论文部分内容阅读
[摘 要]德国倍福公司于2003年提出EtherCAT协议，该协议具有响应速度快、传输数据安全和同步的特点，现在许多工业机器人提供了基于EtherCAT协议的外部接口。本文以德国KUKA工业机器人和美国IPG光纤激光器为例，提出机器人激光焊接集成方案，解决了激光器只能连续出光，而机器人本身不具备输出高速脉冲指令的问题，实现了机器人激光点焊、连续焊和脉冲焊接。
[关键词]EtherCAT协议；激光焊接；系统开发
中图分类号：TG456.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）33-0382-01
1引言
自2007年进入中国市场以来，历经十年发展，EtherCAT技术获得了市场的广泛接纳与认可。可以说，EtherCAT技术已不仅是中国国家推荐性标准，它也是真正的市场标准。目前，EtherCAT技术在中国的自动化控制领域遍地开花。正是其真正的开放性以及ETG团队的大力支持，中国本土的供应商、集成商和最终用户才能受益于该项技术，实施自己的EtherCAT主站控制器和从站产品（I/O、伺服驱动器、传感器、编码器、HMI等），從而增强产品本身的竞争力和制造能力。
2激光焊接的原理
激光焊接主要是通过激光技术来实现能源焊接，通过使用光学振荡设备及利用包括电能、化学能在内的原始能量进而激发出固态、业态、气态等不同介质，在此之后会形成相位相同、波长集中的光束，正是由于这些光束具备以上特性，所以差异角都显得特别小，传播距离则显得较长，这样的光速可实现高度集中利用。激光束的功率与金属表面是否可以发生汽化密切相关，当其密度较大时，如果将激光束照射在金属表面上，金属表面温度就会迅速增高，在较短的时间就可以使其温度达到沸点后发生汽化。金属蒸汽在其速度达到特定程度时，就可离开金属熔池表面，此时会更加不利于金属融化。金属会出现向下凹陷的情况，形成一个小凹坑。随着温度上升，金属表面凹陷处会逐渐成为一个细长的小孔。随着激光束的移动变化，小孔前方融化的金属会绕开小孔流向后方，然后凝固成焊缝。焊缝是深是浅与激光功率密度高低密切相关，如果所采用的激光功率密度比较低，那么熔深会比较浅、深宽却比较小。焊接熔深是指在焊接接头横截面上，母材或者是焊道焊缝融化的实际深度。激光功率密度比较高时熔深也会加大，深宽也会加大，此时易形成穿透性焊缝。现阶段，包括汽车座椅在内的很多焊接工艺皆是采用这种激光焊接技术。
3激光焊接技术的发展现状
在九十年代初期国家的汽车工业还处于初级发展阶段，只有一部分汽车企业在制造过程中使用了激光焊接技术，此时的激光焊接还只应用在汽车的底盘和汽车本体的焊接方面。而随着时间的推移，激光技术的发展，越来越多的国内汽车企业选择了激光焊接技术，激光加工技术也被应用到更多的汽车制造环节中去。激光技术的噪音较小，而且通过激光焊接能够有效提高汽车的稳定性，最大程度的提高了汽车驾驶过程中的安全性和坚固性，因此激光加工技术逐渐取代了传统的手动焊接模式。虽然国家现阶段取得了优异的成绩，但是焊接技术还需要进一步的发展，让更多的汽车制造企业了解认识激光加工技术。
4基于EtherCAT协议的机器人激光焊接系统开发
4.1EtherCAT协议简介
EtherCAT是一项高性能、低成本、应用简易、拓扑灵活的工业以太网技术。它于2003年被引入市场，并于2007年成为国际标准。EtherCAT是一项开放的技术，允许任何人实施或应用。它采用标准的以太网数据帧和符合以太网标准IEEE802.3的物理层，可为实现简单的控制构架预留空间；其系统搭建和配置工作简单易行；成本方面达到甚至低于现场总线的成本水平；从现场总线可平稳过渡到EtherCAT。这些特点显现了EtherCAT与其他现场总线技术的区别。无论是物联网、工业4.0，还是《中国制造2025》，都提到各个层级普遍都需要实现无缝的、持续且标准化的通信。传感器数据上传到云中，同时，配方和参数从ERP系统下载到分布式设备，这就如同由两台机器共享的馈送系统，在垂直和水平方向都存在数据流需求。EtherCAT通过其高性能、灵活且开放的接口，从根本上满足了数字传输的需求。此外，开放接口允许集成任何基于IT的协议——包括OPCUA、MQTT、AMQP或其他任何主站内部或直接进入从站设备的协议，从而为IoT提供直接链路，因此传感器到云之间不会有协议间断。
4.2硬件连接
