秦俊非，畢江海，王繼軍*，鄭 軍，周浩祥

（1.中鐵建電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司，洛陽(yáng) 471000；2.中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100020；3.浙江大學(xué)臺(tái)州研究院，臺(tái)州 318000）

0 引言

近年來，隨著鐵路“四電”工程全面展開，電氣化與智能化地建設(shè)鐵路信號(hào)機(jī)房已經(jīng)成為了信號(hào)工程中的重要環(huán)節(jié)[1～3]。鐵路信號(hào)機(jī)房裝有大量通訊設(shè)備，采集和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，并且通訊設(shè)備時(shí)刻保持與高速行駛列車以及車站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，因此鐵路信號(hào)機(jī)房通訊性能的穩(wěn)定性直接影響整個(gè)鐵路運(yùn)行系統(tǒng)。在信號(hào)機(jī)房中眾多通訊設(shè)備是依靠線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，然而目前大量線纜的排線、布線以及焊接工序都是依賴人工來完成。由于焊接工作量較大，即便施工人員在每根線纜上都套裝對(duì)應(yīng)的噴碼管，在長(zhǎng)時(shí)間焊接過程中也極其容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。不僅如此，在標(biāo)準(zhǔn)的鐵路信號(hào)機(jī)房中組合柜之間的距離比較窄小，施工人員很難在如此狹小的空間里完成各項(xiàng)工序。此外，施工人員易受外界環(huán)境以及自身狀態(tài)和經(jīng)驗(yàn)的干擾，在焊接過程中可能會(huì)存在虛焊等情況，從而直接影響了整個(gè)信號(hào)機(jī)房的通訊性能。

針對(duì)上述問題，研制了一套智能化的焊接機(jī)器人，替代人工進(jìn)行自動(dòng)焊接并且能夠達(dá)到焊接速度快以及質(zhì)量高等要求。本文使用三菱Q03UDVCPU PLC作為主控模塊[4，5]，以GX Work 2編程軟件作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了焊接機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，并設(shè)置HMI觸摸屏界面[6]，能夠?qū)附舆^程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)交互、參數(shù)修改以及在線控制[7～9]，從而安全、準(zhǔn)確和高效地完成各項(xiàng)焊接工序。

1 焊接機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 焊接機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

焊接機(jī)器人系統(tǒng)主要由視覺檢測(cè)模塊、多功能線纜處理平臺(tái)、焊接機(jī)械臂、取線機(jī)械臂以及AGV等部分組成。多功能線纜處理平臺(tái)如圖1所示，其主要包含了伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、觸碰開關(guān)、壓線塊、牽引齒輪、送線夾子、扭線機(jī)以及剪線刀片；視覺檢測(cè)模塊主要包括智能視覺相機(jī)、紅外測(cè)距傳感器和絲桿滑臺(tái)。焊接機(jī)器人系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)功能如下所示：

圖1 多功能線纜處理平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1）智能視覺相機(jī)：選取焊接板與轉(zhuǎn)接板的特征信息進(jìn)行標(biāo)定并采集相應(yīng)圖像信息，通過視覺處理軟件對(duì)采集的圖像進(jìn)行深度分析，可以準(zhǔn)確獲取每個(gè)端子的相對(duì)偏移坐標(biāo)以及偏移角度。

2）紅外測(cè)距傳感器：對(duì)焊接板與轉(zhuǎn)接板的實(shí)際位置進(jìn)行測(cè)距，分別測(cè)得平臺(tái)與對(duì)焊接板以及與轉(zhuǎn)接板之間具體的距離值。

3）多功能線纜處理平臺(tái)：通過Q03UDVCPU PLC可編程控制器對(duì)柔性線纜進(jìn)行送線、剪線以及扭線處理。

4）焊接機(jī)械臂：選用六軸機(jī)械臂并設(shè)計(jì)正交四夾頭裝載在機(jī)械臂上，能夠快速和準(zhǔn)確地完成對(duì)柔性線纜夾取、固定以及焊接等動(dòng)作。

5）取線機(jī)械臂：同樣采用六軸機(jī)械臂但將臂前的夾頭設(shè)計(jì)成平行四夾頭，從而使機(jī)械臂更加靈活且穩(wěn)定地對(duì)柔性線纜進(jìn)行取線、放線以及送線。

