劉海龍，楊 利，吳海波

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

0 引言

焊接加工作業(yè)在機械類金屬產(chǎn)品制造中廣泛應(yīng)用，由于人工焊接作業(yè)環(huán)境惡劣、對人眼危害大、危險性高，焊接機器人代替人工焊接作業(yè)已是發(fā)展的必然趨勢[1-2]。根據(jù)焊接作業(yè)的環(huán)境及工藝特點針對性設(shè)計的工業(yè)機器人稱為焊接機器人，焊接機器人的廣泛應(yīng)用不僅可以極大提高工作效率、保證焊接質(zhì)量，還能讓操作人員遠離惡劣的作業(yè)環(huán)境[3]。

針對自動焊接工作站系統(tǒng)，文獻[4]等人提出一種基于RobotStudio的焊接機器人工作站設(shè)計方案，該方案成熟的考慮了自動焊接的基本功能，但對異形件需變位配合焊接的情況尚未考慮。焊接加工一般需要對工件的多個面進行焊接，因此焊接機器人需要設(shè)計相匹配的變位機和周邊設(shè)備組成工作站系統(tǒng)，用于完成指定的焊接任務(wù)[5]。變位機平臺可以設(shè)計成大小、角度可調(diào)節(jié)的多功能工件安裝板，配合變位機的2軸可實現(xiàn)工件的上下、前后360°角度調(diào)節(jié)，可極大擴展焊接工作站的適用范圍[6]。文獻[7]等人提出一種多軸協(xié)同運動機器人焊接工作站設(shè)計方案，該方案采用一種可移動的大型導(dǎo)軌用于安裝焊接機器人的基座，利用該移動導(dǎo)軌可極大增加焊接機器人的作業(yè)范圍，但同時也提高了系統(tǒng)的硬件成本，由于焊接機器人執(zhí)行機構(gòu)重量較大，在底座運動過程的同時需要保證焊接的精度，需要配合精確的程序控制邏輯，影響程序的運行效率。本方案采用變位機和搬運機器人配合焊接機器人的焊接作業(yè)代替安裝導(dǎo)軌方式，在保證焊接機器人適應(yīng)性的同時還簡化程序設(shè)計過程；當(dāng)產(chǎn)品更換或升級后，只需要對焊接機器人的程序進行重新設(shè)計，即可達到柔性生產(chǎn)要求。

RobotStudio虛擬仿真技術(shù)是借助于工業(yè)機器人和計算機技術(shù)，在焊接工作站硬件生產(chǎn)之前進行規(guī)劃實施方案并驗證其功能的完整性[8]。其基本思路是利用SolidWorks以1:1比例設(shè)計實際工作場景設(shè)備模型，并導(dǎo)入到RobotStudio構(gòu)建工作站和機器人系統(tǒng)，程序設(shè)計人員可以在復(fù)雜環(huán)境下完成焊接機器人的軌跡規(guī)劃和程序編寫。通過虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)對系統(tǒng)的仿真與驗證，最后用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)，復(fù)雜的機器人程序也可以直接下載至機器人系統(tǒng)，對降低企業(yè)的設(shè)備研發(fā)成本、縮短了生產(chǎn)周期具有重要的作用[9-10]。

1 帶變位機焊接工作站搭建

1.1 工作站仿真建模

RobotStudio虛擬仿真軟件可以很好兼容各類CAD軟件模型，本文中的模型組件采用SolidWorks創(chuàng)建并設(shè)計，與RobotStudio匹配格式為STEP AP203/214格式[11-12]。工作站外圍設(shè)備模型組件設(shè)計完成后，轉(zhuǎn)換為庫文件或模型文件，導(dǎo)入到RobotStudio中，仿真軟件庫中可以直接調(diào)用對應(yīng)工業(yè)機器人的示教器、控制柜、機器人本體和機器人輸送鏈模型，并根據(jù)現(xiàn)場工況設(shè)計一致的機器人I/O控制端口、通信端口等信號網(wǎng)絡(luò)[13]。

選用ABB IRB1410焊接機器人，其重復(fù)定位精度可達0.05 mm，性能穩(wěn)定且使用壽命長，是市場上主流的焊接工業(yè)機器人之一[14]；機器人系統(tǒng)配置了焊接單元控制模塊，可實現(xiàn)機器人的實時控制功能[15]。采用ABB IRB4400搬運機器人實現(xiàn)自動焊接工作站的定位、位置配合及上下料作業(yè)，IRB4400型工業(yè)機器人為專用搬運、裝配工業(yè)機器人，最大負載能力為60 kg，最大臂展1.96 m，配合多功能工具裝置，非常適合于本焊接對象的定位及上下料作業(yè)。下料裝置由活動的輸送鏈組成，在輸送鏈的末端設(shè)計預(yù)留接口，與工件加工中下一道工序的上料接口進行對接，具有良好的擴展性。建模完成后將模型組件導(dǎo)入完成后，打開工業(yè)機器人的“顯示帶工具后的3D工作區(qū)域”，確保整個作業(yè)過程點均在機器人可到達范圍。搭建完成后的自動焊接工作站模型如圖1所示。