从站板卡AIO1616通过网线与机器人主站连接实现指令的传输，24V电源也来自于机器人控制柜。从站PWM口与激光器数字输入口相连，实现点焊、脉冲和连续焊接。机器人和激光器模拟量端口连接，实现激光器功率控制。从站数字输出口与保护气和气刀继电器线圈连接，通过电磁阀控制气体的输出与关闭。特别指出，IPGYLS2000光纤激光器没有提供专门的PWM控制输入口，与从站PWM输出口连接的是激光器数字输入口，容许最高输入频率是5000Hz。从站PWM输出口，其脉冲峰值为24V，基值电压为0V。激光器PWM输入口和数字量输入口是同一个点。
4.3机器人软件配置与实现
在KUKA公司提供的WorkVisual2.4软件中实现从站板卡端口的配置，实现机器人程序对端口的控制。建立机器人与从站板卡模拟量和数字量I/O端口的映射关系，可以实现软件对端口的操作。从站PWM端口直接与激光器数字输入口通过一根通讯线连接，但PWM信号调节至少包括两个方面：脉宽调节和频率控制，显然，不能简单通过建立系统与从站的数字I/O口映射来实现。采用建立16路机器人系统数字输出口与从站板卡1路PWM输出口映射来解决这个问题。在WorkVisual软件中建立16路机器人系统输出端口与板卡1路PWM输出口之间的映射关系，然后在KSS8.2软件系统中定义两个全局变量pwm1和pwm2，pwm1用于脉宽调制，pwm2用于设置频率大小，程序中改变pwm1和pwm2值就能改变PWM端口的脉宽和频率值。程序中pwm1取值为0至65535，0表示整个周期中输出电平值是0，65535表示周期中都输出峰值电压，也就是说，当pwm1的设定值为65535时表示PWM端口输出直流信号，对应于连续焊接；设定值为0时表示没有电平信号输出，表示焊接终止。pwm2的数值量与周期成正比，与频率之间是一种非线性关系。激光器功率由模拟量设定，与程序中数值呈线性关系。
5结束语
文章采用基于EtherCAT协议从站板卡，集成到机器人软件系统中，通过机器人软件协同控制机器人运动和激光器光闸来完成焊接过程。试验结果表明：基于EtherCAT协议的机器人激光焊接集成系统，能方便地实现点焊、脉冲焊和连续焊，焊接效果良好。
参考文献
[1]杨永波，白德滨，秦伟涛，李洪涛.龙门机器人激光焊接系统研制[J].机械制造文摘（焊接分册），2014，No.25103：1-3.
[2]张宗巧.城轨客车侧墙激光焊机器人工作站仿真及离线编程[D].吉林大学，2013.
[3]王效，王树波，邓广福.浅析激光加工机器人技术在工业中的应用[J].装备制造技术，2015，No.24404：222-224.
[4]张丽芳，陈素平，李坊平.三维视觉系统提升机器人激光焊接效率[J].金属加工（热加工），2014，No.70910：42-44.
[关键词]EtherCAT协议；激光焊接；系统开发
中图分类号：TG456.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）33-0382-01
1引言
自2007年进入中国市场以来，历经十年发展，EtherCAT技术获得了市场的广泛接纳与认可。可以说，EtherCAT技术已不仅是中国国家推荐性标准，它也是真正的市场标准。目前，EtherCAT技术在中国的自动化控制领域遍地开花。正是其真正的开放性以及ETG团队的大力支持，中国本土的供应商、集成商和最终用户才能受益于该项技术，实施自己的EtherCAT主站控制器和从站产品（I/O、伺服驱动器、传感器、编码器、HMI等），從而增强产品本身的竞争力和制造能力。
2激光焊接的原理
激光焊接主要是通过激光技术来实现能源焊接，通过使用光学振荡设备及利用包括电能、化学能在内的原始能量进而激发出固态、业态、气态等不同介质，在此之后会形成相位相同、波长集中的光束，正是由于这些光束具备以上特性，所以差异角都显得特别小，传播距离则显得较长，这样的光速可实现高度集中利用。激光束的功率与金属表面是否可以发生汽化密切相关，当其密度较大时，如果将激光束照射在金属表面上，金属表面温度就会迅速增高，在较短的时间就可以使其温度达到沸点后发生汽化。金属蒸汽在其速度达到特定程度时，就可离开金属熔池表面，此时会更加不利于金属融化。金属会出现向下凹陷的情况，形成一个小凹坑。随着温度上升，金属表面凹陷处会逐渐成为一个细长的小孔。随着激光束的移动变化，小孔前方融化的金属会绕开小孔流向后方，然后凝固成焊缝。焊缝是深是浅与激光功率密度高低密切相关，如果所采用的激光功率密度比较低，那么熔深会比较浅、深宽却比较小。焊接熔深是指在焊接接头横截面上，母材或者是焊道焊缝融化的实际深度。激光功率密度比较高时熔深也会加大，深宽也会加大，此时易形成穿透性焊缝。现阶段，包括汽车座椅在内的很多焊接工艺皆是采用这种激光焊接技术。
3激光焊接技术的发展现状
