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(jī)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(duì)人眼危害大、危險(xiǎn)性高，焊接機(jī)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(diǎn)針對(duì)性設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人稱為焊接機(jī)器人，焊接機(jī)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(yuǎn)離惡劣的作業(yè)環(huán)境[3]。

針對(duì)自動(dòng)焊接工作站系統(tǒng)，文獻(xiàn)[4]等人提出一種基于RobotStudio的焊接機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)方案，該方案成熟的考慮了自動(dòng)焊接的基本功能，但對(duì)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(duì)工件的多個(gè)面進(jìn)行焊接，因此焊接機(jī)器人需要設(shè)計(jì)相匹配的變位機(jī)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(jī)平臺(tái)可以設(shè)計(jì)成大小、角度可調(diào)節(jié)的多功能工件安裝板，配合變位機(jī)的2軸可實(shí)現(xiàn)工件的上下、前后360°角度調(diào)節(jié)，可極大擴(kuò)展焊接工作站的適用范圍[6]。文獻(xiàn)[7]等人提出一種多軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)機(jī)器人焊接工作站設(shè)計(jì)方案，該方案采用一種可移動(dòng)的大型導(dǎo)軌用于安裝焊接機(jī)器人的基座，利用該移動(dòng)導(dǎo)軌可極大增加焊接機(jī)器人的作業(yè)范圍，但同時(shí)也提高了系統(tǒng)的硬件成本，由于焊接機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)重量較大，在底座運(yùn)動(dòng)過程的同時(shí)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(yùn)行效率。本方案采用變位機(jī)和搬運(yùn)機(jī)器人配合焊接機(jī)器人的焊接作業(yè)代替安裝導(dǎo)軌方式，在保證焊接機(jī)器人適應(yīng)性的同時(shí)還簡化程序設(shè)計(jì)過程；當(dāng)產(chǎn)品更換或升級(jí)后，只需要對(duì)焊接機(jī)器人的程序進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，即可達(dá)到柔性生產(chǎn)要求。

RobotStudio虛擬仿真技術(shù)是借助于工業(yè)機(jī)器人和計(jì)算機(jī)技術(shù)，在焊接工作站硬件生產(chǎn)之前進(jìn)行規(guī)劃實(shí)施方案并驗(yàn)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(jì)實(shí)際工作場景設(shè)備模型，并導(dǎo)入到RobotStudio構(gòu)建工作站和機(jī)器人系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)人員可以在復(fù)雜環(huán)境下完成焊接機(jī)器人的軌跡規(guī)劃和程序編寫。通過虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的仿真與驗(yàn)證，最后用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，復(fù)雜的機(jī)器人程序也可以直接下載至機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)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(jī)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(jì)，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(jì)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(duì)應(yīng)工業(yè)機(jī)器人的示教器、控制柜、機(jī)器人本體和機(jī)器人輸送鏈模型，并根據(jù)現(xiàn)場工況設(shè)計(jì)一致的機(jī)器人I/O控制端口、通信端口等信號(hào)網(wǎng)絡(luò)[13]。

選用ABB IRB1410焊接機(jī)器人，其重復(fù)定位精度可達(dá)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(jī)器人之一[14]；機(jī)器人系統(tǒng)配置了焊接單元控制模塊，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制功能[15]。采用ABB IRB4400搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jī)器人為專用搬運(yùn)、裝配工業(yè)機(jī)器人，最大負(fù)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(duì)象的定位及上下料作業(yè)。下料裝置由活動(dòng)的輸送鏈組成，在輸送鏈的末端設(shè)計(jì)預(yù)留接口，與工件加工中下一道工序的上料接口進(jìn)行對(duì)接，具有良好的擴(kuò)展性。建模完成后將模型組件導(dǎo)入完成后，打開工業(yè)機(jī)器人的“顯示帶工具后的3D工作區(qū)域”，確保整個(gè)作業(yè)過程點(diǎn)均在機(jī)器人可到達(dá)范圍。搭建完成后的自動(dòng)焊接工作站模型如圖1所示。

圖1 自動(dòng)焊接工作站模型圖

1.2 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

自動(dòng)焊接工作站包括焊接機(jī)器人、上下料機(jī)器人、對(duì)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(jī)工作臺(tái)、輸送鏈以及外圍設(shè)備組成。其中焊接工業(yè)機(jī)器人和搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人均有獨(dú)立的控制柜IRC5P和示教器，控制柜為機(jī)器人的控制核心，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制邏輯及IO擴(kuò)展端口均在控制柜中配置支持，示教器為機(jī)器人的人機(jī)交互和現(xiàn)場程序調(diào)試端；為了保證焊接效果，需要獨(dú)立配置CO2保護(hù)氣體。搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人通過以太網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)與焊接機(jī)器人進(jìn)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(dòng)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(jī)參數(shù)的設(shè)置

