陳威，張展鴻，鄧汝炬，馮奕強

機器人控制系統(tǒng)在整車焊裝車間的擴展應(yīng)用

陳威，張展鴻，鄧汝炬，馮奕強

（廣汽乘用車有限公司，廣東 廣州 511434）

文章研究論述的是工業(yè)機器人控制系統(tǒng)在整車焊裝車間的擴展應(yīng)用，應(yīng)用于非常規(guī)工業(yè)機械手的工況。通過提供在整車焊裝車間中的運動控制的若干解決方案，解決特定工況下運動控制中存在的成本高、設(shè)備占地空間大、故障率高、維護困難等諸多困擾生產(chǎn)線投入運行的課題，以提高焊裝車間的生產(chǎn)線技術(shù)水平。

機器人控制系統(tǒng)；運動控制；標準化；焊裝車間；伺服定位；柔性控制；擴展應(yīng)用

1 前言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車價格不斷降低、人工成本不斷攀升，全球汽車企業(yè)不斷提升生產(chǎn)線自動化程度以優(yōu)化生產(chǎn)效率、降低人工成本，生產(chǎn)線的規(guī)劃合理性需要更多解決方案。

焊裝車間設(shè)備數(shù)量繁多，生產(chǎn)線需要適用多車型共用生產(chǎn)線，不同車型之間使用柔性切換有成本低、占地小、維護簡單、操作方便、工藝性好等優(yōu)點。其中運動控制方便有多個領(lǐng)域存在較大提升空間。

2 機器人控制系統(tǒng)擴展應(yīng)用

2.1 機器人控制系統(tǒng)

本文機器人控制系統(tǒng)一般指常見的用于控制工業(yè)機器人的電氣系統(tǒng)，集成了復(fù)雜的、精細的控制算法[1]，用于控制工業(yè)機器人設(shè)備的運動，實現(xiàn)機器人的高速、高精度[2]、高靈敏度的運動[3]，一般工業(yè)機器人的重復(fù)定位精度可達±0.08mm以內(nèi)。

本文主要討論采用機器人控制系統(tǒng)在整車焊裝車間擴展應(yīng)用，完成設(shè)計開發(fā)者的運動控制方案。

2.2 機器人控制系統(tǒng)擴展應(yīng)用

機器人控制系統(tǒng)的擴展應(yīng)用，指無需要機器人本體，采用機器人控制系統(tǒng)及其他第三方機構(gòu)完成的運動控制應(yīng)用。如下圖1，左邊為傳統(tǒng)機器人控制，右邊為機器人控制系統(tǒng)用于擴展至其他非機器人運動控制示意圖，只需要控制系統(tǒng)及驅(qū)動電機，配合其他運動機構(gòu)，實現(xiàn)運動控制。使用的伺服電機模擬成機器人控制系統(tǒng)識別的機器人的各個軸。

圖1 擴展應(yīng)用示意圖

如KUKA機器人KRC4控制系統(tǒng)可實現(xiàn)控制1-16個軸，即可最多控制16個電機執(zhí)行機構(gòu)。每個執(zhí)行機構(gòu)可根據(jù)實際的需求設(shè)計不同的樣式，包括直線運動、轉(zhuǎn)動、組合運動、兩軸同步、多組同步等。

擴展應(yīng)用的操作與操作機器人一樣，利用示教器進行編程，簡單、方便。

以下是幾種在焊裝車間具有代表意義的廣泛運用的案例。

2.2.1夾具庫切換控制

如下圖2，4個庫位夾具庫切換系統(tǒng)中，圖示①為X切換軸，圖示②③④⑤為4個車型的存放庫位控制軸。

如圖2左圖，傳統(tǒng)方案采用馬達柜非標集成，變頻器分散控制各夾具庫進行空控制切換。

機器人擴展應(yīng)用方案為，采用機器人控制系統(tǒng)控制，如圖2右圖，使用5個機器人可識別的電機（機器人廠家可選列表），外部輔以執(zhí)行機構(gòu)，這樣，夾具庫的各軸被模擬成機器人算法框架內(nèi)的軸，采用機器人成熟的控制系統(tǒng)及編程語言進行編程控制。如需再增加車型，可最多擴展至16軸，即15個車型，滿足焊裝車間不同車型數(shù)量的需要。尤其在焊裝分步導入車型時，只需要簡單擴展電機，在機器人系統(tǒng)作簡單的編程，即可實現(xiàn)對新增車型的夾具切換控制，大大降低集成的工時和難度。

