CN111645071A - 一种基于plc的机器人焊接控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于PLC的机器人焊接控制系统及控制方法，系统包括机器人本体及其伺服系统、焊接装置、视觉传感装置和控制中心，控制中心以PLC作为总控制器；视觉传感装置生成投射于焊接工件表面的激光条纹并采集，将获取的焊接工件坡口信息传输至PLC，PLC基于所述坡口信息规划焊道并进行焊接控制；机器人伺服系统包括程序处理单元和通信单元，PLC通过通信单元调用所述程序处理单元，控制焊接装置、视觉传感装置和机器人本体的工作。通过视觉采集‑PLC运算传递‑机器人执行‑外部设备辅助的策略能有效促进焊接系装置、机器人系统、外部设备以及视觉传感装置相协调，自动实现全过程的焊接，并且能够确保多层多道焊接时的焊接质量以及焊接效率。

Description

一种基于PLC的机器人焊接控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及机器人焊接技术领域，尤其是一种基于PLC的机器人焊接控制系统及控制方法。

背景技术

随着重工业的发展，国内外制造领域对超厚板焊接的需求越来越大。在进行大型超厚板焊接工作时，由于开设的坡口深度较大，开口较宽，需要使用多层多道焊接的办法才能获得最优焊接效果。传统多层多道焊接应用中，多采用人工的方式手动焊接，焊接效率较低，劳动强度较大，使用机器人代替人工实现多层多道自动化焊接是大势所趋。

目前将机器人运用于超厚板多层多道焊接时，通常采用预定的规则进行焊接。由于坡口较深需要焊接的层数道数较多，随着焊接的进行工件产生热变形等情况，导致实际的坡口形状与理想状态差别越来越大，此时按照预定的规划继续焊接容易出现焊接缺陷。除此之外，由于工件本身可能存在加工误差以及安装误差，按照预先示教编制的机器人程序焊接无法适用于实际的坡口状况，导致焊接质量下降。

在实际的多层多道焊接领域中，单一的以机器人为主站的焊接系统由于系统中存在外部设备、视觉传感模块等必要模组，且机器人受限于通信能力，对此类模组的控制能力有限，故焊接系统的自动化程度受到制约，从而降低焊接效率。

发明内容

本发明提供了一种基于PLC的机器人焊接控制系统及控制方法，用于解决现有机器人焊接的自动化程度低、影响焊接质量及效率的问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供了一种基于PLC的机器人焊接控制系统，所述系统包括机器人本体及其伺服系统、焊接装置、视觉传感装置和控制中心，所述控制中心以PLC作为总控制器；所述视觉传感装置生成投射于焊接工件表面的激光条纹并采集，将获取的焊接工件坡口信息传输至PLC，PLC基于所述坡口信息规划焊道并进行焊接控制；所述机器人伺服系统包括程序处理单元和通信单元，PLC通过通信单元调用所述程序处理单元，控制焊接装置、视觉传感装置和机器人本体的工作。

进一步地，所述程序处理单元处理的程序包括预扫描程序、打底焊接程序、坡口扫描程序、基本焊接程序和盖面程序。

进一步地，所述机器人伺服系统包括若干自定义通信接口和若干数值寄存器，所述若干自定义通信接口通过二进制编码的方式被分配为一组，每组自定义通信接口表示的数据赋值给对应的数据寄存器。

进一步地，所述机器人伺服系统包括专有通信接口，所述专有通信接口中的输入端口用于控制机器人本体及机器人程序，专有通信接口的输出端口用于反应机器人本体及机器人程序的状态；PLC通过获取所述输出端口的状态数据，向输出端口发送控制指令，进行基本控制和程序控制。

