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)
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]。
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
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
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
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。
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
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
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
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
……
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
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。