圖2 夾具庫切換控制

以4個夾具庫的切換為例，傳統(tǒng)方案需要3個馬達控制柜進行控制，需要采用PLC進行編程控制。而應(yīng)用機器人控制系統(tǒng)控制方案，只需要一個控制柜，且由機器人系統(tǒng)編程即可實現(xiàn)控制。

同時，機器人擴展應(yīng)用方案具備投資成本低、硬件緊湊、占地面積少、系統(tǒng)成熟、操作簡單、集成方便、擴展能力強、標準化程度高等一系列優(yōu)點。

2.2.2多組同步舉升控制

2.2.2.1 同步運動

機器人控制系統(tǒng)算法中的同步運動是一個非常實用且先進的技術(shù)，可實現(xiàn)兩個電機的位置實時同步、速度實時同步，兩個電機其中一個為主軸、另一個則為從軸，只需要示教主軸的位置，從軸則會跟著同步運動。在一些需要采用2個電機驅(qū)動2個執(zhí)行機構(gòu)單獨運動的工況下，具有非常明顯的優(yōu)勢。

2.2.2.2 多組同步舉升控制

如下應(yīng)用，焊裝車間的地板分拼工位（又稱3P工位），前地板、前機艙、后地板三個工件需要舉升，如圖3。

圖3 3P工位示意圖

如圖4，但由于每個工位采用AGV運輸，AGV需要通過工位，所以左、右兩同步舉升的傳統(tǒng)方案有以下兩種：①為采用氣缸驅(qū)動，調(diào)速閥控制以調(diào)整同步性，②采用變頻器控制電機進行驅(qū)動，每個上件口通過挖地坑的方式用于布局左右兩側(cè)的聯(lián)軸器以及電機。但是這兩種方案均存在較大弊端，如方案①氣動控制容易出現(xiàn)漏氣導致兩側(cè)不同步、精度差、調(diào)試困難、運行不穩(wěn)定、節(jié)拍慢等缺點，方案②挖地坑布局導致點檢、保養(yǎng)、維修困難。此外，還在兩種方案均由于運行不平穩(wěn)導致設(shè)備壽命短等、3個上剪口距離遠，操作盲區(qū)大等課題。

圖4 上件口示意圖

機器人擴展應(yīng)用方案，如下圖5控制架構(gòu)示意圖，采用機器人控制系統(tǒng)控制，每個上件口兩側(cè)使用獨立的2個電機進行驅(qū)動，利用機器人控制系統(tǒng)的位置同步控制功能，保證兩側(cè)舉升完全同步。同時，3個上件口采用相同方案，并且由一套機器人控制系統(tǒng)對3個上件口共3組同步軸進行集中、同時控制。如此方案可解決以上傳統(tǒng)控制方案出現(xiàn)的諸多課題。

圖5 3P工位控制原理圖

2.2.2.3 多組混合同步運動控制

如下圖6運動組件（下成傳送機構(gòu)），焊裝車間的工件搬運，與高速運轉(zhuǎn)的往復(fù)桿配合使用，如應(yīng)用在地板總成線、車身線。傳送機構(gòu)兩側(cè)分別設(shè)計一個舉升機構(gòu)，用于工件的舉升和下降；傳送機構(gòu)兩側(cè)分別設(shè)計一個水平輸送機構(gòu)，用于工件的從一個工位到下一個工位的傳輸；

圖6 傳送機構(gòu)運動示意圖

傳統(tǒng)方案，如圖7左圖，采用2個非標集成的馬達控制柜進行控制，其中水平左右兩側(cè)電機同步控制，左右兩側(cè)電機豎直同步控制。但是該方案現(xiàn)場使用故障率較高，時常出現(xiàn)通訊延時導致兩側(cè)不同步故障，恢復(fù)時手動操作困難。

對以上方案存在的弊端，采用機器人系統(tǒng)擴展應(yīng)用方案，如下圖7右圖，4個電機模擬成機器人軸，分別控制左右兩側(cè)的水平、豎直方向的機構(gòu)。其中，左右兩側(cè)水平電機為位置同步控制，左右兩側(cè)豎直電機為位置同步控制，并且由一套機器人控制系統(tǒng)對傳送機構(gòu)所有動作進行集中控制。該方案利用機器人的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)方案存在的課題，此外，也能夠減少非標集成的柜體的占地面積、操作更加靈活，低延時的程序運行也降低了設(shè)備運行的時間。方案對比如下圖所示：

