陳云志+葛海江

摘 要： 研究了一種全圖形示教系統(tǒng)的焊錫機器人，對系統(tǒng)中的多軸聯(lián)動運動控制技術(shù)、焊咀運行軌跡控制算法技術(shù)與路徑優(yōu)化設(shè)計、焊錫機器人的控制集成一體化軟硬件平臺開發(fā)、交互式通訊可程控溫控系統(tǒng)的開發(fā)和嵌入式圖形示教系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)和充分的論證研究。通過這些研究，為焊錫機器人的成功應(yīng)用提供了可借鑒的理論和實踐的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 全圖形示教； 焊錫機器人； 多軸聯(lián)動運動控制； 焊咀運行軌跡控制； 可程控溫控

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）06-05-03

Research on the key technologies of soldering robot with full graphics teaching system

Chen Yunzhi， Ge Haijiang

（Hangzhou Vocational & Technical College， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： A soldering robot with graphics teaching system is studied in this paper， the multi-axis linkage motion control technology， the soldering tip trajectory control algorithm and path optimization design， the development of integrated hardware and software platform for soldering robot control， the development of interactive programmable temperature control system and the embedded full graphics teaching system， and the other key technologies of the system are studied with a detailed and sufficient discussion. It provides the theoretical and practical basis for the successful application of soldering robot.

Key words： full graphics teaching system； soldering robot； multi-axis linkage motion control； soldering tip trajectory control； programmable temperature control

0 引言

國際勞工組織和美國電子工業(yè)健康安全小組對加尼福尼亞著名的“硅谷”的調(diào)查材料表明， 在電子工業(yè)中，有70%廠家的工人，正受到焊錫、助焊劑蒸汽以及各種化學(xué)劑的危害。焊工們每天皮膚直接接觸含鉛的焊錫材料，吸入大量的助焊劑蒸汽。這些蒸汽中含有錫、鉛、錮、砷、銀、鋅等金屬，吸入后會引起貧血、消化不良等癥狀，使心、肺及生殖器官受損；松香和焊油蒸汽會損害人的皮膚等系統(tǒng)；同時在生產(chǎn)流水線上的緊張、單調(diào)、重復(fù)動作，還會影響人的精神和心理健康。據(jù)調(diào)查，受到電子行業(yè)職業(yè)性危害因素影響的工人中，視力受損者達(dá)56%；接觸化學(xué)劑的工人中也約有50%的人患有視力疲勞、頭痛、頭昏、皮膚過敏等癥狀[1]。目前國內(nèi)大部分企業(yè)仍采用有鉛錫絲進(jìn)行焊錫，一線作業(yè)人員通過對有鉛錫材的直接接觸、焊錫過程中產(chǎn)生的煙塵等有毒有害物質(zhì)，將對一線作業(yè)人員的身體健康造成很大損害。根據(jù)研究表明，在我國工業(yè)生產(chǎn)鉛接觸的行業(yè)中（鉛冶煉、蓄電池、油漆、焊錫、印刷等），電子行業(yè)的手工焊錫工人手部鉛污染最為嚴(yán)重，甚至還出現(xiàn)焊錫作業(yè)工人亞急性鉛中毒的案例。

隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工焊接已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)對焊接質(zhì)量、工作效率的要求，科學(xué)的進(jìn)步為自動焊錫機的產(chǎn)生與應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文研究的全圖形示教系統(tǒng)的焊錫機器人關(guān)鍵技術(shù)，將為焊錫機器人的自動化設(shè)備研制提供一定的理論和實踐基礎(chǔ)。焊錫機器人的成功應(yīng)用將有效避免人為因素的干擾，保證焊接產(chǎn)品的穩(wěn)定性，提高焊接產(chǎn)品的質(zhì)量，保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性；同時可以改善勞動條件，減少一線焊錫作業(yè)人員與有毒有害物質(zhì)的直接接觸，有效防研究、治職業(yè)病危害，降低對工人焊接技術(shù)的要求；開發(fā)的全圖形操作系統(tǒng)，易于讓一線作業(yè)人員接受，改善傳統(tǒng)的工作方式，提高生產(chǎn)率。

1 全圖形示教系統(tǒng)的整體研究設(shè)計

本文研究目的是實現(xiàn)焊錫機器人替代人工焊錫。研究內(nèi)容主要包括多軸聯(lián)動運動控制技術(shù)、焊咀運行軌跡控制算法技術(shù)與路徑優(yōu)化設(shè)計的焊錫機器人的控制集成一體化軟硬件平臺開發(fā)、交互式通訊可程控溫控系統(tǒng)的開發(fā)和嵌入式圖形示教系統(tǒng)的研究等。針對各個模塊的研究分析，攻克技術(shù)難點，完成全圖形示教系統(tǒng)的焊錫機器人開發(fā)，并將機器人焊接技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用推廣，助力企業(yè)突破瓶頸，解放一線焊錫作業(yè)人員，避免有毒有害物質(zhì)對人體造成的損害。

