焊接機器人是在工業機器人基礎上發展起來的先進焊接設備，由于焊接過程中，工件有加工誤差、熱變形、定位誤差等各種影響因素，導致焊接質量下降，為保證焊接的可靠性，必須要進行焊縫的自動跟蹤。核心是開發離性能的傳感器和有效的控制方法，近年來，CCO傳感器和旋轉電弧傳感器已成為兩大主流傳感器;模糊控制和及其與神經網絡、PIO結合的智能控制方法已成為主要的控制方法。

本文介紹適用于大型水平工件(包括小坡度工件)焊接的輪式爬行機器人的構成及相關的控制方法。

1、焊接機器人的系統構成

1.1硬件構成

機器人系統由小車軍體、控制系統、信號采集及檢測電路、交直流電源四部份組成，配上直流弧焊電源、送絲機和保護氣體后就組成了一個完整的焊接機器人系統。

機器人本體包括移動小車、十字滑塊及相應的電機。機器人本體是一個基于汽車原理的運動機構，同時承擔負重功能。二個前輪由步進電機驅動，負責轉向:二個后輪由交流伺服電機驅動，提供整個系統前進的動力;十字滑塊曲直流伺服電機驅動且配有限位開關。線性滑軌和滾珠絲桿完成垂直方向和水平方向的精確運動，可元級調速，有一定的負重能力和越位保護功能，能夠承載20kg的重量，能帶著焊槍快速移動，最高速度大于100mm/s同時十字滑快的行程大于60mm，從而保證整個系統在相當區域內有良好的動態響應。

控制系統由研祥EVOC工業控制計算機、GT-400-SVPCI運動控制卡、maxon直流伺服電機控制器、松下交流伺服電機控制器MSOA043A1A、美國IM483混合式步進電機控制器，恒速旋轉控制卡、送絲控制繼電器組成。研祥工控機為Pentium N2.4.512M內存，基于PICMG總線的卡式計算機，其內裝有AC1820AA/D高速數據采集卡和GT_400_sv_PCI運動控制卡。

信號采集系統及控制接口電路，ISA總線的C1820AA/D采集卡、YOH-HTD-7-300A霍爾電流傳感器組成。

控制電源及變壓器:包括直流5V、12V和交流24V幾個電壓等級。

機器人小車、十字滑塊及各控制卡在工控機的統一協調下，構成一個有機整體，實物見圖1。

圖1 機器人

焊接電源和信號的檢測及相關的控制部件組成電弧傳感系統，包括焊炬、直流焊接電源、霍爾電流傳感器、AID采樣器件、濾波和轉速控制電路。它是整個系統的關鍵，完成測位、旋轉伺服控制和電流采樣的功能。為了確定焊炬旋轉時所處的位置及旋轉速度，在旋轉電機中裝有一個同鈾的光電碼盤，其外圈有64個矩形槽、內圈有1個矩形槽，當電機運轉時，矩形槽交替地阻擋和允許從光電管中的發光管通往光敏接受管的光路，光敏管輸出脈沖信號，反映旋轉的瞬時位置，用作AID采樣的觸發脈沖。

旋轉電機的控制一般采用PWM方式，具體的實現分為數字式和模擬式兩種。通過OSP進行數字處理，計算出相應的控制量后輸出到OAC7625，A/D轉換的結果經過隔離放大后控制PWM模塊SG3525，這是一種數字式的控制方法，此外也有采用單片機的HSO或EPA的高速輸出功能，通過驅動及光電隔離電路完成電壓等級的轉換后對電機進行轉速控制。

我們采用的是圖2所示的模擬電路的方法，原理是:焊炬旋轉的速度信號經隔離放大后，送入LM2907進行頻率/電壓轉換，其輸出為一個與轉速相對應的鋸齒波。此信號和調速旋鈕來的設定值分別輸入放大器的負、正輸入端，輸出的是PWM電壓，實現對場效應管IRE540的控制。

1.2焊縫跟蹤的實現

旋轉電弧傳感器將一周的焊炬運動離散為64個點，經過霍爾傳感器的采集之后送給島。轉換器件以提取各個點處的電流值。對這些電流值的分析得到當前焊槍下的焊道的信息。當焊縫的左右偏差和高低變化的數值計算出來后，通過固高公司的四軸運動控制器來控制小車車體和十字滑塊的協調運動，運動控制器的核心是ADSP2181數字信號處理器，實現高性能的控制計算，包括實時軌跡規劃、位置、速度或加速度控制、主機命令處理和本身的I/O管理，實現焊縫的精確跟蹤。

2、控制設計

2.1控制方法

整個控制系統采用模糊控制、PI控制、bang-bang控制相結合的方法:設置二個不同的閥值，在誤差超過大闕值時用bang-bang控制;小于大闊值而大于小闕值時用FUZZY，在誤差接近O時采用PI方法，加入積分以最終消除誤差。

2.1.1模糊控制

當小于大闕值而大于小闕值的時候，我們采用模糊控制，取偏差e和偏差的變化ec作為模糊控制的輸入量，經模糊推理后得到輸出的控制量。

根據模糊控制規則表，制定出合適的論域，然后我們就可以用重心法解模糊求出控制量U。

2.1.2PI控制

當系統的偏差很小時采用PI控制，取偏差e做為輸入量，則根據PI控制算法得到控制量U，控制量U的計算公式如下:

2.1.3bang-bang控制

當系統的偏差很大時采用bang-bang控制，取偏差e和偏差的變化ec做為輸入量，根據bang-bang控制的算法，我們可以得到控制量U。

2.2控制器設計

2.2.1控制策略

由上述的測試數據可知:小車的反應速度較慢，所以主要靠十字滑塊來進行焊縫的精確、快速跟蹤，而利用小車進行彎曲的焊縫跟蹤。根據引言中的分析，整個控制系統采用模糊控制、PI控制、bang-bang控制相結合的方法:設置二個不同的闕值，在誤差超過大闕值時用bang-bang控制;小于大闕值而大于小闕值時用FUZZY，在誤差接近O時采用PI方法，加入積分以最終消除誤差。流程圖如圖3。

圖3 焊接主程序流程圖

2.2.2控制器結構

3、結束語

設計了FUZZY、FUZZY-P及FUZZY-PI等多種控制方法，在水平直線V字焊縫，Z型V字焊縫上進行了多次試驗。旋轉電弧傳感器能夠較好地進行彎曲焊縫的跟蹤，試驗說明了此類機器人工作是可靠、靈活的，有較好的應用前景。