圖7 傳送機構(gòu)控制原理

2.3 應(yīng)用軸擴展及低成本采購方法

機器人控制系統(tǒng)的柔性擴展較方便，只需要硬件按照規(guī)劃一次性預(yù)留好，在擴展軸時，修改軟件程序部分的配置，即可輕易實現(xiàn)擴展。如本文上述夾具庫切換控制方案中，焊裝生產(chǎn)線如滿載車型數(shù)量為4個，一期導入1個，后期逐步追加至4個。機器人控制系統(tǒng)擴展應(yīng)用的方案，可在第一款車型導入的時候整體規(guī)劃，控制柜配置4個軸的伺服包，后續(xù)增加車型夾具庫只需要增加電機和電纜，以及外部的執(zhí)行機構(gòu)，而不需要像傳統(tǒng)方案一樣非標集成電氣柜體。

關(guān)于成本的控制，則應(yīng)是一次性根據(jù)項目的規(guī)劃購入足額配置以降低采購成本，避免后期采購的時候購買用于擴展的備件，因為如此，機器人廠家通常是以備件的價格銷售，成本會大幅增加。后續(xù)增加配置的通常還需要廠家專業(yè)人員對柜體進行改造升級，也是較大的成本的支出部分。如上述一套4庫位的機器人控制系統(tǒng)合計需要5個軸，一期導入一個車型只需要2個軸（庫位軸及切換軸），為降低成本，一次性應(yīng)按照規(guī)劃好的4庫位進行配置機器人控制系統(tǒng)。

2.4 擴展應(yīng)用優(yōu)勢總結(jié)

機器人控制系統(tǒng)擴展應(yīng)用的優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在成本、集成效率、電氣柜體占地空間、操作性、標準化、擴展能力、故障率、運行速度、想要節(jié)拍等方面，以國內(nèi)某著名汽車品牌焊裝一個車間應(yīng)用為例，該車間合計使用機器人系統(tǒng)控制的夾具庫控制系統(tǒng)30套，節(jié)約工廠占地面積72m2，節(jié)約投資150萬（僅設(shè)備投資，不含集成工時、人工成本節(jié)約等），以下為一套機器人控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)方案的主要優(yōu)勢總結(jié)。

表1 4車型夾具庫控制系統(tǒng)（一套）

3 結(jié)束語

本文是按照焊裝車間適用范圍的運動控制采用的機器人控制系統(tǒng)的擴展應(yīng)用的探討，介紹了多種代表性的焊裝車間應(yīng)用，為當前眾多自動線升級改造、手工線改自動線、新建車間等項目提供可實現(xiàn)、風險較低、成本低、速度快的方案作為參考。

機器人控制系統(tǒng)擴展應(yīng)用簡單，但非常實用。擴展方案圍繞已成熟的機器人系統(tǒng)為中心，利用其優(yōu)勢，以電機及外部非標多樣式的執(zhí)行機構(gòu)為實現(xiàn)目標，輔以編程，實現(xiàn)現(xiàn)場的集中運動控制，該系統(tǒng)在焊裝車間是一套極具競爭力的運動控制系統(tǒng)。

[1] 黃文嘉.工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].杭州:浙江工業(yè)大學.2015.

[2] 林立,秦芳清,陳瑋,等.工業(yè)機器人伺服控制系統(tǒng)建模及仿真[J].邵陽學院學報(自然科學版).2019(6).

[3] 謝完成.多軸運動控制器在機械手上的研究[J].計算機測量與控制, 2010,18(008):1783-1785.

Extended Application of Robot Control System in Vehicle Welding Workshop

Chen Wei, Zhang Zhanhong, Deng Ruju, Feng Yiqiang

（Guangzhou Automobile Group Motor Co. Ltd., Guangdong Guangzhou 511434）

This paper studies and discusses the extended application of industrial robot control system in the whole vehicle welding workshop, applied to the working condition of unconventional industrial manipulator. In order to improve the technical level of the production line in the welding workshop, several solutions for motion control in the whole vehicle welding workshop were provided to solve the problems that troubled the operation of the production line, such as high cost, large equipment occupation space, high failure rate and maintenance difficulty, etc., in specific working conditions.

Robot control system; Motion control; Standardization; Welding workshop; Servo positioning; Flexible control; Extended application

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.037

U466

A

1671-7988(2021)06-120-04

U466

A

1671-7988(2021)06-120-04

陳威，本科，就職于廣汽乘用車有限公司，研究方向：機器人應(yīng)用技術(shù)、汽車生產(chǎn)線設(shè)備技術(shù)。