李 芳，楊海瀾，華學(xué)明，吳毅雄，3，朱 麟

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3.上海交通大學(xué) 金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200030；4.上海拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)有限公司，上海 200433)

汽車縱梁點(diǎn)焊機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)

李 芳1，2，楊海瀾1，2，華學(xué)明1，2，吳毅雄1，2，3，朱 麟4

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3.上海交通大學(xué) 金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200030；4.上海拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)有限公司，上海 200433)

針對(duì)汽車前縱梁焊接生產(chǎn)線中的點(diǎn)焊工位，設(shè)計(jì)了基于MOTOMAN ES165型點(diǎn)焊機(jī)器人工作站，介紹點(diǎn)焊機(jī)器人工作站的工作原理、系統(tǒng)組成和焊接應(yīng)用。采用離線仿真技術(shù)對(duì)機(jī)器人工作狀態(tài)進(jìn)行模擬，合理有效地分配焊點(diǎn)，優(yōu)化工位配置。設(shè)計(jì)了歐姆龍PLC和觸摸屏控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工作站自動(dòng)、手動(dòng)操作方式，人機(jī)對(duì)話界面良好，具有報(bào)警和指示功能。實(shí)際應(yīng)用表明，焊接系統(tǒng)穩(wěn)定，焊點(diǎn)質(zhì)量優(yōu)良。

點(diǎn)焊；示教；機(jī)器人；工作站

0 前言

汽車制造業(yè)是焊接機(jī)器人最主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。由于汽車制造需要不斷改進(jìn)舊車型和研發(fā)新車型，能否及時(shí)焊接出符合裝車要求的樣件成為汽車零部件制造企業(yè)贏取市場先機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。焊接機(jī)器人開拓了一種柔性的生產(chǎn)方式，利用機(jī)器人的示教再現(xiàn)功能可以進(jìn)行任務(wù)轉(zhuǎn)換，而不需要改變?nèi)魏斡布?。因此，在一條機(jī)器人生產(chǎn)線上可以同時(shí)自動(dòng)生產(chǎn)若干種汽車零件[1]。本研究開發(fā)了前縱梁點(diǎn)焊機(jī)器人工作站，實(shí)現(xiàn)了前縱梁總成件的自動(dòng)化焊接加工。

1 點(diǎn)焊機(jī)器人工作站總體構(gòu)成

前縱梁總成件如圖1所示，一共由6臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人工作站組成焊接流水線。在此以其中一個(gè)工作站為例進(jìn)行介紹。點(diǎn)焊機(jī)器人工作站系統(tǒng)一般由點(diǎn)焊機(jī)器人本體及機(jī)器人控制柜、點(diǎn)焊鉗、點(diǎn)焊控制器、電極修磨機(jī)、操作箱和相關(guān)電纜、氣／水管路等構(gòu)成。典型的點(diǎn)焊機(jī)器人工作站系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

1.1 點(diǎn)焊機(jī)器人選擇

為了滿足焊槍的位置和空間姿態(tài)的控制要求，機(jī)器人應(yīng)該具有六個(gè)關(guān)節(jié)，如圖3所示。其中三個(gè)自由度(S／L／U)用于控制焊槍端部的空間位置，另外三個(gè)自由度(R／B／T)用于控制焊槍的空間姿態(tài)。

日本安川公司針對(duì)點(diǎn)焊系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)了專門的MOTOMAN-ES系列機(jī)器人，將焊鉗電源、控制電纜及氣管水管等藏于機(jī)器人本體內(nèi)臂的內(nèi)部，機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)緊湊，腕部回轉(zhuǎn)動(dòng)作范圍±200°①首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司.點(diǎn)焊專用機(jī)器人MOTOMAN-ES系列說明書，2005.，使得機(jī)器人可以輕松焊接以往由于形狀約束而難以焊接的工件。采用電纜等內(nèi)藏式設(shè)計(jì)有效地解決了電纜的干涉問題?？紤]本系統(tǒng)的載重，選擇了ES165型點(diǎn)焊機(jī)器人本體，配NX100型控制柜。

圖1 前縱梁總成件

圖2 點(diǎn)焊機(jī)器人工作站系統(tǒng)

圖3 點(diǎn)焊機(jī)器的六個(gè)自由度示意

1.2 點(diǎn)焊機(jī)器人工作站布置方案

縱梁零件為左右對(duì)稱件。因此，對(duì)于每一個(gè)工作站分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)工位，實(shí)現(xiàn)對(duì)左件、右件的焊接，工作站的布置示意如圖4所示。

圖4 點(diǎn)焊機(jī)器人工作站布置示意

2 點(diǎn)焊機(jī)器人工作站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 離線仿真

機(jī)器人是多自由度、多連桿的空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題十分復(fù)雜，在其設(shè)計(jì)過程中，首先要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)。利用離線編程軟件，對(duì)機(jī)器人操作臂運(yùn)動(dòng)控制以及實(shí)際工作環(huán)境應(yīng)用中的障礙避讓和碰撞干涉等諸多問題進(jìn)行模擬仿真，這樣就可以提高設(shè)計(jì)效率，使得生產(chǎn)中可以快速、高效地完成生產(chǎn)任務(wù)[2]。通過離線編程，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、確認(rèn)干涉點(diǎn)、優(yōu)化焊鉗選型、實(shí)現(xiàn)工作節(jié)拍平衡，最終確認(rèn)現(xiàn)場布置圖等。為精確設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，縮短了方案設(shè)計(jì)周期，同時(shí)也降低了項(xiàng)目的運(yùn)行成本。離線編程技術(shù)的應(yīng)用，有效提高了現(xiàn)場調(diào)試速度、打點(diǎn)精度，使程序流程和路徑更加優(yōu)化。離線仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)離線仿真示意