进一步地，其特征是，所述系统还包括药皮清除装置，所述药皮清除装置在每焊接完一层后，进行焊缝表面清除操作。

本发明第二方面提供了一种基于PLC的机器人焊接控制方法，基于所述的控制系统，所述控制方法包括以下步骤：

S1,在固定好焊接工件后，PLC进行系统检测；

S2,系统无异常后，PLC控制机器人到达安全点；

S3,PLC启动视觉传感装置，调用预扫描程序，扫描打底焊缝的起点和终点；

S4,基于上述扫描结果，调用打底焊接程序，进行打底焊接；

S5,PLC调用坡口扫描程序，获取坡口数据，根据所述坡口数据计算当前层每条焊道的起止点坐标；

S6,PLC调用基本焊接程序，并基于上述起止点坐标调整焊枪的空间位置进行焊接；

S7，重复上述步骤S5和S6，当视觉传感装置获取不到坡口数据时，PLC调用盖面程序进行盖面。

进一步地，所述步骤S5获取的坡口数据为当前层起焊侧坡口底端两个端点的坐标(A_n,B_n,C_n)、(X_n,Y_n,Z_n)；终止侧坡口底端两端点坐标(a_n,b_n,c_n)、(x_n,y_n,z_n)；PLC利用所述坡口数据计算当前坡口底端宽度d_n，以及焊接该层时所需焊道数M_n以及所需摆焊幅度S_n，计算公式为：

其中b为焊道宽度。

进一步地，利用所述S_n及视觉传感装置所给出的特征点信息，PLC计算出焊接该层时，第m条焊道的起点坐标(X_nm,Y_nm,Z_nm)和终点坐标(x_nm,y_nm,z_nm)，计算公式为：

第m条焊道的起点坐标(X_nm,Y_nm,Z_nm)：

第m条焊道的终点坐标(x_nm,y_nm,z_nm)：

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、本发明通过视觉采集-PLC运算传递-机器人执行-外部设备辅助的策略能有效促进焊接系装置、机器人系统、外部设备以及视觉传感装置相协调，自动实现全过程的焊接，并且能够确保多层多道焊接时的焊接质量以及焊接效率。有效简化机器人编程，抗干扰能力强，并具备普适性。

2、本发明利用PLC通过Profibus现场总线控制机器人及传输参数，包括利用机器人专有控制IO实现的“基本控制”；利用机器人程序控制IO实现的“程序控制”；利用机器人自定义IO和数值寄存器实现的“数据传输”。该控制办法能精确有效地向机器人系统传递数据以及准确地控制机器人系统的动作，进一步提升了工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述系统的结构示意图；

图2是本发明所述方法的流程示意图；

图3是本发明实施例中焊接工件超厚板V型坡口直焊缝示意图；

图4是本发明实施例中V型坡口填充效果示意图；

图5是本发明实施例中焊道排布规则示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明基于PLC的机器人焊接控制系统，包括机器人本体及其伺服系统、焊接装置、视觉传感装置和控制中心，控制中心以PLC作为总控制器，负责数据运算以及统筹各系统工作，同时以PC作为上位机用于提供焊接参数数据库以及人机交互功能；视觉传感装置生成投射于焊接工件表面的激光条纹并采集，将获取的焊接工件坡口信息传输至PLC，PLC基于坡口信息规划焊道并进行焊接控制；所述机器人伺服系统包括程序处理单元和通信单元，PLC通过通信单元调用程序处理单元，控制焊接装置、视觉传感装置和机器人本体的工作。机器人及其伺服系统、焊接装置由PLC控制用于焊接操作。机器人及其伺服系统具有虚拟通信端子，并具有编写存储焊接程序的功能。外部设备包括药皮清除装置、夹持装置、抽尘装置，并由PLC统一控制。

机器人伺服系统具有专有通信端口。专有通信端口中的输入端口用于控制机器人以及机器人程序，输出端口用于反映机器人以及机器人程序的状态。PLC通过读取机器人输出端口的状态，再按照一定的时序控制所述的输入通信端口便可以实现“基本控制”以及“程序控制”功能。部分专有通信端口功能如下表1所示：

表1

专有通信端口均为虚拟通信端口，使用前应在机器人侧通过端口分配操作将通信端口分配给Profibus通信板卡，PLC便可通过Profibus现场总线实现对端口的监控及修改。下面对其中部分端口做出说明：

当IMSTP急停端口为高电平时，机器人断开伺服电源，起到急停作用。同时若伺服电源已断开，则FAULT报警输出端口变为高电平。

当RESET复位端口为高电平时解除报警，若伺服电源断开则接通。同时FAULT报警输出端口变为低电平。

当ENBL使能输入端口为高电平时，允许机器人动作；低电平时，机器人无法动作。

MODE输出端口用于指示机器人模式，当机器人处于手动模式时，可以通过示教器控制机器人姿态以及启动机器人程序，同时MODE端口状态为低电平；当机器人处于自动模式时，示教器被禁用，MODE端口状态为高电平。

