呂會(huì)安

廣州數(shù)控設(shè)備有限公司 廣東 廣州 510530

引言

自動(dòng)化生產(chǎn)線作為各項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用的融合落腳點(diǎn)，隨著各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步也不斷更新?lián)Q代，如機(jī)器人從最開(kāi)始的只用于搬運(yùn)開(kāi)始擴(kuò)展噴涂、焊接、甚至篩選等領(lǐng)域不斷延伸；產(chǎn)品識(shí)別從手寫(xiě)標(biāo)簽到條形碼、二維碼、RFID，識(shí)別效率越來(lái)越快等等。因此，為了能夠更好地滿足當(dāng)前社會(huì)發(fā)展需要，有效減輕人員工作強(qiáng)度，提高制造業(yè)加工質(zhì)量，就需要合理應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，將先進(jìn)技術(shù)引入到各個(gè)生產(chǎn)工作過(guò)程中，以提高生產(chǎn)效益。本文以某金屬支架連桿焊接加工生產(chǎn)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)線，提升其生產(chǎn)效率，改善其品質(zhì)，為企業(yè)發(fā)展助力，同時(shí)也為后續(xù)推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 某金屬支架自動(dòng)焊接中存在的問(wèn)題

某金屬支架連桿焊接可靠性非常重要，但連桿采用自動(dòng)化焊接從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性等方面存在兩方面的問(wèn)題：

1.1 程序調(diào)用繁復(fù)

金屬支架本質(zhì)上是多品種產(chǎn)品，不同型號(hào)的產(chǎn)品需要使用機(jī)器人焊接，就需要編制不同的程序，支架連桿為格子間類型，焊縫種類多，程序編制復(fù)雜。同時(shí)，為了保證焊接質(zhì)量，控制焊接變形，又需要按照特定焊接順序進(jìn)行往復(fù)多層多道焊接，程序調(diào)用較為繁復(fù)。在交期越來(lái)越短的情況下，機(jī)器人工作站往往處于不斷編程的狀態(tài)，設(shè)備使用率很低。

1.2 焊接效率低

由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)不斷變化，制造廠家無(wú)法使用統(tǒng)一工裝進(jìn)行組對(duì)，普遍采用人工畫(huà)線的方式組對(duì)。金屬支架連桿在焊接過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生焊接變形，不僅多層多道的打底軌跡需要尋位糾偏，而且每次的填充軌跡或蓋面軌跡也極有可能需要尋位糾偏。導(dǎo)致機(jī)器人在焊接程序中需加入大量糾偏尋位程序，在進(jìn)一步加大編程工作量的同時(shí)也導(dǎo)致在實(shí)際焊接過(guò)程中機(jī)器人不斷尋位，使之不能持續(xù)燃弧且焊接效率較低，生產(chǎn)效率自然也就不高。

2 制造執(zhí)行系統(tǒng)和激光視覺(jué)焊縫跟蹤技術(shù)的應(yīng)用

基于以上問(wèn)題，本文引入以MES系統(tǒng)為核心制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用，提煉典型生產(chǎn)過(guò)程，并結(jié)合激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)手段，建立智能制造管控系統(tǒng)。

2.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)

MES系統(tǒng)包括工藝設(shè)計(jì)模塊、排程管理模塊、設(shè)備管理模塊、測(cè)量與刀補(bǔ)模塊、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)模塊及系統(tǒng)設(shè)置模塊。工藝設(shè)計(jì)模塊支持對(duì)EBOM的編輯并生成PBOM，基于PBOM進(jìn)行訂單生產(chǎn)。排程管理模塊支持手動(dòng)和自動(dòng)排程，自動(dòng)排程可以分為質(zhì)量?jī)?yōu)先、數(shù)量?jī)?yōu)先兩種模式，在手動(dòng)模式下，用戶可以在系統(tǒng)頁(yè)面內(nèi)進(jìn)行每道加工工藝任務(wù)的下發(fā)，系統(tǒng)對(duì)加工任務(wù)進(jìn)行下發(fā)后，機(jī)械手按照下發(fā)的加工任務(wù)自動(dòng)進(jìn)行零件的上下料動(dòng)作[1]。設(shè)備管理模塊，可以顯示自動(dòng)化平臺(tái)中加工設(shè)備、機(jī)械手、料庫(kù)的顯示，并自動(dòng)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋及實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)系統(tǒng)頁(yè)面中能進(jìn)行自動(dòng)化的啟動(dòng)、停止及復(fù)位的操作。