2 焊錫機器人關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 多軸聯(lián)動運動控制技術(shù)研究

將DSP應(yīng)用于運動控制器中，充分利用其信息處理速度快、運算精度高和兼容性好的優(yōu)勢來滿足控制系統(tǒng)的多功能性要求也成為一種必然的趨勢[2]。該控制方案能夠運用DSP實現(xiàn)復(fù)雜的算法，進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)具備速度快、精度高、通用性好等高性能。根據(jù)現(xiàn)有X、Y、Z的三個空間坐標(biāo)位置外，還增加了一個可以自由旋轉(zhuǎn)的運動軸，稱之為R軸，能實現(xiàn)360?自由旋轉(zhuǎn)，更進(jìn)一步模仿人手的靈活性，大大提高機器人焊錫作業(yè)的靈活度，減少運動位置的局限性[3]，可以讓智能焊錫機器人適應(yīng)更多產(chǎn)品。針對多軸聯(lián)動運動控制技術(shù)研究，可以實現(xiàn)多個焊錫工藝動作的同步完成，具體的運動控制系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 焊咀運行軌跡控制算法技術(shù)研究

針對不同焊接工藝要求，需要專門對機器人焊咀運行軌跡進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)而將運行路徑優(yōu)化。一個焊接動作可以分解成幾個不同的步驟，每個步驟可以有各自不同的位置和獨特的焊錫參數(shù)，然后將幾個步驟組合起來便可以完成一個焊接動作。焊錫機器人的焊接動作可以分成兩大類，一類是針對一個個獨立的焊接點，另一類是針對有序排列的焊盤情況相同的焊點序列。以點焊與拖焊兩種焊接工藝方法為例，如圖2和圖3所示。

2.3 焊錫機器人的控制集成一體化軟硬件平臺開發(fā)

利用高速數(shù)字處理器（DSP）、智能功率驅(qū)動模塊（IPM），構(gòu)建整體焊錫機器人智能運動控制硬件平臺[4]，指令運行速度達(dá)到10ns。在設(shè)計中充分研究數(shù)字化傳感技術(shù)（速度檢測、位置檢測、操作指令等）、低功耗電路、人機接口通訊技術(shù)、不易揮發(fā)的存儲器（EEPROM）等相關(guān)技術(shù)，保證系統(tǒng)的高可靠性和易用性。以示教盒為核心的上位機的主要功能為信息采集、程序控制、參數(shù)設(shè)置和交互輸出等。而作為下位機的運動控制器則是控制系統(tǒng)的核心部分，主要功能為接收上位機發(fā)送的指令并進(jìn)行分析處理，進(jìn)而完成控制系統(tǒng)中對實時性要求較高的位置控制、插補運算和輸入/輸出信號控制等具體的運動控制功能和算法，并且為電機驅(qū)動器提供脈沖量和模擬量接口，同時也向上位機實時反饋系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息。

在嵌入式硬件平臺的技術(shù)上建立軟件開發(fā)平臺，完成數(shù)字化高速信號采集、數(shù)字化通信、算法編程等功能的實時多任務(wù)操作的一體化軟件平臺[5]，系統(tǒng)采用模塊化編程，提高系統(tǒng)軟件的可移植性和通用性。主要的軟件模塊包括：①信號數(shù)字化處理，包括位置、速度、工作電流、操作指令等；②釬焊速度控制算法和參數(shù)自適應(yīng)；③基于模型的位置規(guī)劃和控制算法；④人機接口通信模塊，根據(jù)操作操作指令實施不同模式的運動控制；⑤基于PWM組的數(shù)字化控制空間狀態(tài)輸出驅(qū)動算法。焊錫機機器人控制系統(tǒng)軟件是一個復(fù)雜的多任務(wù)實時軟件，為了降低軟件開發(fā)的難度，應(yīng)當(dāng)運用正確的軟件開發(fā)方法，這樣才能夠便捷地進(jìn)行軟件開發(fā)，并且使得開發(fā)出來的系統(tǒng)軟件能夠具備較高的可靠性、較好的易維護(hù)性和較強的可擴展性，提高系統(tǒng)的開放性。

2.4 交互式通訊可程控溫控系統(tǒng)的開發(fā)