SYSRDY输出端口用于表示机器人系统是否准备就绪，当机器人允许动作(ENBL使能输入端口为高电平)，且处于自动模式下(MODE输出端口为高电平)，SYSRDY端口状态为高电平，反之则处于低电平。

PRO1-PRO8一共八个端口，用于选择程序编号。操作人员预先编写机器人程序，并对编写的每一个机器人程序赋予0-255之间的不重复数字编号。需要选择某一机器人程序时，只需将程序编号的二进制数按照由高位到低位的方式发送至PRO1-PRO8，便可实现程序号选择。若程序号已选中，则ACK1-ACK8返回同样的二进制数，同时SNACK通信端口发出一个固定时长的脉冲表明握手成功。

START输入端口用于启动所选择的程序，该端口状态由低电平变为高电平时，启动由PRO1-PRO8所选中的程序。程序运行时PRORUN输出端口为高电平，当程序已运行结束或机器人处于空闲状态时，该端口状态为低电平。

HOLD输入端口用于暂停当前执行中的程序，该端口状态由低电平变为高电平时，暂停执行中的程序。程序暂停时PAUSED输出端口变为高电平。

STOP输入端口用于退出当前程序，该端口状态由低电平变为高电平时，退出所选择的程序。由于程序号同一时间只能选择一个执行，若要切换程序，需要先执行程序退出操作，才可重新选择。

PLC对专有输入控制端口进行置复位操作时，将信号保持100ms以上，确保机器人能正确读取输入控制端口状态。进行基本控制时，PLC先检验“SYSRDY”端口，判断系统是否处于就绪状态；再检验“MODE”端口，判断机器人是否处于自动控制状态，若条件不满足则在安装于PC端的上位界面发出提示信息，指示工作人员检查系统以及调整机器人工作模式。进行程序选择时，PLC只有在接收到“SNACK”端口发送的握手成功信号，并且校验ACK1-ACK8回馈程序号与所选程序号一致时，停止向PRO1-PRO8发送信号，并允许启动程序。否则代表程序选择有误，无法通过“START”端口启动程序。PLC在执行退出程序操作时，检测“PRORUN”以及“PAUSED”端口的状态，确保无机器人程序运行或机器人程序暂停时，向“STOP”端口发送大于100ms的脉冲，执行退出程序操作。

本实施例中的机器人伺服系统具有自定义通信端口，这类通信端口不具有特定功能，通常按照实际需要运用于机器人程序中。在系统组态时，预先规定PLC与机器人之间Profibus通信的字节数(包括输入字节数以及输出字节数)并在机器人侧进行设置。本实例采用64字节输入，64字节输出的通信容量，波特率设置为1.5Mbit/s。则机器人侧用于输入的自定义通信端口数量为512位，用于输出的自定义通信端口数量为512位。需要注意的是，自定义通信端口的最大数量与实际硬件结构有关，选择通信容量时需查阅厂家提供的说明资料。

本实施例中的机器人伺服系统还具有多个可以存放双精度浮点数的数值寄存器。编写机器人程序时可通过指令对数值寄存器读写，或者代替程序中的部分数据。本实例中部分关键点的坐标、焊接参数以及偏移量等数据均使用数值寄存器代替。

利用自定义通信端口以及数值寄存器便可以实现“数据传输”功能，其基本思想是：采用二进制编码的方式将多个自定义输入端口分配成一组，并将该组表示的数据通过机器人内部指令赋值给数值寄存器，PLC通过改变输入端口的电平状态从而改变数值寄存器中的数值，实现PLC向机器人传递数据。本实例中，需要传递的数据类型有整型和浮点型数据。传递整型数据时，将16个自定义通信端口分配成一组；传输浮点型数据时，将32个自定义通信端口分配成一组。PLC向机器人系统传递数据时，在PLC侧将十进制数据转化成二进制数据，再进行传输。

机器人程序中的关键点的坐标、焊接参数以及偏移量等数据已由数值寄存器代替，通过“数据传输”功能可以实现PLC控制机器人姿态以及调整机器人参数。

由于PLC可以远程调用机器人程序，并且向机器人程序中传递数据，因此本控制策略的核心思想是：操作人员预先编写具备不同功能的机器人程序，包括：预扫描程序、打底焊接程序、坡口扫描程序、基本焊接程序、盖面程序。PLC通过机器人的输出端口获取焊接系统工作状态，并根据工作状态切换机器人程序以及协调系统各个部件运行；进行焊接的同时，由PLC对视觉传感装置传递的坡口信息进行处理，并将焊接参数以及规划出的下一层焊道的坐标传递至机器人程序，控制多层多道焊接。