基于該系統(tǒng)可完成制造過(guò)程中的工藝設(shè)計(jì)、排產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等過(guò)程，建立完整的智能化制造系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)現(xiàn)與交互控制技術(shù)體系，完善MES系統(tǒng)人機(jī)交互決策方式，降低人的操作失誤，提高編程操作效率，提高生產(chǎn)的智能化水平。基于本系統(tǒng)，可檢驗(yàn)工程技術(shù)人員在CAPP、焊接技術(shù)、工業(yè)工程等領(lǐng)域的理論知識(shí)水平，鍛煉PLC編程、焊接機(jī)器人操作、排產(chǎn)調(diào)度等方面的實(shí)際操作能力，掌握金屬焊接過(guò)程制造信息管理方法，提升理論與實(shí)踐結(jié)合的能力，從而提高生產(chǎn)效率。

2.2 激光視覺(jué)焊縫跟蹤技術(shù)

激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)是應(yīng)用于機(jī)器人焊接的三維視覺(jué)傳感器系統(tǒng)，與廣數(shù)RB系列機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了協(xié)議對(duì)接，適用于各種焊接情況。

激光視覺(jué)焊縫跟蹤技術(shù)涉及的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域?yàn)椋孩俟I(yè)機(jī)器人離線編程相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)，涉及三維CAD內(nèi)核調(diào)用、機(jī)器人數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝庫(kù)開(kāi)發(fā)、軟件界面和工業(yè)機(jī)器人相關(guān)算法；②工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)算法和動(dòng)力學(xué)算法、機(jī)器人軌跡規(guī)劃、奇異點(diǎn)規(guī)避、軸限位檢測(cè)和碰撞檢測(cè)；實(shí)現(xiàn)帶視覺(jué)輔助的三維復(fù)雜工件位置在線糾偏補(bǔ)償技術(shù)；③面向復(fù)雜三維金屬工件的工業(yè)機(jī)器人激光焊接工藝，激光焊接過(guò)程中不同電壓、電流、機(jī)器人速度和保護(hù)氣體對(duì)焊接效果的影響，MIG/MAG和TIG焊接工藝參數(shù)的設(shè)置，直線焊與擺動(dòng)焊焊接參數(shù)的設(shè)置以及與離線編程軟件的結(jié)合。

激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)技術(shù)路線和工藝流程[2]：①工業(yè)機(jī)器人虛擬離線編程技術(shù)，它由軌跡生成功能、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化、機(jī)器人虛擬運(yùn)動(dòng)仿真、焊接工藝包以及后置處理機(jī)器人代碼生成等部分組成。②激光視覺(jué)主動(dòng)補(bǔ)償。為了解決在激光焊接生產(chǎn)過(guò)程中工件位置擺放的誤差，采用了激光視覺(jué)主動(dòng)位置補(bǔ)償?shù)姆椒?。利用肉眼可?jiàn)的激光線投射到工件表面，并利用相機(jī)對(duì)激光線進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)三角測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面坐標(biāo)的測(cè)量。根據(jù)對(duì)工件特征點(diǎn)的對(duì)比，可以得出工件原始工作坐標(biāo)系和工件實(shí)際工作坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。將該坐標(biāo)偏移量疊加到利用離線軟件生成的程序上，即可實(shí)現(xiàn)工件位置的補(bǔ)償。

3 焊接智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)