6）AGV：對(duì)信號(hào)機(jī)房進(jìn)行激光掃描并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地圖進(jìn)行建模以及焊接站點(diǎn)定位，通過遠(yuǎn)程操作軟件控制AGV的頂升以及智能搬運(yùn)。

1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)流程

焊接機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)采用三菱Q03UDVCPU PLC作為控制器，并通過人機(jī)交互界面對(duì)PLC進(jìn)行控制，具體控制流程如下所示。首先進(jìn)行視覺檢測(cè)，由于智能視覺相機(jī)裝載在焊接機(jī)械臂上，通過不斷控制焊接機(jī)械臂能夠?qū)π盘?hào)組合柜上的轉(zhuǎn)接板和焊接板進(jìn)行詳細(xì)定位，采集到轉(zhuǎn)接板和焊接板的平面坐標(biāo)，并打開紅外測(cè)距傳感器通過移動(dòng)絲桿滑臺(tái)獲取多功能線纜處理平臺(tái)與轉(zhuǎn)接板以及焊接板之間的距離值，將這些信息發(fā)送至PLC中進(jìn)行模塊化編程；再由PLC發(fā)送指令控制取線機(jī)械臂從轉(zhuǎn)接板卡槽中取線，利用平行四夾頭對(duì)線纜進(jìn)行拉直，并送至多功能線纜處理平臺(tái)；然后PLC通過在平臺(tái)上驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)對(duì)線纜完成定長(zhǎng)、剪線、剝線和扭線處理；PLC根據(jù)智能視覺相機(jī)采集的平面坐標(biāo)以及紅外測(cè)距傳感器測(cè)得的距離值計(jì)算出焊接點(diǎn)坐標(biāo)，并與焊接機(jī)械臂進(jìn)行信息交互；PLC控制穿線電機(jī)運(yùn)動(dòng)，線纜從導(dǎo)線氣缸夾爪中穿出，并穿至焊接板焊接端子上，并控制壓焊電機(jī)進(jìn)行焊接工序。當(dāng)該組合柜中的所有端子排都焊接完成后，PLC控制AGV頂升將焊接機(jī)器人送至下個(gè)組合柜，重新開始視覺檢測(cè)，循環(huán)整個(gè)焊接流程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)使用三菱Q03UDVCPU PLC可編程控制器作為主控模塊，電源模塊型號(hào)為Q61P，采用三菱觸摸屏GS2107-WTBD進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)。三菱Q03UDVCPU PLC最多可以擴(kuò)展7個(gè)主基板，目前選用的主基板為Q38B。系統(tǒng)具體使用了8臺(tái)HG-KR23J高慣性伺服電機(jī)，分別用來控制焊接機(jī)械臂、取線機(jī)械臂和平臺(tái)的橫、縱軸移動(dòng)，以及對(duì)焊接機(jī)器人和平臺(tái)的整體升降進(jìn)行控制。系統(tǒng)還包含3臺(tái)DM422步進(jìn)電機(jī)，分別是送線電機(jī)、穿線電機(jī)和壓焊電機(jī)。該系統(tǒng)總計(jì)使用了11個(gè)氣缸，PLC利用繼電器控制電磁閥，通過DO信號(hào)從而對(duì)氣缸的閉合以及打開進(jìn)行控制，并且根據(jù)DI信號(hào)來采集氣缸當(dāng)前工作狀態(tài)。PLC通過TCP/IP協(xié)議與焊接機(jī)械臂、取線機(jī)械臂、AGV以及智能視覺相機(jī)進(jìn)行信息通訊，分別發(fā)送給焊接機(jī)械臂以及取線機(jī)械臂的目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)，讀取AGV的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及位置坐標(biāo)信息，并且接收到智能視覺相機(jī)反饋回來的每個(gè)端子的相對(duì)偏移坐標(biāo)以及偏移角度。該系統(tǒng)具體使用的硬件信息如表1所示。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

表1 控制系統(tǒng)的硬件參數(shù)

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由三菱系列PLC可編程控制器、觸摸屏監(jiān)控以及PC遠(yuǎn)程操作端組成。焊接機(jī)器人中的PLC控制軟件程序采用模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含了視覺檢測(cè)模塊程序、AGV程序設(shè)計(jì)、多功能線纜處理平臺(tái)程序以及觸摸屏模塊程序。

3.1 視覺檢測(cè)模塊程序設(shè)計(jì)