焊接對(duì)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(jìn)行協(xié)調(diào)控制，最大避免普通短路過渡時(shí)造成的飛濺，實(shí)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(diǎn)位置得到有效保護(hù)，在弧焊前必須引入氣體保護(hù)，提前清空點(diǎn)位其他氣體，停焊后也必須不間斷氣體保護(hù)，保證融化金屬凝固質(zhì)量[18]。同時(shí)為減少飛濺，CO2保護(hù)氣體純度>99.5%。詳細(xì)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(biāo)系的創(chuàng)建

工具坐標(biāo)系是為了機(jī)器人在作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)工具的目標(biāo)點(diǎn)TCP精確的到達(dá)指定的工件目標(biāo)點(diǎn)位置[19]。焊接機(jī)器人默認(rèn)的工具坐標(biāo)系位于機(jī)器人法蘭盤的中心點(diǎn)，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(biāo)系和TCP點(diǎn)[20]。由于焊槍外形為非規(guī)則性，為保證精度，采用“六點(diǎn)法”創(chuàng)建其工具坐標(biāo)系。其中前三點(diǎn)為相差較大的機(jī)器人3種姿態(tài)，第四點(diǎn)定義工具垂直固定點(diǎn)，第五點(diǎn)定義工具坐標(biāo)系的X軸正方向，第六點(diǎn)定義坐標(biāo)系的Z軸正方向，Y軸則由系統(tǒng)后臺(tái)計(jì)算得出[21]?！傲c(diǎn)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(biāo)系參數(shù)表

設(shè)置完成后，系統(tǒng)生成整個(gè)新坐標(biāo)系的誤差參數(shù)，重點(diǎn)參數(shù)平均誤差≤0.2和最大誤差≤0.5時(shí)，達(dá)到工藝要求，否則需要重新標(biāo)定配置。驗(yàn)證坐標(biāo)系的精確度采用“重定位”模式操縱工具TCP靠近任意參考點(diǎn)，測量運(yùn)動(dòng)時(shí)工具TCP與參考的偏移值即可驗(yàn)證。

2.3 數(shù)字信號(hào)設(shè)計(jì)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(hào)。數(shù)字輸出信號(hào)主要用于控制開關(guān)量設(shè)備，在焊接機(jī)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(jī)啟動(dòng)等設(shè)備。數(shù)字輸入信號(hào)主要用于開關(guān)量傳感器信號(hào)采集，設(shè)備有變位機(jī)到位信號(hào)、起弧檢測信號(hào)、保護(hù)氣體檢測信號(hào)和焊接準(zhǔn)備就緒信號(hào)等。數(shù)字信號(hào)配置表如表3所示。

表3 數(shù)字信號(hào)配置表

2.4 模擬信號(hào)設(shè)計(jì)與關(guān)聯(lián)

焊接機(jī)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(hào)輸出。焊接機(jī)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(hào)輸出參數(shù) AoWeld_REF、AoFeed_REF。在模擬信號(hào)關(guān)聯(lián)之前需要在I/O模塊中對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行添加和定義[22]。詳細(xì)參數(shù)如表4所示。

表4 模擬信號(hào)配置表

3 程序設(shè)計(jì)與仿真

3.1 焊接工作流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后首先要對(duì)設(shè)備、焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、I/O狀態(tài)、外圍設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行初始化，檢查硬件設(shè)備的準(zhǔn)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(shí)再復(fù)位處理同時(shí)報(bào)警。硬件準(zhǔn)備完成后啟動(dòng)焊接作業(yè)，此時(shí)搬運(yùn)機(jī)器人完成工件的上料并控制定位，焊接工業(yè)機(jī)器人到達(dá)焊接目標(biāo)點(diǎn)起點(diǎn)位置，啟動(dòng)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(dòng)變位機(jī)控制轉(zhuǎn)換工件的角度，實(shí)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(hù)弧點(diǎn)和弧坑，在焊接之前就需要對(duì)電弧區(qū)進(jìn)行供氣，排除附近的氣體，在焊接完成后繼續(xù)對(duì)電弧區(qū)持續(xù)供電1 s保護(hù)，防止被氧化。與此同時(shí)送絲步驟也要同時(shí)進(jìn)行，避免焊絲末端粘連，最后再進(jìn)行復(fù)位停電操作。焊接完成后，焊接機(jī)器人將發(fā)送完成控制指令給搬運(yùn)機(jī)器人，搬運(yùn)機(jī)器人收到指令后進(jìn)行下料至輸送鏈，最后由PLC控制輸送鏈運(yùn)動(dòng)至下一道工序。整個(gè)焊接工序完成后提示是否繼續(xù)下一個(gè)工件的焊接，否則直接硬件復(fù)位及停機(jī)。整個(gè)自動(dòng)焊接工作站可全自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)，詳細(xì)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(jì)

焊接機(jī)器人工作站模型建立完成后，開始進(jìn)行焊接程序的設(shè)計(jì)。焊接程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于焊接機(jī)器人的焊接路徑的精確規(guī)劃和焊槍的準(zhǔn)確控制。其中機(jī)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(yàn)證其合理性。為實(shí)現(xiàn)焊槍與工件對(duì)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(shí)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(jī)器人的程序設(shè)計(jì)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(jìn)行邏輯控制和功能函數(shù)調(diào)用。程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)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(jì)中，為防止出現(xiàn)硬件設(shè)備的穩(wěn)定性需要在第一步進(jìn)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(jī)器人過渡點(diǎn)與變位機(jī)的動(dòng)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(diǎn)位置