下面对预先编写的程序做出说明。

“预扫描程序”：预扫描程序使机器人大致沿工件标准安装时的坡口移动。视觉传感系统借助机器人运动扫描坡口，获取打底焊接起点与终点坐标以及待焊坡口的最大宽度。

“打底焊接程序”：打底焊接程序使机器人按照视觉传感装置给出的起始点和终止点进行焊接，只焊接一道且焊接参数固定。

“坡口扫描程序”：与预扫描程序结构及功能类似，区别在于执行坡口扫描程序时，利用打底焊缝的起点与终点，机器人运动可以更精确地沿坡口方向移动。

“基本焊接程序”：机器人焊接当前层的程序。程序中焊道起始点终止点坐标、焊道数量、焊接参数均为待定量，由PLC根据坡口信息计算得出。

“盖面程序”：视觉传感装置提取不到坡口特征点时，调用该程序进行最后一层焊接，使焊接表面更加平整。

对于预先编制的程序，每一个程序结尾处编写程序结束指示符，用于将程序结束信息反馈给PLC。

如图2所示，本发明基于PLC的机器人焊接控制方法，包括以下步骤：

步骤一，人工安装待焊工件，固定焊接固定结构并校准。如图3所示，工件坡口类型为V形。

步骤二，PLC运行系统检测。检测内容包括系统各部分通信是否正确、夹具是否安装牢固、机器人通信端口状态是否出现异常。确保系统无异常后，PLC可执行下一步动作，否则会发出报警并将故障显示于上位界面。

步骤三，接收到操作员输入的“启动”信号后，PLC向机器人控制器发送指令，控制机器人先回到原点，再到达系统设置的安全点。

步骤四，到达安全点后，PLC发送指令启动视觉传感装置，并调用预扫描程序，寻找打底焊缝起点和终点。

步骤五，PLC将打底焊缝始末点坐标传递至机器人，并校验。坐标传递无误后，进入下一步，否则回到步骤四。

步骤六，PLC调用打底焊接程序，进行打底焊接。

步骤七，PLC调用机器人伺服系统中的坡口扫描程序，扫描坡口图像从而获取坡口数据，所获坡口数据经视觉传感装置初步计算后传输至PLC。

步骤八，PLC根据坡口数据查询焊接参数数据库，将数据库中匹配的焊接参数传递至机器人伺服系统。

步骤九，PLC根据坡口数据计算该层每一条焊道的起点终点坐标，并将坐标数据传递至机器人伺服系统。

步骤十，检验传输至机器人伺服系统的参数及坐标，若传输过程正常则进入下一步，否则发出报警，并返回步骤七，重新获取坡口数据。

步骤十一，PLC调用机器人伺服系统中存储的基本焊接程序，并将上述坐标填入基本焊接程序。机器人在上述坐标的指示下调整空间位置并进行焊接。每焊完一道焊缝，PLC指示机器人调整焊枪姿态。

步骤十二，每焊接完一层，PLC向机器人伺服系统发送指令，指示机器人停止焊接，并启动自动清皮装置。

步骤十三，当视觉传感装置获取不到坡口特征时，PLC调用机器人控制器中存储的盖面程序。

步骤十四，盖面完成后，PLC向机器人控制器发送指令，指示机器人结束焊接并回到起点。

结合图3，步骤四中视觉传感系统采集的数据包括：坡口底角起焊侧顶点坐标(X₀,Y₀,Z₀)；坡口底角终止侧顶点坐标(x₀,y₀,z₀)；起焊侧坡口顶端左右两侧坐标(A,B,C)，(X,Y,Z)。

PLC利用上述数据计算出坡口顶端宽度D以及坡口夹角α，计算公式为：

D＝X-A

PLC根据坡口顶端宽度D、坡口夹角α查询焊接参数数据库，并将焊接参数发送至机器人伺服系统。焊接参数主要有焊接电压、焊接电流、送丝速度、移动速度、焊枪夹角。

如图4所示，步骤七采集的数据为：当前层(第n层)起焊侧坡口底端左右两侧坐标(A_n,B_n,C_n)、(X_n,Y_n,Z_n)；终止侧坡口底端左右两侧坐标(a_n,b_n,c_n)、(x_n,y_n,z_n)。