在焊錫作業(yè)中，焊錫溫度至關(guān)重要，較小的溫度波動即會影響產(chǎn)品的焊接效果，開發(fā)一種與運動控制平臺可通訊的溫度控制模塊，運用創(chuàng)新的PID控制算法[6]，使得運動控制平臺與溫控模塊完成交互式通訊，實時監(jiān)控發(fā)熱模塊的狀態(tài)，并能根據(jù)焊錫機器人具體工作狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整，從而使溫度模塊的功率、溫度等參數(shù)得到有效調(diào)整，迅速補償焊接過程中所掉失的溫度，充分解決回溫慢的難題。①在設(shè)有內(nèi)部存儲有每步焊接溫度的預(yù)設(shè)值以及控制執(zhí)行焊接操作的中央控制器；②分別與中央控制器、溫度采集器和頭部相連，且能將每步實際焊接溫度與每步焊接溫度預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，從而實時調(diào)節(jié)每步實際焊接溫度的溫差調(diào)節(jié)器；③提前加熱控制器，分別與中央控制器和頭部相連，且當(dāng)中央控制器控制頭部執(zhí)行焊接操作時能利用兩次焊接操作之間的間歇時間預(yù)先控制，使焊接溫度達(dá)到下一次焊接溫度預(yù)設(shè)值，來實現(xiàn)焊錫機器人溫度模塊的智能調(diào)節(jié)。當(dāng)要進(jìn)行焊錫作業(yè)時，智能溫控模塊先通過溫差調(diào)節(jié)器將溫度采集器采集到的頭部執(zhí)行機構(gòu)每步實際焊接溫度與存儲在中央控制器內(nèi)的每步焊接溫度預(yù)設(shè)值進(jìn)行對應(yīng)比較，進(jìn)行實時調(diào)節(jié)實際焊接溫度；然后當(dāng)中央控制器控制頭部執(zhí)行焊接操作時，提前加熱控制器利用兩次焊接操作之間的間歇時間進(jìn)行溫度預(yù)先加熱，使焊錫溫度迅速達(dá)到下一步焊接動作的設(shè)定值。

2.5 嵌入式圖形示教系統(tǒng)的研發(fā)

基于焊錫機器人項目的研發(fā)目的，通過分析工廠中應(yīng)用需求分析，示教系統(tǒng)實現(xiàn)以下功能。①示教指令編輯功能；②示教任務(wù)管理功能，完成示教文件的新建、編輯、刪除、備份等功能；③手動運動控制；④系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，機器人應(yīng)用環(huán)境很復(fù)雜，需要更改參數(shù)，完成數(shù)據(jù)更改功能；⑤幫助和提示功能，應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的友好界面，加入分析用戶當(dāng)前操作和輔助用戶正確操作，表現(xiàn)界面友好功能；⑥用戶權(quán)限設(shè)定，在用戶登錄過程中需要驗證用戶的身份，并且顯示機器人使用者當(dāng)前權(quán)限等信息。

嵌入式圖形示教系統(tǒng)運用于控制器前端的示教控制盒，通過通訊模塊進(jìn)行指令傳送，實現(xiàn)示教系統(tǒng)對機器人的控制，它是獨立于機器人主操作系統(tǒng)的控制裝置。通過自主研發(fā)，拋棄笨拙的文本和鍵盤的編程調(diào)試方式，采用大屏幕全觸摸屏來實現(xiàn)全圖形化編程方式[7]，不僅可以提高工作效率，也可以讓更多一線作業(yè)人員快速掌握機器人的操作方法，改善工作方式。通過對全圖形化的示教系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，從人性化的UI和符合工程心理學(xué)觸控按鍵，易學(xué)易操作角度開發(fā)操作界面，并通過與運動控制系統(tǒng)、溫度模塊的通訊連接，呈現(xiàn)焊錫機器人的個性化功能及創(chuàng)新點。

3 結(jié)束語

通過對全圖形示教系統(tǒng)的焊錫機器人中的關(guān)鍵技術(shù)的研究，運用DSP控制技術(shù)實現(xiàn)了四軸聯(lián)動運動控制；采用了點焊與拖焊方式來實現(xiàn)焊咀運行軌跡控制算法技術(shù)與路徑優(yōu)化設(shè)計；通過“DSP+IPM”和模塊化編程方式完成一體化軟硬件平臺開發(fā)的開發(fā)；使用PID控制算法，完成了交互式通訊可程控溫控系統(tǒng)的開發(fā)；最后通過大屏幕全觸摸屏方式完成了嵌入式圖形示教系統(tǒng)的開發(fā)。通過這一系列的研究，為焊錫機器人的開發(fā)提供了豐富的理論和實踐的基礎(chǔ)。生產(chǎn)出來的焊錫機器人得到企業(yè)的認(rèn)可。焊錫機器人相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下：采用液晶屏觸摸，直觀、易操作，作業(yè)員一鍵操作，簡易化；四軸聯(lián)動機構(gòu)X、Y、Z、R軸+焊錫頭角度可調(diào)，定位精度0.01-0.02mm；焊錫絲送錫達(dá)到0.1mm精度；焊錫速度比人工焊機快2-3倍。

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