衛(wèi) 兵，趙 蕾，朱鵬濤，王浩君

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，焊接機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。焊接機(jī)器人具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度小、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、可持續(xù)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，在工程機(jī)械、煤礦機(jī)械、軌道交通、航天航空和新能源等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，在叉車(chē)結(jié)構(gòu)件焊接中應(yīng)用機(jī)器人焊接較為普遍，但技術(shù)應(yīng)用較為單一，主要以機(jī)器人自動(dòng)化工作單元為主，解決了機(jī)器人焊接方面的問(wèn)題，在智能化、信息化等方面都不完善，存在一定的局限性。本文主要介紹了叉車(chē)結(jié)構(gòu)件自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線，包括整個(gè)生產(chǎn)線的工藝布局、主要組成、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容。

1 總體工藝要求

本文介紹的叉車(chē)結(jié)構(gòu)件自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線主要包括機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化物流、機(jī)器視覺(jué)、數(shù)據(jù)采集分析、信息化等多技術(shù)融合，是完成對(duì)工件焊接的全自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線，總體要求是將工件按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行焊接的系統(tǒng)設(shè)備（包括安全防護(hù)系統(tǒng)），依據(jù)工藝技術(shù)要求，工件通過(guò)搬運(yùn)機(jī)器人抓取的物流形式實(shí)現(xiàn)從掃碼暫存區(qū)放置在相應(yīng)焊接工作站變位機(jī)上，由兩臺(tái)機(jī)器人協(xié)同焊接工件，焊接完成后再由搬運(yùn)機(jī)器人自動(dòng)抓取，通過(guò)物流系統(tǒng)送至補(bǔ)焊及校正工位。

生產(chǎn)線工藝流程如下：零部件組對(duì)→安裝工件信息碼→工件吊運(yùn)至上線輸送區(qū)→信息確認(rèn)（自動(dòng)掃碼）→工件型號(hào)識(shí)別（機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)）→工件自動(dòng)輸送至上件區(qū)→機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)工件至機(jī)器人焊接工作站進(jìn)行焊接→機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)工件至輸送線→工件自動(dòng)輸送→人工補(bǔ)焊、校正→工件下線。

2 生產(chǎn)線主要內(nèi)容

本生產(chǎn)線主要內(nèi)容包括：機(jī)器人系統(tǒng)（包括焊接機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人）、機(jī)器人移動(dòng)軌道、搬運(yùn)機(jī)器人手爪、自動(dòng)變位機(jī)及工裝夾具、焊接系統(tǒng)、總控制系統(tǒng)、信息化系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等，總體布局圖如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線總體布局

2.1 機(jī)器人系統(tǒng)

2.1.1 焊接機(jī)器人

采用焊接專(zhuān)用機(jī)器人，機(jī)器人有六個(gè)自由度，采用交流伺服驅(qū)動(dòng)，手臂動(dòng)作自如、穩(wěn)定、精度高，可方便的與焊接電源、自動(dòng)送絲機(jī)、變位機(jī)等協(xié)調(diào)工作，保證焊接動(dòng)作的穩(wěn)定可靠。具有較完善的防碰撞等安全防護(hù)功能，在示教和焊接時(shí)，若焊槍與焊件或周?chē)矬w偶然發(fā)生碰撞，碰撞傳感器會(huì)向機(jī)器人控制器發(fā)出信號(hào)，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)急停，防止損壞機(jī)器人、焊槍和周邊設(shè)備。系統(tǒng)配置強(qiáng)大的焊接工藝程序軟件包，與焊機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，并與總控制系統(tǒng)進(jìn)行交互。其主要性能指標(biāo)如下：

1）負(fù)載：16kg

2）運(yùn)動(dòng)軸數(shù)：6

3）安裝位置：地面

4）重復(fù)精度：±0.05mm

2.1.2 搬運(yùn)機(jī)器人

為了適應(yīng)重工件的搬運(yùn)，采用特殊的重負(fù)載搬運(yùn)機(jī)器人，機(jī)器人有六個(gè)自由度，采用交流伺服驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)軌采用機(jī)器人外部軸驅(qū)動(dòng)，手臂動(dòng)作自如、穩(wěn)定、精度高，可方便與手爪，行走電機(jī)等協(xié)調(diào)工作，保證動(dòng)作的穩(wěn)定可靠，同時(shí)配置專(zhuān)用手爪，實(shí)現(xiàn)工件的搬運(yùn)。其主要性能指標(biāo)如下：