PLC利用上述数据计算当前坡口底端宽度d_n，计算公式为：

d_n＝X_n-A_n

设标准情况下焊道宽度为b，则可计算出焊接该层时所需焊道数M_n以及所需摆焊幅度S_n，计算公式为：

如图5所示，利用计算出的S_n及视觉系统所给出的特征点信息，PLC进一步计算出焊接该层(第n层)时，第m条焊道的起点坐标(X_nm,Y_nm,Z_nm)。计算公式如下：

同理，第m条焊道的终点坐标(x_nm,y_nm,z_nm)：

PLC将计算出的焊道坐标发送到机器人系统，每焊接一道，PLC指示机器人调整焊枪与x轴方向的夹角，偏转量为一固定值θ；机器人在收到数据后回馈给PLC进行一次对比，对比无误后机器人才被允许执行焊接命令。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于PLC的机器人焊接控制系统，其特征是，所述系统包括机器人本体及其伺服系统、焊接装置、视觉传感装置和控制中心，所述控制中心以PLC作为总控制器；所述视觉传感装置生成投射于焊接工件表面的激光条纹并采集，将获取的焊接工件坡口信息传输至PLC，PLC基于所述坡口信息规划焊道并进行焊接控制；所述机器人伺服系统包括程序处理单元和通信单元，PLC通过通信单元调用所述程序处理单元，控制焊接装置、视觉传感装置和机器人本体的工作。

2.根据权利要求1所述基于PLC的机器人焊接控制系统，其特征是，所述程序处理单元处理的程序包括预扫描程序、打底焊接程序、坡口扫描程序、基本焊接程序和盖面程序。

3.根据权利要求1所述基于PLC的机器人焊接控制系统，其特征是，所述机器人伺服系统包括若干自定义通信接口和若干数值寄存器，所述若干自定义通信接口通过二进制编码的方式被分配为一组，每组自定义通信接口表示的数据赋值给对应的数据寄存器。

4.根据权利要求1所述基于PLC的机器人焊接控制系统，其特征是，所述机器人伺服系统包括专有通信接口，所述专有通信接口中的输入端口用于控制机器人本体及机器人程序，专有通信接口的输出端口用于反应机器人本体及机器人程序的状态；PLC通过获取所述输出端口的状态数据，向输出端口发送控制指令，进行基本控制和程序控制。

5.根据权利要求1-4任一项所述基于PLC的机器人焊接控制系统，其特征是，所述系统还包括药皮清除装置，所述药皮清除装置在每焊接完一层后，进行焊缝表面清除操作。

6.一种基于PLC的机器人焊接控制方法，基于权利要求5所述的控制系统，其特征是，所述控制方法包括以下步骤：

S1,在固定好焊接工件后，PLC进行系统检测；

S2,系统无异常后，PLC控制机器人到达安全点；

S3,PLC启动视觉传感装置，调用预扫描程序，扫描打底焊缝的起点和终点；

S4,基于上述扫描结果，调用打底焊接程序，进行打底焊接；

S5,PLC调用坡口扫描程序，获取坡口数据，根据所述坡口数据计算当前层每条焊道的起止点坐标；

S6,PLC调用基本焊接程序，并基于上述起止点坐标调整焊枪的空间位置进行焊接；

S7，重复上述步骤S5和S6，当视觉传感装置获取不到坡口数据时，PLC调用盖面程序进行盖面。

7.根据权利要求6所述基于PLC的机器人焊接控制方法，其特征是，所述步骤S5获取的坡口数据为当前层起焊侧坡口底端两个端点的坐标(A_n,B_n,C_n)、(X_n,Y_n,Z_n)；终止侧坡口底端两端点坐标(a_n,b_n,c_n)、(x_n,y_n,z_n)；PLC利用所述坡口数据计算当前坡口底端宽度d_n，以及焊接该层时所需焊道数M_n以及所需摆焊幅度S_n，计算公式为：

其中b为焊道宽度。

8.根据权利要求7所述基于PLC的机器人焊接控制方法，其特征是，利用所述S_n及视觉传感装置所给出的特征点信息，PLC计算出焊接该层时，第m条焊道的起点坐标(X_nm,Y_nm,Z_nm)和终点坐标(x_nm,y_nm,z_nm)，

计算公式为：

第m条焊道的起点坐标(X_nm,Y_nm,Z_nm)：

第m条焊道的终点坐标(x_nm,y_nm,z_nm)：

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