在充分考慮工藝節(jié)拍的最優(yōu)選擇和保障焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，結(jié)合以上技術(shù)和企業(yè)提供的車間特點(diǎn)進(jìn)行智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)。以某型號(hào)金屬支架連桿焊接工藝流程為例，分析連桿機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的工藝設(shè)計(jì)方案。

3.1 連桿焊接工藝

焊接智能產(chǎn)線主要通過(guò)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES進(jìn)行訂單下發(fā)等任務(wù)調(diào)度，然后通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備總控來(lái)調(diào)度各設(shè)備的生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行，本連桿焊接工藝流程如下：

工序1：主筋板與隔板拼裝，定位焊；

工序2：將2個(gè)連桿框架通過(guò)工裝進(jìn)行組對(duì)；

工序3：通過(guò)自動(dòng)物流送至機(jī)器人工作站進(jìn)行內(nèi)焊縫焊接；

工序4：拼接連桿的上、下蓋板，并定位焊；

工序5：機(jī)器人進(jìn)行連桿外焊縫打底；

工序6：機(jī)器人進(jìn)去外焊縫填充、蓋面焊接；

工序7：物流自動(dòng)下料后手工焊接修補(bǔ)；

工序8：檢驗(yàn)合格后做標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)小工區(qū)。

3.2 節(jié)拍分析

金屬支架連桿機(jī)器人焊接生產(chǎn)線主要考慮實(shí)現(xiàn)連桿的焊接自動(dòng)化。根據(jù)連桿焊接工藝流程，主要對(duì)連桿的內(nèi)擋及外焊縫焊接時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以某型號(hào)連桿進(jìn)行測(cè)算：一次焊接(內(nèi)擋)準(zhǔn)備時(shí)間約為270min；一次(內(nèi)擋)焊接時(shí)間約為165min；二次焊接（外焊縫）準(zhǔn)備時(shí)間約為300min；二次（外焊縫）焊接時(shí)間約為275min；二次（外焊縫）人工補(bǔ)焊焊接時(shí)間約為30min。

3.3 機(jī)器人焊接生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

考慮到連桿為大批量簡(jiǎn)單箱體結(jié)構(gòu)，前后各有1個(gè)鉸接孔，以及以上焊接工藝特點(diǎn)。為提高效率，可將2個(gè)連桿通過(guò)定位夾具的形式進(jìn)行串聯(lián)，通過(guò)雙機(jī)器人焊接工作站焊接。為保證連桿兩頭的圓弧處充分焊接，不停頓，避免焊接接頭的生產(chǎn)，機(jī)器人焊接工作站需具有±180°旋轉(zhuǎn)能力。為充分利用機(jī)器人焊接工作站，從焊接工藝及工藝離線編程、調(diào)用效率等出發(fā)，將焊接工作站分設(shè)為連桿內(nèi)焊縫焊接機(jī)器人工作站，以及外焊縫焊接機(jī)器人工作站2種形式，但配置統(tǒng)一，具體數(shù)量配比以人工焊接時(shí)的實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行確定。為提供連桿的自動(dòng)化焊接水平，需將各焊接工作站集成，通過(guò)引入智能物流系統(tǒng)（帶物流小車）實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)上下料，同時(shí)設(shè)置若干上料架及下料架（帶傳感功能），并輔助以MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線機(jī)器人工作站、物流系統(tǒng)、上/下料架的自動(dòng)化無(wú)人生產(chǎn)運(yùn)作。

