全图形示教系统的焊锡机器人关键技术研发

陈云志+葛海江

摘 要： 研究了一种全图形示教系统的焊锡机器人，对系统中的多轴联动运动控制技术、焊咀运行轨迹控制算法技术与路径优化设计、焊锡机器人的控制集成一體化软硬件平台开发、交互式通讯可程控温控系统的开发和嵌入式图形示教系统等关键技术进行了详细和充分的论证研究。通过这些研究，为焊锡机器人的成功应用提供了可借鉴的理论和实践的基础。

关键词： 全图形示教； 焊锡机器人； 多轴联动运动控制； 焊咀运行轨迹控制； 可程控温控

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：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

国际劳工组织和美国电子工业健康安全小组对加尼福尼亚著名的“硅谷”的调查材料表明， 在电子工业中，有70%厂家的工人，正受到焊锡、助焊剂蒸汽以及各种化学剂的危害。焊工们每天皮肤直接接触含铅的焊锡材料，吸入大量的助焊剂蒸汽。这些蒸汽中含有锡、铅、锢、砷、银、锌等金属，吸入后会引起贫血、消化不良等症状，使心、肺及生殖器官受损；松香和焊油蒸汽会损害人的皮肤等系统；同时在生产流水线上的紧张、单调、重复动作，还会影响人的精神和心理健康。据调查，受到电子行业职业性危害因素影响的工人中，视力受损者达56%；接触化学剂的工人中也约有50%的人患有视力疲劳、头痛、头昏、皮肤过敏等症状[1]。目前国内大部分企业仍采用有铅锡丝进行焊锡，一线作业人员通过对有铅锡材的直接接触、焊锡过程中产生的烟尘等有毒有害物质，将对一线作业人员的身体健康造成很大损害。根据研究表明，在我国工业生产铅接触的行业中（铅冶炼、蓄电池、油漆、焊锡、印刷等），电子行业的手工焊锡工人手部铅污染最为严重，甚至还出现焊锡作业工人亚急性铅中毒的案例。

随着社会的发展，传统的手工焊接已无法满足现代工业对焊接质量、工作效率的要求，科学的进步为自动焊锡机的产生与应用提供了技术基础。本文研究的全图形示教系统的焊锡机器人关键技术，将为焊锡机器人的自动化设备研制提供一定的理论和实践基础。焊锡机器人的成功应用将有效避免人为因素的干扰，保证焊接产品的稳定性，提高焊接产品的质量，保证产品质量一致性；同时可以改善劳动条件，减少一线焊锡作业人员与有毒有害物质的直接接触，有效防研究、治职业病危害，降低对工人焊接技术的要求；开发的全图形操作系统，易于让一线作业人员接受，改善传统的工作方式，提高生产率。

1 全图形示教系统的整体研究设计

本文研究目的是实现焊锡机器人替代人工焊锡。研究内容主要包括多轴联动运动控制技术、焊咀运行轨迹控制算法技术与路径优化设计的焊锡机器人的控制集成一体化软硬件平台开发、交互式通讯可程控温控系统的开发和嵌入式图形示教系统的研究等。针对各个模块的研究分析，攻克技术难点，完成全图形示教系统的焊锡机器人开发，并将机器人焊接技术进行应用推广，助力企业突破瓶颈，解放一线焊锡作业人员，避免有毒有害物质对人体造成的损害。

2 焊锡机器人关键技术研究

2.1 多轴联动运动控制技术研究

将DSP应用于运动控制器中，充分利用其信息处理速度快、运算精度高和兼容性好的优势来满足控制系统的多功能性要求也成为一种必然的趋势[2]。该控制方案能够运用DSP实现复杂的算法，进行大量的数据处理，从而加快系统的响应速度，使系统具备速度快、精度高、通用性好等高性能。根据现有X、Y、Z的三个空间坐标位置外，还增加了一个可以自由旋转的运动轴，称之为R轴，能实现360?自由旋转，更进一步模仿人手的灵活性，大大提高机器人焊锡作业的灵活度，减少运动位置的局限性[3]，可以让智能焊锡机器人适应更多产品。针对多轴联动运动控制技术研究，可以实现多个焊锡工艺动作的同步完成，具体的运动控制系统如图1所示。

2.2 焊咀运行轨迹控制算法技术研究

针对不同焊接工艺要求，需要专门对机器人焊咀运行轨迹进行设计，进而将运行路径优化。一个焊接动作可以分解成幾个不同的步骤，每个步骤可以有各自不同的位置和独特的焊锡参数，然后将几个步骤组合起来便可以完成一个焊接动作。焊锡机器人的焊接动作可以分成两大类，一类是针对一个个独立的焊接点，另一类是针对有序排列的焊盘情况相同的焊点序列。以点焊与拖焊两种焊接工艺方法为例，如图2和图3所示。

2.3 焊锡机器人的控制集成一体化软硬件平台开发

利用高速数字处理器（DSP）、智能功率驱动模块（IPM），构建整体焊锡机器人智能运动控制硬件平台[4]，指令运行速度达到10ns。在设计中充分研究数字化传感技术（速度检测、位置检测、操作指令等）、低功耗电路、人机接口通讯技术、不易挥发的存储器（EEPROM）等相关技术，保证系统的高可靠性和易用性。以示教盒为核心的上位机的主要功能为信息采集、程序控制、参数设置和交互输出等。而作为下位机的运动控制器则是控制系统的核心部分，主要功能为接收上位机发送的指令并进行分析处理，进而完成控制系统中对实时性要求较高的位置控制、插补运算和输入/输出信号控制等具体的运动控制功能和算法，并且为电机驱动器提供脉冲量和模拟量接口，同时也向上位机实时反馈系统的运行状态信息。