圖1 自動焊接工作站模型圖

1.2 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

自動焊接工作站包括焊接機器人、上下料機器人、對應(yīng)控制柜、示教器、焊接電源、焊槍、CO2氣源、傳感器網(wǎng)絡(luò)、變位機工作臺、輸送鏈以及外圍設(shè)備組成。其中焊接工業(yè)機器人和搬運工業(yè)機器人均有獨立的控制柜IRC5P和示教器，控制柜為機器人的控制核心，執(zhí)行機構(gòu)的控制邏輯及IO擴展端口均在控制柜中配置支持，示教器為機器人的人機交互和現(xiàn)場程序調(diào)試端；為了保證焊接效果，需要獨立配置CO2保護氣體。搬運工業(yè)機器人通過以太網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)與焊接機器人進行通信和邏輯控制，由多功能夾具執(zhí)行工件的定位和上下料作業(yè)，最后通過輸送鏈傳輸至末端下一道工序。系統(tǒng)的整體贏家結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 自動焊接工作站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 焊接系統(tǒng)的參數(shù)配置

2.1 焊機參數(shù)的設(shè)置

焊接對象工件采用800 mm×400 mm×6 mm的Q235薄板低碳，為保證低碳鋼的焊縫質(zhì)量，模擬采用冷金屬過渡焊技術(shù)[16]，焊接電流參數(shù)配置為25 A，焊接電壓25.5 V。CMT冷金屬過渡焊技術(shù)采用短路過渡原理，焊絲送絲速度需要與熔滴過渡過程進行協(xié)調(diào)控制，最大避免普通短路過渡時造成的飛濺，實現(xiàn)無飛濺弧焊[17]。根據(jù)現(xiàn)場工藝要求，焊絲送絲速度2.8 m/min,焊接速度3 m/min。

為了使焊接過程中的焊點位置得到有效保護，在弧焊前必須引入氣體保護，提前清空點位其他氣體，停焊后也必須不間斷氣體保護，保證融化金屬凝固質(zhì)量[18]。同時為減少飛濺，CO2保護氣體純度>99.5%。詳細參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)表

2.2 焊槍工具坐標系的創(chuàng)建

工具坐標系是為了機器人在作業(yè)時實現(xiàn)工具的目標點TCP精確的到達指定的工件目標點位置[19]。焊接機器人默認的工具坐標系位于機器人法蘭盤的中心點，為提高焊接精度，必須根據(jù)焊槍的外形和焊接要求重新定義工具坐標系和TCP點[20]。由于焊槍外形為非規(guī)則性，為保證精度，采用“六點法”創(chuàng)建其工具坐標系。其中前三點為相差較大的機器人3種姿態(tài)，第四點定義工具垂直固定點，第五點定義工具坐標系的X軸正方向，第六點定義坐標系的Z軸正方向，Y軸則由系統(tǒng)后臺計算得出[21]。“六點法”定義完成后設(shè)置焊槍參數(shù)，完成創(chuàng)建。焊槍參數(shù)表如表2所示。

表2 焊槍工具坐標系參數(shù)表

設(shè)置完成后，系統(tǒng)生成整個新坐標系的誤差參數(shù)，重點參數(shù)平均誤差≤0.2和最大誤差≤0.5時，達到工藝要求，否則需要重新標定配置。驗證坐標系的精確度采用“重定位”模式操縱工具TCP靠近任意參考點，測量運動時工具TCP與參考的偏移值即可驗證。

2.3 數(shù)字信號設(shè)計與關(guān)聯(lián)

焊接工作站采用DSQC651通信板卡，有16路數(shù)字輸出和16路數(shù)字輸入信號。數(shù)字輸出信號主要用于控制開關(guān)量設(shè)備，在焊接機器人工作站中，開關(guān)量控制設(shè)備有送氣、送絲、起弧、變位機啟動等設(shè)備。數(shù)字輸入信號主要用于開關(guān)量傳感器信號采集，設(shè)備有變位機到位信號、起弧檢測信號、保護氣體檢測信號和焊接準備就緒信號等。數(shù)字信號配置表如表3所示。

表3 數(shù)字信號配置表

2.4 模擬信號設(shè)計與關(guān)聯(lián)

