梁文禎

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510635)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛。焊接技術(shù)是汽車制造業(yè)中的重要環(huán)節(jié)。隨著現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展和對(duì)焊接產(chǎn)品質(zhì)量、數(shù)量的需求不斷提高，以焊接機(jī)器人為核心的焊接自動(dòng)化技術(shù)已有了長(zhǎng)足的發(fā)展［1］。汽車工業(yè)是點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)一個(gè)典型的應(yīng)用領(lǐng)域，在裝配每臺(tái)汽車本體時(shí)，大約60%的焊點(diǎn)是由機(jī)器人完成［2］。焊接機(jī)器人的自主化和智能化對(duì)于減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高機(jī)器人的焊接質(zhì)量具有重要意義。因此，汽車點(diǎn)焊機(jī)器人控制系統(tǒng)的研發(fā)顯得尤為重要。筆者設(shè)計(jì)了一套汽車點(diǎn)焊機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

汽車點(diǎn)焊機(jī)器人控制系統(tǒng)由控制器、人機(jī)界面、焊接機(jī)器人、電極研磨器、焊接控制器、操作臺(tái)、夾具以及安全保護(hù)裝置組成，如圖1 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

控制器選用OMRON CS1 PLC，具有快速的掃描時(shí)間，較大的I/O 吞吐量，足夠大的內(nèi)部RAM，支持DEVICENET 總線技術(shù)通訊，中、大規(guī)模的程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)運(yùn)算具有較高的處理能力的特點(diǎn)。

2.2 焊接機(jī)器人

為了滿足生產(chǎn)要求，點(diǎn)焊機(jī)器人選用關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人，一般具有六個(gè)自由度:腰轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺及腕捻。其驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)，其中電氣驅(qū)動(dòng)具有保養(yǎng)維修簡(jiǎn)單、能耗低、速度快、精度高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。汽車點(diǎn)焊機(jī)器人要求動(dòng)力強(qiáng)勁，結(jié)實(shí)可靠，焊槍定位精度在±0.4 mm 以下。本系統(tǒng)選用KUKA KR2000 機(jī)器人，具有最大負(fù)荷200 kg，焊槍定位精度為±0.1 mm，工作穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)速度快等特點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)需求［3-4］。

2.3 焊接控制器

焊接控制器選用Rexroth Bosch 焊接控制器，能夠?qū)﹄姌O壓力(預(yù)壓、加壓、維持、休止)時(shí)間和電極電流(預(yù)熱、焊接、熱處理脈沖)時(shí)間進(jìn)行任意編程，具有電極焊接計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、提示修磨電極更換的功能。

2.4 電極研磨器

電極研磨器選用ORARA 的V 型電極研磨器，具有防止上下電極的對(duì)中偏差，短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行切削，低噪音的電動(dòng)馬達(dá)加齒輪驅(qū)動(dòng)，內(nèi)置能減緩對(duì)焊槍和研磨器造成沖擊的平衡器的特點(diǎn)。

2.5 安全保護(hù)裝置

為防止機(jī)器人作業(yè)時(shí)造成傷人事故，采用多重安全防護(hù)技術(shù)。安全防護(hù)包括急停控制回路和安全控制回路。常用的安全保護(hù)裝置有安全光柵、安全鎖、安全繼電器、光電開關(guān)、安全地毯、安全激光掃描儀等。安全保護(hù)的設(shè)計(jì)采用雙通道結(jié)構(gòu)的安全回路，嚴(yán)重的安全信號(hào)能令機(jī)器人急停，較低的安全信號(hào)令機(jī)器人暫停。

2.6 夾具

在焊接過程中，合理的夾具結(jié)構(gòu)有利于合理安排流水線生產(chǎn)，便于平衡工位，降低非生產(chǎn)用時(shí)。汽車焊接材料主要是薄鋼板，剛性差、易變形。在結(jié)構(gòu)上，焊接散件大多數(shù)是具有空間曲面的沖壓成形件，形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜。有些型腔很深的沖壓件，除存在因剛性差而引起的變形外，還存在回彈變形。因此，在焊裝過程中必須使用多點(diǎn)定位的專用焊裝夾具，以保證部件整體的焊接精度［5］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