視覺檢測(cè)模塊是焊接機(jī)器人進(jìn)行精準(zhǔn)焊接的重要保證。視覺檢測(cè)流程如圖3所示。視覺定位包含轉(zhuǎn)接板定位以及焊接板定位兩部分。由于受縱深方向?qū)ο鄼C(jī)視覺的影響，轉(zhuǎn)接板及焊接板的定位均由粗定位和精定位組成。通過視覺粗定位得到轉(zhuǎn)接板或焊接板的測(cè)距點(diǎn)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)板測(cè)距點(diǎn)的偏移量，并通過PLC將上述偏移量補(bǔ)償給桁架運(yùn)行。轉(zhuǎn)接板或焊接板的測(cè)距點(diǎn)應(yīng)落在相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)板測(cè)距點(diǎn)附近，此時(shí)PLC讀取測(cè)距傳感器的測(cè)距值，并將該值同標(biāo)準(zhǔn)板測(cè)距值的偏差補(bǔ)償給機(jī)械臂（縱深方向），機(jī)械臂定位后，啟動(dòng)視覺相機(jī)進(jìn)行二次精定位。考慮到焊接板自身安裝的切斜偏差對(duì)后續(xù)穿線的影響，焊接板需要三點(diǎn)測(cè)距，以計(jì)算單個(gè)焊接點(diǎn)的縱深方向位置坐標(biāo)。

圖3 視覺檢測(cè)流程圖

3.2 AGV程序設(shè)計(jì)

PLC通過WIFI接收PC下發(fā)的執(zhí)行列表并將其轉(zhuǎn)換成待執(zhí)行數(shù)列。此數(shù)列包含AGV站號(hào)、轉(zhuǎn)接板數(shù)列、焊接內(nèi)孔數(shù)列等信息。PLC根據(jù)此數(shù)列信息判斷當(dāng)前工作需焊接的控制柜站點(diǎn)，并發(fā)送AGV至該站點(diǎn)的運(yùn)行指令。待AGV托舉焊接機(jī)器人至該站點(diǎn)后，程序觸發(fā)機(jī)器人左右兩側(cè)的測(cè)距傳感器讀取，并通過相互比對(duì)，微調(diào)AGV的旋轉(zhuǎn)角度，直到滿足精度要求。上述機(jī)構(gòu)的執(zhí)行，均由后備電池供電，待完成站點(diǎn)定位后，裝在焊接機(jī)器人左側(cè)下方的供電缸伸出，觸碰安裝與控制柜輔助線架上的供電端子，此時(shí)系統(tǒng)接通動(dòng)力電源，PLC下發(fā)輔助機(jī)械臂開機(jī)、啟動(dòng)指令，發(fā)送伺服驅(qū)動(dòng)器使能命令等，上述流程完成后，程序轉(zhuǎn)入桁架單柜運(yùn)行部分。直到此站點(diǎn)焊接完畢后，PLC下發(fā)各執(zhí)行件停機(jī)指令并切斷動(dòng)力電源，AGV重新托舉焊接機(jī)器人至下個(gè)站點(diǎn)完成后續(xù)流程的作業(yè)，直到當(dāng)前執(zhí)行列表執(zhí)行完畢后，AGV托舉焊接機(jī)器人至預(yù)設(shè)的待機(jī)位并放下，當(dāng)前作業(yè)完畢。AGV程序流程如圖4所示。

圖4 AGV執(zhí)行流程圖

3.3 多功能線纜處理平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

多功能線纜處理平臺(tái)流程如圖5所示。取線臂通過PLC下發(fā)的取線坐標(biāo)對(duì)轉(zhuǎn)接板上的線纜進(jìn)行取線和捋線作業(yè)，并轉(zhuǎn)移至多功能線纜處理平臺(tái)上，完成剪線、剝線以及扭線等工序。取線臂再?gòu)钠脚_(tái)上將成線轉(zhuǎn)移至焊線臂上的導(dǎo)線氣缸夾爪處。焊接臂根據(jù)PLC下發(fā)的焊接點(diǎn)坐標(biāo)，運(yùn)行至該坐標(biāo)后，啟動(dòng)穿線電機(jī)運(yùn)行，成線從導(dǎo)線氣缸夾爪中穿出，并穿至焊接板焊接端子上。PLC控制壓焊電機(jī)動(dòng)作，將穿出的線絲壓平后，啟動(dòng)焊錫作業(yè)。

