式和油压式两类。

油压系统需要油箱、油管泵站等供油系统，体积大。

此外还有噪声、漏油等问题。

电气式伺服驱动容易获得能量来源，干净无污染、容易调控相变换，具有特别好的控制灵活性。

随着微电子技术、电力电子技术和特种电动机材料技术的进步．使电气式伺服驱动方式得到了越来越广泛助应用。

在电气伺服驱动方式中，常用的有步进电动机驱动、直流伺服电动机驱动和交流伺服电动机驱动以及直接驱动电机驱动。

直流伺服电动机存在着机械换向机构，需要较多的维护。

直接驱动电机是最新发展的机器人驱动电机，这种电机有大于1万的调速比，在低速下仍能输出稳定的功率和高的动态品质，在机械手上可以直接驱动关节，取消了减速机构，不但简化了机构、提高了效率．更重要的是可以消除由减速机构带来的传动误差，是机器人发展的新方向。

但目前还没有得到广泛的应用。

而交流伺服电机采用了全封闭无刷结构。

适应实际生产环境．不需定期检奄和维修。

并且电动机本身结构简单，坚固耐用．体积小，重茸轻。

所以交流伺服电机在工业机器人的控制中占据了主导地位。

基于以上分析，本课题选用了松下MINAS A4系列高性能伺服电机，其驱动器可满足从50W到50kW的各种容量要求。

此系列电机采用高性能CPU，高达1KHZ的速度响应频率，实现运转电机的高速化并大幅缩短了生产(间隔)时间。

此系列电机标准对应全闭环控制并具备自动调谐功能。

产品系列标配2500P/R增量编码器规格和高分辨率17位绝对式/增量式通用编码器规格的电机．根据对应驱动机器人不同的6个轴共选用6套电机设备详情如下：
(1)MCDDT3520交流伺服放大器四个，用于机器人3、4、5、6轴的伺服驱动，电压规格三相200V。

(2)MEDDTA390交流伺服放大器一个，用于机器人2轴的伺服驱动，电压规格三相200V。

(3)MDDDT5540交流伺服放大器一个,用于机器人1轴的伺服驱动，电压规格三相200V。

(4)MSMD小惯量交流伺服电机四个用于控制机器人3、4、5、6轴，17位绝对式/增量式通用位置码盘。

(5)MDMA中惯量交流伺服电机二个用于控制机器人1、2轴，17位绝对式/增量式通用位置码盘。

4.总结
本文通过对焊接机器人内部构造的介绍，突出控制系统的重要作用，选取FANUC焊接机器人，重点对其控制系统的硬件组成进行分析，最后从成本，开发时间，难度及功能性等方面，分别对主要硬件CPU，运动控制卡，伺服驱动器的设计思路进行介绍。

参考文献
1.林尚扬，陈善本，李成桐编著．焊接机器人及其应用[M]．机械工业出版社，2000，7
2.开生，张慧慧，费仁元等．机器人控制体系结构研究的现状和发展[J]．机器人，2000，(5):235—240
3.贾培发，赵雁南．开放式机器人控制器软件体系结构研究进展[J]．高技术通讯，2003，(1)：100-105
4.潘炼东，黄心汉．基于PMAC的机器人控制器设计[J]．华中理工大学学报，2000,(4)：69-71。