图1  FANUC机器人的控制原理

机器人控制器是影响焊接机器人性能的关键部分之一，对开发焊接机器人起着至关重要的作用，奇瑞汽车有限公司吸收现有焊接机器人控制器的先进技术，正在开发高质量、低成本的国产焊接机器人控制器。

轿车车身大约有3000~4000个焊点和3m以上的焊缝，规划产能达到20万辆/年的轿车焊接生产线，几乎都必须使用焊接机器人。焊接机器人不仅能满足工艺要求、保证焊接质量，还可以保证焊接生产线的自动化、规模化和柔性化。

奇瑞汽车有限公司（以下简称奇瑞公司）使用的焊接机器人有日本FANUC机器人、德国KUKA机器人和意大利COMAU机器人等，由于机器人品牌众多，相关技术人员难以准确掌握关键技术，设备维护难度大，备件储备费用高。因此，我们根据现场的实际情况，对各家机器人控制器进行分析，逐步完善和统一标准，为开发国产焊接机器人打好了基础。

焊接机器人控制器分析

1、FANUC控制器概述

FANUC机器人主要应用于奇瑞公司焊装一车间，是奇瑞公司最早引进的焊接机器人，也是奇瑞公司唯一用到附加轴的焊接机器人。

FANUC机器人内部结构相对集成化，主控机采用32位CPU控制，用于机器人运动插补运算和提高坐标变换的运算速度，它采用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，进一步改善机器人动态特性。FANUC机器人还支持离线编程技术，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。图1为FANUC机器人控制原理图，图2为FANUC机器人。

图2  FANUC机器人

2、FANUC控制器内部结构

以FANUC-R-J3iB控制箱内部结构为例，FANUC控制器内部结构共分为6大工作部分：

（1）电源供给单元：由变压器向电源分配单元输出230V交流电，通过该单元的系统电源分配功能，负责对控制箱内部各工作板卡输出210V交流及±15V，+24V直流电。

（2）安全保护回路：由变压器直接向急停单元供电，并接入内部各控制板卡形成保护回路，对整个系统进行电路保护。

（3）伺服放大器：不仅提供伺服电机的驱动、抱闸电源，并且与绝对值编码器实现实时数据转换，与主控机间采用光纤传输数据，进行实时信号循环反馈。

（4）输入/输出模块：标配为ModuleA/B，另外可通过Profibus板、过程控制板与PLC及外围设备进行通信。

（5）主控机：整个控制系统的中枢部分，包括主板、CPU、FROM/SRAM组件及伺服卡，负责控制器内部及外围设备的信号交换和处理。

（6）示教器：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及人机交互操作。

3、KUKA控制器概述

KUKA机器人主要应用于奇瑞公司焊装二车间，其内部结构相对开放化，采用分散控制方式，按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每个模块有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的控制方式。KUKA机器人采用Windows操作界面，使得人机界面更加友好。在应用方面也因为其结构简单、性能稳定、便于操作、备件更换方便，而成为最受用户欢迎的焊接机器人品牌。图3为KUKA机器人控制原理图，图4为KUKA机器人。

图3  KUKA机器人的控制原理

图4  KUKA机器人

4、KUKA控制器内部结构

以KUKA-KR C2控制箱内部结构为例，KUKA控制器内部结构共分为6大工作部分：

（1）电源供给单元：包括主电源和辅助电源，由变压器分别向主、辅电源输出240V交流电，经过变压，辅助电源向工控机、安全模块、电机制动、电池等模块提供27V直流电，主电源向各伺服驱动器提供600V电压。

（2）ESC安全系统：由主电源直接向ESC卡提供27V直流电，并与工控机、示教器及外围设备连接，对整个系统进行电路保护。

（3）伺服驱动器（KSD）：与工控机间采用INTERBUS总线方式通讯，标配为6个分散独立的驱动器实时控制6轴运动，柜内最多可扩展到8轴。

（4）RDC数模信号转换模块：由旋转变压器将位置及温度信号反馈给RDC，进行数模转换后传输到工控机内DSE-IBS卡，数据处理后通过主电源，控制各驱动器对伺服电机进行驱动。