CONST.robtarget.pWeld_20 :=[……];

!定義焊接終點(diǎn)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(jì)時(shí)開始

Set Do_ Positioner；!配置變位機(jī)角度

GasShieldOpen();!啟動(dòng)氣體保護(hù)

WaitTimer 1;!提前供氣1s

WaitDI Di_RobotRy&Di_WorkpieceRy,1;

!等待機(jī)器人就位信號(hào)

MoveL pStart,v150,fine,tWeldGunToolwobj

:=Weldwobj;!焊接開始準(zhǔn)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(dòng)氣體保護(hù)

WaitTimer 1;!供氣保護(hù)延續(xù)1s

ClkStop clock;!停止計(jì)時(shí)

Time1:=ClkRead(clock1);!讀取時(shí)鐘

ClkStart Timer;!統(tǒng)計(jì)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間

WaitDI Di_WeldGun,1;!焊槍復(fù)位

ReSet Do_Positioner；!切換變位機(jī)角度

Movel Home;!機(jī)器人回到home 點(diǎn)

ENDWHILE

ENDPROC

……

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

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

1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)上電前，首先需要準(zhǔn)備送絲機(jī)的焊絲安裝和配置，焊絲直徑采用1.0 mm實(shí)芯碳鋼；CO2儲(chǔ)氣瓶準(zhǔn)備就緒，節(jié)流閥調(diào)節(jié)到位；添加清槍機(jī)清槍液達(dá)到指示液位位置；焊煙凈化器與實(shí)驗(yàn)工件位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)仿真的運(yùn)行路徑調(diào)節(jié)到最佳位置，同時(shí)避免與機(jī)器人的軌跡發(fā)生碰撞。

2)機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)的工作邏輯功能驗(yàn)證的可行性。一方面驗(yàn)證焊接作業(yè)的工作邏輯的合理性，另一方面驗(yàn)證多工業(yè)機(jī)器人、變位機(jī)、焊機(jī)多設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)延時(shí)的準(zhǔn)確性。在現(xiàn)場實(shí)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(hào)diStart，并設(shè)置焊接機(jī)器人軌跡跟蹤曲線。單擊“仿真-播放”，啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)diStart置1，系統(tǒng)機(jī)器人硬件初始化、焊槍設(shè)備初始化，機(jī)器人接收線傳感器準(zhǔn)備就緒信號(hào)后，進(jìn)入焊接程序軌跡開始焊接作業(yè)，同時(shí)協(xié)同變位機(jī)同步調(diào)整工件的位置姿態(tài)。通過現(xiàn)場驗(yàn)證表明機(jī)器人與變位機(jī)、機(jī)器人與焊機(jī)等設(shè)備的聯(lián)動(dòng)邏輯正確，系統(tǒng)各部件延時(shí)精準(zhǔn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3)機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)的焊接軌跡精度的測試與分析。在仿真運(yùn)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(biāo)點(diǎn)位置，再次編程運(yùn)行。最后將程序?qū)胫连F(xiàn)場工作站中運(yùn)行實(shí)際焊接點(diǎn)位測量值與理論值的對(duì)比。計(jì)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(biāo)測試點(diǎn)的大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。由多次試驗(yàn)可知，機(jī)器人被引導(dǎo)的定位計(jì)算數(shù)據(jù)誤差均在0.5 mm之內(nèi)，滿足課題設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)外圍器件的設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)器人、變位機(jī)、焊槍等設(shè)備均設(shè)計(jì)了豐富的對(duì)外接口，方便多設(shè)備的關(guān)聯(lián)和通信，同時(shí)整個(gè)焊接工作站也具有良好的擴(kuò)展性。通過仿真和調(diào)試，整個(gè)工作站能夠循環(huán)、平穩(wěn)、高效運(yùn)行，大大提高現(xiàn)場調(diào)試效率和調(diào)試周期，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表5 試驗(yàn)測試結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語

根據(jù)焊接機(jī)器人工作站的作業(yè)特點(diǎn)和工藝要求，利用RobotStudio虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)了焊接機(jī)器人帶變位機(jī)工作站。在工作站中設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人、氣瓶裝置、焊槍工具、變位機(jī)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(jī)器人離線軌跡程序?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)的生產(chǎn)功能驗(yàn)證和動(dòng)態(tài)仿真。焊接工作站驗(yàn)證后的系統(tǒng)參數(shù)和機(jī)器人程序軌跡可以通過以太網(wǎng)或USB下載至同型號(hào)的現(xiàn)場焊接機(jī)器人中，可以方便實(shí)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(jī)器人工作站硬件研發(fā)投資大、調(diào)試危險(xiǎn)系數(shù)高、機(jī)器人路徑規(guī)劃難等難點(diǎn)問題，為實(shí)際工作站的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供理論依據(jù)和驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)于提高焊接質(zhì)量和效率具有重要的指導(dǎo)意義。