焊接機器人工作站的焊接電源、電壓輸出和電流輸出是通過模擬信號輸出。焊接機器人的示教器中配置了焊接設(shè)備程序模塊ARC1_EQUIP_T_ROB1,打開該模塊后，在“ARC Equipment Analogue Outputs”中關(guān)聯(lián)焊接設(shè)備的模擬信號輸出參數(shù) AoWeld_REF、AoFeed_REF。在模擬信號關(guān)聯(lián)之前需要在I/O模塊中對模擬信號進行添加和定義[22]。詳細參數(shù)如表4所示。

表4 模擬信號配置表

3 程序設(shè)計與仿真

3.1 焊接工作流程

系統(tǒng)啟動后首先要對設(shè)備、焊接機器人、搬運機器人、I/O狀態(tài)、外圍設(shè)備狀態(tài)進行初始化，檢查硬件設(shè)備的準備就緒狀態(tài)數(shù)據(jù)是否正確初始狀態(tài)，若存在異常及時再復(fù)位處理同時報警。硬件準備完成后啟動焊接作業(yè)，此時搬運機器人完成工件的上料并控制定位，焊接工業(yè)機器人到達焊接目標點起點位置，啟動送氣和送絲控制，完成焊接作業(yè)；完成一面焊接工序后，需要啟動變位機控制轉(zhuǎn)換工件的角度，實現(xiàn)多方向焊接功能。焊接作業(yè)工作邏輯根據(jù)現(xiàn)場工藝要求，為保護弧點和弧坑，在焊接之前就需要對電弧區(qū)進行供氣，排除附近的氣體，在焊接完成后繼續(xù)對電弧區(qū)持續(xù)供電1 s保護，防止被氧化。與此同時送絲步驟也要同時進行，避免焊絲末端粘連，最后再進行復(fù)位停電操作。焊接完成后，焊接機器人將發(fā)送完成控制指令給搬運機器人，搬運機器人收到指令后進行下料至輸送鏈，最后由PLC控制輸送鏈運動至下一道工序。整個焊接工序完成后提示是否繼續(xù)下一個工件的焊接，否則直接硬件復(fù)位及停機。整個自動焊接工作站可全自動運行，實現(xiàn)無人化作業(yè)，詳細工作流圖如圖3所示。

圖3 焊接工作流程圖

3.2 關(guān)鍵焊接程序設(shè)計

焊接機器人工作站模型建立完成后，開始進行焊接程序的設(shè)計。焊接程序設(shè)計的關(guān)鍵點在于焊接機器人的焊接路徑的精確規(guī)劃和焊槍的準確控制。其中機器人的規(guī)劃采用TCP跟蹤10 mm,可以清晰地跟蹤TCP路徑并驗證其合理性。為實現(xiàn)焊槍與工件對象位置的精確偏移量，添加接近檢測功能，安全距離控制在2 mm之內(nèi)，當(dāng)焊槍與工件之間的軌跡小于2 mm時顯示預(yù)警黃色，該方法可以有效控制焊接的軌跡精度。

工業(yè)機器人的程序設(shè)計根據(jù)功能的區(qū)分設(shè)置不同的功能程序模塊，由Main主函數(shù)進行邏輯控制和功能函數(shù)調(diào)用。程序設(shè)計的關(guān)鍵點在于對工件定位、軌跡規(guī)劃和打磨角度轉(zhuǎn)換的配合方面；在程序設(shè)計中，為防止出現(xiàn)硬件設(shè)備的穩(wěn)定性需要在第一步進行硬件初始化，如I/O端口的初始狀態(tài)、變量初始狀態(tài)等。由于機器人過渡點與變位機的動作邏輯較多，此處以焊接主程序模塊舉例，展示工作邏輯，其主程序如下：

CONST.robtarget.pWeld_10 :=[……];

!定義焊接起點位置

CONST.robtarget.pWeld_20 :=[……];

!定義焊接終點位置

PROC main()!主程序

rInitAll;!初始化設(shè)備狀態(tài)

VelSet 150,300;!速度控制

ClkStart clock;!計時開始

Set Do_ Positioner；!配置變位機角度

GasShieldOpen();!啟動氣體保護

WaitTimer 1;!提前供氣1s

WaitDI Di_RobotRy&Di_WorkpieceRy,1;

!等待機器人就位信號

MoveL pStart,v150,fine,tWeldGunToolwobj

:=Weldwobj;!焊接開始準備

ArcLStart p10,v150,seaml,weld,fine,tWeld

GunToolwobj:=Weldwobj;

!直線焊縫焊接

ArcC p30,p40,v100,seam1,weld,fine，tWeld

GunToolwobj:=Weldwobj;

!圓弧焊縫焊接

ArcCEnd p80,p90,v100,seam1,weld,fine,

tWeldGunToolwobj:=Weldwobj;

