陳威，張展鴻，鄧汝炬，馮奕強(qiáng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)在整車焊裝車間的擴(kuò)展應(yīng)用

陳威，張展鴻，鄧汝炬，馮奕強(qiáng)

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

機(jī)器人控制系統(tǒng)；運(yùn)動控制；標(biāo)準(zhǔn)化；焊裝車間；伺服定位；柔性控制；擴(kuò)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(hù)簡單、操作方便、工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。其中運(yùn)動控制方便有多個領(lǐng)域存在較大提升空間。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用

2.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)

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

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

2.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用

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

圖1 擴(kuò)展應(yīng)用示意圖

如KUKA機(jī)器人KRC4控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)控制1-16個軸，即可最多控制16個電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每個執(zhí)行機(jī)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際的需求設(shè)計(jì)不同的樣式，包括直線運(yùn)動、轉(zhuǎn)動、組合運(yùn)動、兩軸同步、多組同步等。

擴(kuò)展應(yīng)用的操作與操作機(jī)器人一樣，利用示教器進(jìn)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(yùn)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(dá)柜非標(biāo)集成，變頻器分散控制各夾具庫進(jìn)行空控制切換。

機(jī)器人擴(kuò)展應(yīng)用方案為，采用機(jī)器人控制系統(tǒng)控制，如圖2右圖，使用5個機(jī)器人可識別的電機(jī)（機(jī)器人廠家可選列表），外部輔以執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣，夾具庫的各軸被模擬成機(jī)器人算法框架內(nèi)的軸，采用機(jī)器人成熟的控制系統(tǒng)及編程語言進(jìn)行編程控制。如需再增加車型，可最多擴(kuò)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(dǎo)入車型時，只需要簡單擴(kuò)展電機(jī)，在機(jī)器人系統(tǒng)作簡單的編程，即可實(shí)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(dá)控制柜進(jìn)行控制，需要采用PLC進(jìn)行編程控制。而應(yīng)用機(jī)器人控制系統(tǒng)控制方案，只需要一個控制柜，且由機(jī)器人系統(tǒng)編程即可實(shí)現(xiàn)控制。

同時，機(jī)器人擴(kuò)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(kuò)展能力強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2多組同步舉升控制

2.2.2.1 同步運(yùn)動

機(jī)器人控制系統(tǒng)算法中的同步運(yùn)動是一個非常實(shí)用且先進(jìn)的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)兩個電機(jī)的位置實(shí)時同步、速度實(shí)時同步，兩個電機(jī)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(yùn)動。在一些需要采用2個電機(jī)驅(qū)動2個執(zhí)行機(jī)構(gòu)單獨(dú)運(yùn)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(jī)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(yùn)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(jī)進(jìn)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(jī)。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(dǎo)致兩側(cè)不同步、精度差、調(diào)試?yán)щy、運(yùn)行不穩(wěn)定、節(jié)拍慢等缺點(diǎn)，方案②挖地坑布局導(dǎo)致點(diǎn)檢、保養(yǎng)、維修困難。此外，還在兩種方案均由于運(yùn)行不平穩(wěn)導(dǎo)致設(shè)備壽命短等、3個上剪口距離遠(yuǎn)，操作盲區(qū)大等課題。

圖4 上件口示意圖

機(jī)器人擴(kuò)展應(yīng)用方案，如下圖5控制架構(gòu)示意圖，采用機(jī)器人控制系統(tǒng)控制，每個上件口兩側(cè)使用獨(dú)立的2個電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，利用機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)對3個上件口共3組同步軸進(jìn)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(yùn)動控制

如下圖6運(yùn)動組件（下成傳送機(jī)構(gòu)），焊裝車間的工件搬運(yùn)，與高速運(yùn)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(jī)構(gòu)兩側(cè)分別設(shè)計(jì)一個舉升機(jī)構(gòu)，用于工件的舉升和下降；傳送機(jī)構(gòu)兩側(cè)分別設(shè)計(jì)一個水平輸送機(jī)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(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖

傳統(tǒng)方案，如圖7左圖，采用2個非標(biāo)集成的馬達(dá)控制柜進(jìn)行控制，其中水平左右兩側(cè)電機(jī)同步控制，左右兩側(cè)電機(jī)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(dǎo)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(jī)器人系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用方案，如下圖7右圖，4個電機(jī)模擬成機(jī)器人軸，分別控制左右兩側(cè)的水平、豎直方向的機(jī)構(gòu)。其中，左右兩側(cè)水平電機(jī)為位置同步控制，左右兩側(cè)豎直電機(jī)為位置同步控制，并且由一套機(jī)器人控制系統(tǒng)對傳送機(jī)構(gòu)所有動作進(jìn)行集中控制。該方案利用機(jī)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(biāo)集成的柜體的占地面積、操作更加靈活，低延時的程序運(yùn)行也降低了設(shè)備運(yùn)行的時間。方案對比如下圖所示：

圖7 傳送機(jī)構(gòu)控制原理

2.3 應(yīng)用軸擴(kuò)展及低成本采購方法

機(jī)器人控制系統(tǒng)的柔性擴(kuò)展較方便，只需要硬件按照規(guī)劃一次性預(yù)留好，在擴(kuò)展軸時，修改軟件程序部分的配置，即可輕易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)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(dǎo)入1個，后期逐步追加至4個。機(jī)器人控制系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用的方案，可在第一款車型導(dǎo)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(jī)和電纜，以及外部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而不需要像傳統(tǒng)方案一樣非標(biāo)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(xiàng)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(kuò)展的備件，因?yàn)槿绱?，機(jī)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(jìn)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(jī)器人控制系統(tǒng)合計(jì)需要5個軸，一期導(dǎo)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(jìn)行配置機(jī)器人控制系統(tǒng)。

2.4 擴(kuò)展應(yīng)用優(yōu)勢總結(jié)

機(jī)器人控制系統(tǒng)擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)化、擴(kuò)展能力、故障率、運(yùn)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(jì)使用機(jī)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(jī)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(yùn)動控制采用的機(jī)器人控制系統(tǒng)的擴(kuò)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(dāng)前眾多自動線升級改造、手工線改自動線、新建車間等項(xiàng)目提供可實(shí)現(xiàn)、風(fēng)險(xiǎn)較低、成本低、速度快的方案作為參考。

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

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

[2] 林立,秦芳清,陳瑋,等.工業(yè)機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)建模及仿真[J].邵陽學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2019(6).

[3] 謝完成.多軸運(yùn)動控制器在機(jī)械手上的研究[J].計(jì)算機(jī)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(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、汽車生產(chǎn)線設(shè)備技術(shù)。