2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)應(yīng)具備的功能主要有：(1)與機(jī)器人保持實(shí)時(shí)的信息交流；(2)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，可以進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)操作方式；(3)實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具等工裝的控制，滿足工人操作的需要，方便工件的裝卡；(4)采用觸摸屏作為主操作盒，并與PLC控制器進(jìn)行通信；(5)具有故障檢測(cè)和報(bào)警指示功能，如圍欄安全門鎖、安全光柵、急停按鈕和夾具汽缸到位磁性檢測(cè)開關(guān)、工件安裝防錯(cuò)檢測(cè)開關(guān)等。針對(duì)機(jī)器人中不同的工作程序，如主程序、工位1子程序、工位2子程序、電極修磨程序等，通過I／O口設(shè)計(jì)不同組合的編碼。當(dāng)按下起動(dòng)鍵后，機(jī)器人根據(jù)接收到的編碼，調(diào)用不同的子程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工位的動(dòng)作。機(jī)器人集成系統(tǒng)配電信號(hào)示意如圖6所示。

機(jī)器人工作站的工作順序如下：首先接通機(jī)器人變壓器、點(diǎn)焊控制器、系統(tǒng)控制箱、機(jī)器人控制箱各部分電源，再開起冷卻水閥、氣閥開關(guān)。并要保證調(diào)出示教編程器內(nèi)的主程序，將觸摸屏上的選擇開關(guān)旋至“遙控”檔。然后就可以通過各個(gè)工位上的操作盒對(duì)工作站系統(tǒng)做“傻瓜式”操作。例如，工位1由人工裝件，按1工位操作盒的“夾緊”按鈕，則氣動(dòng)夾具夾緊工件，按工位操作盒的“起動(dòng)”按鈕，則機(jī)器人根據(jù)已經(jīng)編好的運(yùn)動(dòng)程序，自動(dòng)焊接。同時(shí)2工位人工裝件并氣動(dòng)夾緊后，按“起動(dòng)”按鈕，2工位“預(yù)約”成功，待焊。當(dāng)機(jī)器人焊完1工位工件的焊接任務(wù)后，自動(dòng)移至2工位焊接，同時(shí)1工位夾具松開，人工再次進(jìn)行工件的裝卸，以此類推，重復(fù)動(dòng)作。

考慮到機(jī)器人工作時(shí)的安全性要求，PLC程序中做了完備的報(bào)警指示功能。其中包括：壓縮空氣、冷卻水、安全門、安全光柵以及NX100機(jī)器人等報(bào)警指示功能，并通過系統(tǒng)觸摸屏及工位三色燈給予相應(yīng)的指示。如果一旦有故障發(fā)生，則機(jī)器人控制柜會(huì)切斷機(jī)器人電源，機(jī)器人自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)。待故障排除后再重新開始工作。

圖6 機(jī)器人集成系統(tǒng)配電信號(hào)示意

3 實(shí)際應(yīng)用

目前所設(shè)計(jì)的前縱梁總成件點(diǎn)焊機(jī)器人流水線系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，與傳統(tǒng)焊接方式相比，操作簡單，大幅度提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊點(diǎn)成形美觀。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了PLC及觸摸屏控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人工作站自動(dòng)、手動(dòng)操作方式，并具有良好的人機(jī)對(duì)話界面，報(bào)警和指示功能明確。

(2)實(shí)踐應(yīng)用表明，焊接系統(tǒng)穩(wěn)定，焊點(diǎn)質(zhì)量優(yōu)良，具有良好的推廣意義。

[1]林尚揚(yáng)，陳善本，李成桐.焊接機(jī)器人及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]宋玉銀，方明倫，楊洪夫，等.機(jī)器人圖形仿真系統(tǒng)的研制[J].機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化，1994，16(3)：18-20.

Design of spot welding robot workstation for longitudinal beam in automobile

LI Fang1，2，YANG Hai-lan1，2，HUA Xue-ming1，2，WU Yi-xiong1，2，3，ZHU Lin4
(1.School of Materials Science and Eng.，Shanghai Jiaotong Univ.，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification，Shanghai 200240，China；3.State Key Laboratory of Metal Matrix Composites，Shanghai Jiaotong Univ.，Shanghai 200240，China；4.Shanghai Tractor＆Internal Combustion Engine Co.，Ltd.，Shanghai 200433，China)

This paper presents a spot welding robot workstation for before longitudinal beam in automobile.It is introduced the principle，the system composition and the welding application，which has designed based on MOTOMAN ES165 spot welding robot.The research is used the off-line emulation technique to simulate the robot active status in order to make the spots assignment reasonable and effectively.The control system which has realized the operation way automatically or manually，and has the good human-machine interface is designed through OMRON PLC and touch screen.The application indicated that the welding system is stable；excellent production quality.

spot weld；teaching；robot；workstation

TG438.2

A

1001-2303(2011)07-0007-03

2010-07-07；

2011-02-20

李 芳(1978—)，女，河北磁縣人，助理研究員，博士，主要從事數(shù)字化焊接電源的研究工作。