在九十年代初期国家的汽车工业还处于初级发展阶段，只有一部分汽车企业在制造过程中使用了激光焊接技术，此时的激光焊接还只应用在汽车的底盘和汽车本体的焊接方面。而随着时间的推移，激光技术的发展，越来越多的国内汽车企业选择了激光焊接技术，激光加工技术也被应用到更多的汽车制造环节中去。激光技术的噪音较小，而且通过激光焊接能够有效提高汽车的稳定性，最大程度的提高了汽车驾驶过程中的安全性和坚固性，因此激光加工技术逐渐取代了传统的手动焊接模式。虽然国家现阶段取得了优异的成绩，但是焊接技术还需要进一步的发展，让更多的汽车制造企业了解认识激光加工技术。
4基于EtherCAT协议的机器人激光焊接系统开发
4.1EtherCAT协议简介
EtherCAT是一项高性能、低成本、应用简易、拓扑灵活的工业以太网技术。它于2003年被引入市场，并于2007年成为国际标准。EtherCAT是一项开放的技术，允许任何人实施或应用。它采用标准的以太网数据帧和符合以太网标准IEEE802.3的物理层，可为实现简单的控制构架预留空间；其系统搭建和配置工作简单易行；成本方面达到甚至低于现场总线的成本水平；从现场总线可平稳过渡到EtherCAT。这些特点显现了EtherCAT与其他现场总线技术的区别。无论是物联网、工业4.0，还是《中国制造2025》，都提到各个层级普遍都需要实现无缝的、持续且标准化的通信。传感器数据上传到云中，同时，配方和参数从ERP系统下载到分布式设备，这就如同由两台机器共享的馈送系统，在垂直和水平方向都存在数据流需求。EtherCAT通过其高性能、灵活且开放的接口，从根本上满足了数字传输的需求。此外，开放接口允许集成任何基于IT的协议——包括OPCUA、MQTT、AMQP或其他任何主站内部或直接进入从站设备的协议，从而为IoT提供直接链路，因此传感器到云之间不会有协议间断。
4.2硬件连接
从站板卡AIO1616通过网线与机器人主站连接实现指令的传输，24V电源也来自于机器人控制柜。从站PWM口与激光器数字输入口相连，实现点焊、脉冲和连续焊接。机器人和激光器模拟量端口连接，实现激光器功率控制。从站数字输出口与保护气和气刀继电器线圈连接，通过电磁阀控制气体的输出与关闭。特别指出，IPGYLS2000光纤激光器没有提供专门的PWM控制输入口，与从站PWM输出口连接的是激光器数字输入口，容许最高输入频率是5000Hz。从站PWM输出口，其脉冲峰值为24V，基值电压为0V。激光器PWM输入口和数字量输入口是同一个点。
4.3机器人软件配置与实现
在KUKA公司提供的WorkVisual2.4软件中实现从站板卡端口的配置，实现机器人程序对端口的控制。建立机器人与从站板卡模拟量和数字量I/O端口的映射关系，可以实现软件对端口的操作。从站PWM端口直接与激光器数字输入口通过一根通讯线连接，但PWM信号调节至少包括两个方面：脉宽调节和频率控制，显然，不能简单通过建立系统与从站的数字I/O口映射来实现。采用建立16路机器人系统数字输出口与从站板卡1路PWM输出口映射来解决这个问题。在WorkVisual软件中建立16路机器人系统输出端口与板卡1路PWM输出口之间的映射关系，然后在KSS8.2软件系统中定义两个全局变量pwm1和pwm2，pwm1用于脉宽调制，pwm2用于设置频率大小，程序中改变pwm1和pwm2值就能改变PWM端口的脉宽和频率值。程序中pwm1取值为0至65535，0表示整个周期中输出电平值是0，65535表示周期中都输出峰值电压，也就是说，当pwm1的设定值为65535时表示PWM端口输出直流信号，对应于连续焊接；设定值为0时表示没有电平信号输出，表示焊接终止。pwm2的数值量与周期成正比，与频率之间是一种非线性关系。激光器功率由模拟量设定，与程序中数值呈线性关系。
5结束语
文章采用基于EtherCAT协议从站板卡，集成到机器人软件系统中，通过机器人软件协同控制机器人运动和激光器光闸来完成焊接过程。试验结果表明：基于EtherCAT协议的机器人激光焊接集成系统，能方便地实现点焊、脉冲焊和连续焊，焊接效果良好。
参考文献
[1]杨永波，白德滨，秦伟涛，李洪涛.龙门机器人激光焊接系统研制[J].机械制造文摘（焊接分册），2014，No.25103：1-3.
[2]张宗巧.城轨客车侧墙激光焊机器人工作站仿真及离线编程[D].吉林大学，2013.
[3]王效，王树波，邓广福.浅析激光加工机器人技术在工业中的应用[J].装备制造技术，2015，No.24404：222-224.
[4]张丽芳，陈素平，李坊平.三维视觉系统提升机器人激光焊接效率[J].金属加工（热加工），2014，No.70910：42-44.