!圓弧焊接結(jié)束

GasShieldClose();!啟動氣體保護

WaitTimer 1;!供氣保護延續(xù)1s

ClkStop clock;!停止計時

Time1:=ClkRead(clock1);!讀取時鐘

ClkStart Timer;!統(tǒng)計機器人運行時間

WaitDI Di_WeldGun,1;!焊槍復(fù)位

ReSet Do_Positioner；!切換變位機角度

Movel Home;!機器人回到home 點

ENDWHILE

ENDPROC

……

4 實驗結(jié)果與分析

完成模型設(shè)計、工作站邏輯、參數(shù)配置及焊接程序后，利用SolidWorks仿真模塊驗證并生成系統(tǒng)程序，下載至現(xiàn)場機器人示教器中進行實驗驗證和結(jié)果分析。

1)實驗設(shè)備系統(tǒng)上電前，首先需要準備送絲機的焊絲安裝和配置，焊絲直徑采用1.0 mm實芯碳鋼；CO2儲氣瓶準備就緒，節(jié)流閥調(diào)節(jié)到位；添加清槍機清槍液達到指示液位位置；焊煙凈化器與實驗工件位置進行調(diào)節(jié)，根據(jù)仿真的運行路徑調(diào)節(jié)到最佳位置，同時避免與機器人的軌跡發(fā)生碰撞。

2)機器人自動焊接系統(tǒng)的工作邏輯功能驗證的可行性。一方面驗證焊接作業(yè)的工作邏輯的合理性，另一方面驗證多工業(yè)機器人、變位機、焊機多設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)動延時的準確性。在現(xiàn)場實際操作之前需要配置系統(tǒng)參數(shù)，如指針p指向main主程序、輸入信號diStart，并設(shè)置焊接機器人軌跡跟蹤曲線。單擊“仿真-播放”，啟動觸發(fā)信號diStart置1，系統(tǒng)機器人硬件初始化、焊槍設(shè)備初始化，機器人接收線傳感器準備就緒信號后，進入焊接程序軌跡開始焊接作業(yè)，同時協(xié)同變位機同步調(diào)整工件的位置姿態(tài)。通過現(xiàn)場驗證表明機器人與變位機、機器人與焊機等設(shè)備的聯(lián)動邏輯正確，系統(tǒng)各部件延時精準，達到設(shè)計要求。

3)機器人自動焊接系統(tǒng)的焊接軌跡精度的測試與分析。在仿真運行過程中通過 TCP 軌跡跟蹤功能查看仿真路徑是否與焊縫輪廓一致，如果不一致，需要重新修改示教目標點位置，再次編程運行。最后將程序?qū)胫连F(xiàn)場工作站中運行實際焊接點位測量值與理論值的對比。計算系統(tǒng)的誤差值，測試結(jié)果如表5所示。

其中在表5中，(x,y,z)為焊接工件中任選目標測試點的大地坐標系下的坐標值。由多次試驗可知，機器人被引導(dǎo)的定位計算數(shù)據(jù)誤差均在0.5 mm之內(nèi)，滿足課題設(shè)計要求和一般工業(yè)通用性要求。在 RobotStudio 仿真軟件中，Smart 組件可以方便的模擬出焊接視圖效果。并在Smart 動態(tài)外圍器件的設(shè)計中，對機器人、變位機、焊槍等設(shè)備均設(shè)計了豐富的對外接口，方便多設(shè)備的關(guān)聯(lián)和通信，同時整個焊接工作站也具有良好的擴展性。通過仿真和調(diào)試，整個工作站能夠循環(huán)、平穩(wěn)、高效運行，大大提高現(xiàn)場調(diào)試效率和調(diào)試周期，達到了預(yù)期設(shè)計目標。

表5 試驗測試結(jié)果對比

5 結(jié)束語

根據(jù)焊接機器人工作站的作業(yè)特點和工藝要求，利用RobotStudio虛擬仿真軟件設(shè)計了焊接機器人帶變位機工作站。在工作站中設(shè)計焊接機器人、氣瓶裝置、焊槍工具、變位機和焊接工件等設(shè)備的模型組件，并配置了I/O控制參數(shù)、傳感器檢測組件、工作邏輯等系統(tǒng)參數(shù)。最后通過系統(tǒng)工作站邏輯和機器人離線軌跡程序?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)的生產(chǎn)功能驗證和動態(tài)仿真。焊接工作站驗證后的系統(tǒng)參數(shù)和機器人程序軌跡可以通過以太網(wǎng)或USB下載至同型號的現(xiàn)場焊接機器人中，可以方便實現(xiàn)功能同步。本方案利用仿真技術(shù)有效地解決了以焊接機器人工作站硬件研發(fā)投資大、調(diào)試危險系數(shù)高、機器人路徑規(guī)劃難等難點問題，為實際工作站的設(shè)計與研發(fā)提供理論依據(jù)和驗證平臺，對于提高焊接質(zhì)量和效率具有重要的指導(dǎo)意義。