在嵌入式硬件平台的技术上建立软件开发平台，完成数字化高速信号采集、数字化通信、算法编程等功能的实时多任务操作的一体化软件平台[5]，系统采用模块化编程，提高系统软件的可移植性和通用性。主要的软件模块包括：①信号数字化处理，包括位置、速度、工作电流、操作指令等；②钎焊速度控制算法和参数自适应；③基于模型的位置规划和控制算法；④人机接口通信模块，根据操作操作指令实施不同模式的运动控制；⑤基于PWM组的数字化控制空间状态输出驱动算法。焊锡机机器人控制系统软件是一个复杂的多任务实时软件，为了降低软件开发的难度，应当运用正确的软件开发方法，这样才能够便捷地进行软件开发，并且使得开发出来的系统软件能够具备较高的可靠性、较好的易维护性和较强的可扩展性，提高系统的开放性。

2.4 交互式通讯可程控温控系统的开发

在焊锡作业中，焊锡温度至关重要，较小的温度波动即会影响产品的焊接效果，开发一种与运动控制平台可通讯的温度控制模块，运用创新的PID控制算法[6]，使得运动控制平台与温控模块完成交互式通讯，实时监控发热模块的状态，并能根据焊锡机器人具体工作状态进行动态的调整，从而使温度模块的功率、温度等参数得到有效调整，迅速补偿焊接过程中所掉失的温度，充分解决回温慢的难题。①在设有内部存储有每步焊接温度的预设值以及控制执行焊接操作的中央控制器；②分别与中央控制器、温度采集器和头部相连，且能将每步实际焊接温度与每步焊接温度预设值进行对比，从而实时调节每步实际焊接温度的温差调节器；③提前加热控制器，分别与中央控制器和头部相连，且当中央控制器控制头部执行焊接操作时能利用两次焊接操作之间的间歇时间预先控制，使焊接温度达到下一次焊接温度预设值，来实现焊锡机器人温度模块的智能调节。当要进行焊锡作业时，智能温控模块先通过温差调节器将温度采集器采集到的头部执行机构每步实际焊接温度与存储在中央控制器内的每步焊接温度预设值进行对应比较，进行实时调节实际焊接温度；然后当中央控制器控制头部执行焊接操作时，提前加热控制器利用两次焊接操作之间的间歇时间进行温度预先加热，使焊锡温度迅速达到下一步焊接动作的设定值。

2.5 嵌入式图形示教系统的研发

基于焊锡机器人项目的研发目的，通过分析工厂中应用需求分析，示教系统实现以下功能。①示教指令编辑功能；②示教任务管理功能，完成示教文件的新建、编辑、删除、备份等功能；③手动运动控制；④系统参数设定，机器人应用环境很复杂，需要更改参数，完成数据更改功能；⑤帮助和提示功能，应用嵌入式系统的友好界面，加入分析用户当前操作和辅助用户正确操作，表现界面友好功能；⑥用户权限设定，在用户登录过程中需要验证用户的身份，并且显示机器人使用者当前权限等信息。

嵌入式图形示教系统运用于控制器前端的示教控制盒，通过通讯模块进行指令传送，实现示教系统对机器人的控制，它是独立于机器人主操作系统的控制装置。通过自主研发，抛弃笨拙的文本和键盘的编程调试方式，采用大屏幕全触摸屏来实现全图形化编程方式[7]，不仅可以提高工作效率，也可以让更多一线作业人员快速掌握机器人的操作方法，改善工作方式。通过对全图形化的示教系统进行设计开发，从人性化的UI和符合工程心理学触控按键，易学易操作角度开发操作界面，并通过与运动控制系统、温度模块的通讯连接，呈现焊锡机器人的个性化功能及创新点。

3 结束语

通过对全图形示教系统的焊锡机器人中的关键技术的研究，运用DSP控制技术实现了四轴联动运动控制；采用了点焊与拖焊方式来实现焊咀运行轨迹控制算法技术与路径优化设计；通过“DSP+IPM”和模块化编程方式完成一体化软硬件平台开发的开发；使用PID控制算法，完成了交互式通讯可程控温控系统的开发；最后通过大屏幕全触摸屏方式完成了嵌入式图形示教系统的开发。通过这一系列的研究，为焊锡机器人的开发提供了丰富的理论和实践的基础。生产出来的焊锡机器人得到企业的认可。焊锡机器人相关技术指标如下：采用液晶屏触摸，直观、易操作，作业员一键操作，简易化；四轴联动机构X、Y、Z、R轴+焊锡头角度可调，定位精度0.01-0.02mm；焊锡丝送锡达到0.1mm精度；焊锡速度比人工焊机快2-3倍。

参考文献（References）：

[1] 门金龙，邹薇，孟新生等.电子行业手工焊锡工人手部污染情

况调查及对策研究[J].中国辐射卫生，2005.14（4）：310-311

[2] 张宝泉.基于DSP+FPGA的多轴运动控制器的研究[D].西安

科技大学硕士学位论文，2005.

[3] 薛龙，焦向东，蒋力培，等.特种焊接机器人研制[J].制造业自动

化，2006.28（2）：49-52

[4] 林立.基于DSP和IPM的永磁同步电动机调速控制系统[J].

电机与控制学报，2005.9（4）：401-405

[5] 王田苗.嵌入式系统设计与实例开发[M].清华大学出版社，

2003.

[6] 李丙旺，张友照，陈文建.基于PID分段式温度控制系统[J].兵

工自动化，2011.30（9）：83-85

[7] Richard Conway.Windows GUI高级编程C#编程篇[M].清

华大学出版社，2003.