3.3.1 焊接機(jī)器人工作站。根據(jù)以上節(jié)拍計(jì)算，機(jī)器人焊接生產(chǎn)線主要實(shí)現(xiàn)連桿的一次（內(nèi)檔）及二次（外焊縫）的自動(dòng)化焊接，2道工序的焊接機(jī)器人工作站數(shù)量配比設(shè)計(jì)為3∶4，共計(jì)配置7套雙機(jī)器人焊接系統(tǒng)，形式為2臺(tái)機(jī)器人+變位機(jī)，可完成連桿內(nèi)部貼板、主筋和隔板間的焊縫焊接，以及蓋板與主筋焊縫的打底焊接，蓋板與主筋焊縫的多層多道焊接；變位機(jī)承載需大于5000kg（考慮一次裝夾2個(gè)連桿，單個(gè)連桿平均2t），且底部留有裝夾盤對(duì)向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌；夾緊機(jī)構(gòu)采用液壓或電動(dòng)夾緊。設(shè)備采用雙機(jī)器人同步聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，可保證變位機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行圓弧處焊接時(shí)，雙機(jī)器人可同步焊接。

3.3.2 物流系統(tǒng)?？紤]投資成本及智能化水平，該生產(chǎn)線配置的一套物流系統(tǒng)需包括1個(gè)主體軌道、7個(gè)副軌、1個(gè)RGV物流小車。

3.3.3 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)RGV小車、上料架、下料架及機(jī)器人系統(tǒng)和安全檢測(cè)的協(xié)調(diào)控制。在自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與各工位的周邊裝置控制箱進(jìn)行信號(hào)交換，完成工件的自動(dòng)搬運(yùn)、搬出控制。另外，也進(jìn)行各個(gè)工位上設(shè)置的安全插銷和光電傳感控制，控制整個(gè)物流線的電源供給?？刂葡到y(tǒng)需預(yù)留單站的控制接口，后續(xù)只需增加焊接機(jī)器人單站、滑觸線、導(dǎo)軌等相關(guān)部件，即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。

3.3.4 焊接工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃和離線仿真[3]。①機(jī)器人加工路徑規(guī)劃：機(jī)器人離線編程時(shí)首先要根據(jù)不同的加工需求在輸入的待加工零件上規(guī)劃出路徑，路徑中包含了機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置及姿態(tài)等信息。位置和姿態(tài)信息要通過(guò)工件坐標(biāo)系標(biāo)定的方式轉(zhuǎn)到機(jī)器人坐標(biāo)系下，并建立出齊次位姿矩陣。②機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析：從待加工工件上生成的文件需要轉(zhuǎn)化為機(jī)器人系統(tǒng)能夠識(shí)別的運(yùn)行代碼，加工代碼中包含有機(jī)器人到達(dá)各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量，即需要通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)反解計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的值。③機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真和干涉檢查：干涉檢查功能能夠檢查運(yùn)行過(guò)程中機(jī)器人、刀具、工件以及其他輔助設(shè)備之間可能存在的碰撞或者干涉的情況，以計(jì)算的方法驗(yàn)證干涉情況，避免了仿真階段中肉眼觀察的不準(zhǔn)確性，不需要持續(xù)進(jìn)行觀察，可以在檢查完成后得到干涉結(jié)果，使得編程更為便利。④機(jī)器人姿態(tài)優(yōu)化和奇異點(diǎn)規(guī)避：六軸機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)奇異點(diǎn)無(wú)法到達(dá)的情況，需要根據(jù)各個(gè)軸的關(guān)節(jié)值，調(diào)整機(jī)器人末端工具姿態(tài)，以保證機(jī)器人避開(kāi)奇異點(diǎn)。⑤多種機(jī)器人離線程序輸出：根據(jù)路徑規(guī)劃、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，計(jì)算出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度以及工具末端的位置坐標(biāo)和姿態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

以某金屬支架連桿自動(dòng)焊接生產(chǎn)線作為背景展開(kāi)，閱讀了大量生產(chǎn)線體相關(guān)的資料，包含布局設(shè)計(jì)、工序設(shè)計(jì)、節(jié)拍設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制等的基礎(chǔ)資料，結(jié)合自身企業(yè)在自動(dòng)化焊接經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化生產(chǎn)線，完成了金屬支架連桿自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)落地，能夠很好地應(yīng)用到公司實(shí)際生產(chǎn)工作中，能夠有效控制焊接工件質(zhì)量，使制造過(guò)程更加網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化。