點(diǎn)焊機(jī)器人控制系統(tǒng)經(jīng)過一系列的初始化設(shè)備后，進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)主要是判斷故障，處理操作臺(tái)和人機(jī)界面，控制夾具、點(diǎn)焊機(jī)器人和焊接控制器。采用OMRON 公司的軟件包CX-Programmer 軟件，支持語句表(STL)、梯形圖(LAD)和控制系統(tǒng)流程(CSF)?？刂葡到y(tǒng)主程序包括:(1)MAIN 子程序負(fù)責(zé)操作臺(tái)上的按鈕，選擇開關(guān)，急停開關(guān)等狀態(tài)的讀取，判定操作者在此操作臺(tái)上設(shè)定的操作模式;(2)DISPLAY 子程序負(fù)責(zé)相關(guān)功能界面的選擇，完成觸摸屏的顯示、觸摸屏上對(duì)各設(shè)備的操作;(3)JIG1 和JIG2 子程序負(fù)責(zé)夾具上接近開關(guān)，行程開關(guān)，氣缸上磁性開關(guān)等狀態(tài)的讀取，完成夾具的時(shí)序控制;(4)ROBOT 子程序完成機(jī)器人初始化，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種動(dòng)作時(shí)序的控制以及機(jī)器人的狀態(tài)報(bào)警等等;(5)TIMER_TIPDRESS 子程序負(fù)責(zé)監(jiān)視當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)，控制修磨時(shí)間以及電極更換。

3.2 操作臺(tái)和人機(jī)界面程序的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的人機(jī)接口包括操作面板、觸摸屏和機(jī)器人示教盒。在操作面板上，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行方式的切換、作業(yè)程序號(hào)選擇、故障復(fù)位、工件裝夾、夾具調(diào)試、急停和系統(tǒng)狀態(tài)顯示等功能。觸摸屏顯示系統(tǒng)各部分的工作狀態(tài)，并且完成一些手動(dòng)操作、參數(shù)輸入、查看報(bào)警信息等。示教盒完成機(jī)器人的示教編程及機(jī)器人工作狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置和顯示。

3.3 焊接機(jī)器人控制程序的設(shè)計(jì)

機(jī)器人動(dòng)作控制和作業(yè)信號(hào)處理是焊接機(jī)器人的主要任務(wù)。機(jī)器人動(dòng)作控制采用示教再現(xiàn)或離線編程法(OLP)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和響應(yīng)，并且具程序中斷、斷點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄和從斷點(diǎn)恢復(fù)執(zhí)行的功能。PLC采用DEVICENET 總線與KUKA 機(jī)器人進(jìn)行通訊，控制機(jī)器人完成各個(gè)生產(chǎn)工藝。KUKA 機(jī)器人擁有128 個(gè)中斷，但同時(shí)運(yùn)行的中斷不能超過32 個(gè)。中斷用于異常情況或剎車等緊急情況，并且直至問題被排除才退出中斷服務(wù)，回到程序繼續(xù)執(zhí)行。

3.4 焊接控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用BOSCH 6000 系列中頻逆變焊接控制器。利用該控制器配置焊接過程的參數(shù)(包括預(yù)壓延遲時(shí)間、預(yù)壓時(shí)間、預(yù)熱時(shí)間、預(yù)熱熱量、冷卻時(shí)間1、上升加熱時(shí)間、上升加熱熱量、焊接時(shí)間、焊接熱量、下降熱量時(shí)間、下降熱量結(jié)束值、冷卻時(shí)間2、冷卻時(shí)間3、回火時(shí)間、回火熱量、保持時(shí)間以及休止時(shí)間)?？刂破髋c焊接機(jī)器人進(jìn)行通訊，根據(jù)上面配置的焊接參數(shù)以及相應(yīng)的焊接規(guī)范進(jìn)行焊接，最終完成機(jī)器人的指令。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的汽車點(diǎn)焊機(jī)器人控制系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行一年多。機(jī)器人采用6 自由度，重復(fù)定位精度可達(dá)到±0.1 mm，停機(jī)率低，運(yùn)行穩(wěn)定。實(shí)踐應(yīng)用表明，系統(tǒng)滿足了工廠的汽車焊接工藝要求，取得了良好的社會(huì)效果和較好的運(yùn)營(yíng)效益。

【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】盧本.焊接機(jī)器人的類型和應(yīng)用［J］.現(xiàn)代焊接，2006，7(6):11 -15.

【3】陳善本，林濤.智能化焊接機(jī)器人技術(shù)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

【4】方少勇.焊接機(jī)器人在汽車座椅骨架焊接中的應(yīng)用［J］.焊接技術(shù)，2008，37(1):62 -64.

【5】趙靜，張俊華，李春植，鄧早春. 汽車車身焊裝生產(chǎn)線和焊裝夾具簡(jiǎn)介［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2007(1):51 -53.