（5）工控机：整个控制系统的中枢部分，负责与主电源、安全回路、RDC及外围设备进行信号交换和处理，除标准配置外，还包括MFC卡（控制安全回路，非可屏蔽性中断）和DSE-IBS卡（与RDC串口通讯，输出到KSD，实现双环控制）。

6）KCP示教器：机器人示教编程，变量、参数设置工具，负责所有人机交互操作。

5、COMAU控制器概述

COMAU机器人主要应用于奇瑞公司焊装三车间，其控制系统采用主从控制方式，通过主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU担当系统管理、故障诊断、机器人语言编译、应用程序执行、I/O信号通讯和人机接口管理，同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补等工作。COMAU机器人从CPU通过数字伺服放大器同步驱动各运动轴，实现所有关节的运动控制。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但标配系统只能扩展2个附加轴，若想控制更多的运动轴，必须另外安装扩展电源机架。图5为COMAU机器人控制原理图，图6为COMAU机器人。

图5  COMAU机器人的控制原理

图6  COMAU机器人

6、COMAU控制器内部结构

以COMAU-C4G控制箱内部结构为例，COMAU控制器内部结构共分为6大工作部分：

（1）电源分配系统：由电源分配单元向辅助电源和数字伺服放大器提供主动力电源和25V抱闸电源，再通过辅助电源向数字伺服放大器、过程处理系统、系统通讯模块等单元提供24~25V直流电源，并通过系统通讯模块向安全模块提供24V直流电源。

（2）RSM安全保护系统：与过程处理系统、系统通讯模块、外围设备等单元进行安全信号通讯，实现整个系统安全保护。

（3）伺服驱动单元：数字伺服放大器通过机器人接口模块反馈编码器信号，与运动控制处理器间通过INTERNET进行通讯，提供伺服电机的驱动电源和抱闸电源，控制机器人运动。
（4）FIA系统通讯模块：负责与各控制单元及外围设备进行通信并收集和分配所有信号。

（5）过程处理系统：整个系统的主控制模块，包括系统主处理器、运动控制处理器，以主从控制的方式进行工作处理。

（6）TP4I示教器：人机交互的工具，具有示教编程，变量、参数设定、信息显示等功能。

焊接机器人控制器设计思路

通过对FANUC、KUKA、CAMAU焊接机器人的控制器进行分析，我们大致总结出焊接机器人控制器内部结构主要包括：1、电源部分；2、安全保护部分；3、伺服驱动部分；4、I/O通信部分；5、系统主控部分；6、示教器。各部分分工明确，联系紧密，有效地保证了控制器的正常工作。

部分机器人厂家基于自己的独立结构开发的控制器，无论从软件还是硬件都难以扩展和二次开发，都有一定的局限性。随着机器人控制技术的发展，为了解决结构封闭的机器人控制器的缺陷，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器的一个研究方向。例如：德国KUKA公司基于PC开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制器，该控制器设计的各个层次对用户开放，方便用户扩展和二次开发。

因此，对于控制器的设计，我们提出以下思路：

1、利用基于非封闭式计算机平台的开发系统，如Sun、SGI，有效利用标准计算机平台的软件和硬件资源为控制器扩展创造条件。

2、利用标准的操作系统，如Windows、Vxwork；使用标准的编程语言，如C、C++，采用标准操作系统和编程语言，可以解决各种专用机器人语言互不兼容的问题。

3、合理的模块化设计，有效划分任务，使不同的子任务由不同的功能模块实现，这不仅利于安装、调试及维护，更方便修改、添加、配置功能，提高了系统的可靠性。

4、采用标准总线结构，方便扩展或更改控制器内部配置及改进其功能，如各种传感器，I/O板、运动控制板可以很容易地集成到原系统。

这样建立起来的控制系统，不仅性能稳定、开发周期短而且成本较低，模块化还使系统开放，易于修改、重构和添加、配置功能。

结束语

随着汽车行业焊接制造装备、电子技术、计算机技术的迅猛发展，焊装机器人技术得到完善，焊接机器人控制器技术更是得到了突飞猛进的发展。奇瑞公司面对新的机遇和挑战，引进、消化和吸收现有焊接机器人先进技术，通过应用研发和二次开发，开发高质量、低成本的焊接机器人控制器，为焊接机器人产业化做好了铺垫。