圖5 多功能線纜處理平臺(tái)流程圖

3.4 觸摸屏模塊程序設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)對(duì)焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作與監(jiān)控，設(shè)計(jì)了一款HMI人機(jī)交互界面。采用三菱觸摸屏GT Designer3軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，能夠快速、有效和靈活地完成對(duì)HMI人機(jī)交互界面開發(fā)。通過HMI觸摸屏模塊連接到工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)并將與PLC的IP地址設(shè)置在同一網(wǎng)段上，從而使HMI觸摸屏模塊與PLC之間進(jìn)行信息交互。如圖6所顯，可以實(shí)時(shí)看到焊接機(jī)器人在焊接過程中整體運(yùn)行狀態(tài)以及相應(yīng)參數(shù)。HMI觸摸屏中的子調(diào)試界面包含了AGV選站大循環(huán)調(diào)試、轉(zhuǎn)接板間外循環(huán)調(diào)試、轉(zhuǎn)接板內(nèi)部循環(huán)調(diào)試、多功能線纜處理平臺(tái)調(diào)試、桁架換向調(diào)試以及整體調(diào)試等界面，從而可以對(duì)焊接機(jī)器人的整個(gè)焊接流程進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)控以及參數(shù)的可視化呈現(xiàn)。通過點(diǎn)擊AGV調(diào)試、機(jī)械臂調(diào)試、測(cè)距傳感器調(diào)試以及定位相機(jī)調(diào)試等界面能夠單獨(dú)控制各模塊進(jìn)行調(diào)試工作。

圖6 HMI觸摸屏界面圖

為了優(yōu)化施工人員在實(shí)際焊接過程中對(duì)焊接機(jī)器人的控制，通過點(diǎn)擊HMI觸摸屏中的運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)按鈕可以實(shí)時(shí)查詢焊接機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并且可以根據(jù)實(shí)際的焊接情況對(duì)相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行快速修改，從而確保焊接機(jī)器人能夠準(zhǔn)確完成焊接工序。不僅如此，針對(duì)焊接機(jī)器人在焊接過程中突然發(fā)生故障報(bào)警并且可以快速查看故障信息，設(shè)計(jì)了模塊報(bào)警設(shè)置界面。施工人員通過該界面能夠清晰查看故障發(fā)生時(shí)間、當(dāng)前機(jī)器運(yùn)行所處工序以及發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)，從而可以有效縮短檢修故障所需的時(shí)間并且能夠降低因故障而造成的生產(chǎn)損失。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能，選擇在標(biāo)準(zhǔn)的鐵路信號(hào)組合柜上進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。圖7為研制的焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)際樣機(jī)。通過移動(dòng)機(jī)械臂，利用智能視覺相機(jī)對(duì)同一塊焊接板并且選擇不同的桁架位置進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得的偏移值如表2所示。

圖7 焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的樣機(jī)實(shí)物圖

通過表2可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同的桁架位置，智能視覺相機(jī)檢測(cè)偏差都在0.2mm以內(nèi)，完全能夠適用于實(shí)際的焊接。通過焊接實(shí)驗(yàn)可知，每根線纜的整個(gè)焊接工序需要20秒左右，焊接的效果如圖8所示。所排焊的端子飽滿程度非常高，幾乎不存在虛焊情況。

表2 不同的桁架位置相機(jī)測(cè)得的偏移值

圖8 實(shí)際焊接后的效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)鐵路信號(hào)機(jī)房嚴(yán)重依賴人工進(jìn)行焊接并且效率低下的缺陷，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用視覺檢測(cè)模塊獲取轉(zhuǎn)接板和焊接板的偏移坐標(biāo)和偏移角度并將信息傳遞給PLC控制器，通過控制AGV對(duì)焊接設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)搬運(yùn)，從而智能化地完成整個(gè)信號(hào)機(jī)房的焊接工作。用戶可以通過HMI人機(jī)交互界面對(duì)焊接機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保焊接機(jī)器人運(yùn)行的安全性。該智能化焊接機(jī)器人系統(tǒng)使用軟件與硬件相結(jié)合，從而能夠完全替代人工進(jìn)行焊接，并且焊接準(zhǔn)確率高和焊接速度快。目前焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)化鐵路信號(hào)機(jī)房得到了成功應(yīng)用。