5）負(fù)載：1000kg

6）運(yùn)動(dòng)軸數(shù)：6

7）安裝位置：地面

8）重復(fù)精度：±0.1mm

9）環(huán)境溫度：+10°C至+55°C

10）機(jī)器人防護(hù)等級(jí)：IP65

2.2 變位機(jī)及自動(dòng)夾具

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙軸變位機(jī)以適應(yīng)工件的焊接姿態(tài)，可根據(jù)不同工件型號(hào)進(jìn)行自由編程，外部伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)齒輪嚙合傳動(dòng)，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸承旋轉(zhuǎn)，變位機(jī)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。變位機(jī)的驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)采用機(jī)器人外部軸，由系統(tǒng)集中控制，運(yùn)行平穩(wěn)、準(zhǔn)確、可靠。變位機(jī)的整體結(jié)構(gòu)保證剛性和運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定以及定位精確，能夠使焊接機(jī)器人工作范圍覆蓋多種規(guī)格工件的焊接，適用性廣泛，并能夠配合機(jī)器人動(dòng)作姿態(tài)使焊槍達(dá)到與工件之間理想的焊接角度，從而得到滿(mǎn)意的焊接效果。

工裝夾具設(shè)計(jì)可兼容三十多種工件的柔性?shī)A具，采用氣動(dòng)快速夾緊工裝，實(shí)現(xiàn)工件定位夾緊，氣缸夾緊為自鎖式結(jié)構(gòu)，采用進(jìn)口氣缸并配有傳感器進(jìn)行位置檢測(cè)。夾具定位基準(zhǔn)準(zhǔn)確、可靠，使用安全快捷。

2.3 總控制系統(tǒng)

總控制系統(tǒng)是整個(gè)焊接生產(chǎn)線系統(tǒng)的核心系統(tǒng)，本系統(tǒng)選用西門(mén)子的S7-1500系列PLC 作為控制核心單元，采用總站加遠(yuǎn)程I/O的方式，現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行擴(kuò)展。網(wǎng)絡(luò)通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議貫穿整個(gè)生產(chǎn)線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通，人機(jī)交互配合上位機(jī)系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程I/O 模塊等?？偪刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的系統(tǒng)總體控制、數(shù)據(jù)采集與處理、信息互通與協(xié)調(diào)，主要包括有物流輸送控制、焊接夾具自動(dòng)控制、機(jī)器人系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)、信息化系統(tǒng)管理以及安全系統(tǒng)處理的協(xié)同控制。

整個(gè)焊接生產(chǎn)線總控系統(tǒng)采用三層架構(gòu)設(shè)計(jì)：第一層為基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，主要負(fù)責(zé)底層傳感器的數(shù)據(jù)采集上傳、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制運(yùn)行；第二層為過(guò)程控制級(jí)，采用工控機(jī)系統(tǒng)和上位控制軟件，進(jìn)行工藝數(shù)據(jù)的輸入、設(shè)定主要參數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸，完成系統(tǒng)各個(gè)生產(chǎn)單元運(yùn)行的監(jiān)控、信息采集、網(wǎng)絡(luò)通訊、信息跟蹤等，通過(guò)圖形化技術(shù)對(duì)生產(chǎn)線狀態(tài)進(jìn)行顯示；第三層為生產(chǎn)管理級(jí)，主要是生產(chǎn)線數(shù)據(jù)與用戶(hù)數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)全車(chē)間或全廠的生產(chǎn)管控。同時(shí)預(yù)留接口也可與廠級(jí)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

該總控制系統(tǒng)具備有自動(dòng)、手動(dòng)以及調(diào)試模式多種運(yùn)行模式之間的切換功能，整個(gè)系統(tǒng)主要包括以下功能模塊。

1）機(jī)器人系統(tǒng)控制功能

機(jī)器人系統(tǒng)與總控系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線EtherCAT通訊，能夠?qū)嵤┙换バ盘?hào)，監(jiān)控機(jī)器人系統(tǒng)狀態(tài)、控制信號(hào)傳輸、各機(jī)器人協(xié)同控制等。

2）物流輸送控制功能

物流輥道采用變頻器+交流電機(jī)的控制模式，配合位置檢測(cè)傳感器，變頻器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與PLC系統(tǒng)進(jìn)行交互實(shí)現(xiàn)調(diào)速和電機(jī)的啟?？刂?。變頻器選擇西門(mén)子控制變頻器，調(diào)速性能好，節(jié)能效果好。

3）焊接變位機(jī)自動(dòng)夾具控制功能

夾具采用氣動(dòng)控制，該夾具上對(duì)應(yīng)的傳感器和電磁閥采用分布式遠(yuǎn)程I/O模塊與總控系統(tǒng)連接，大大減少了布線時(shí)間和更換夾具的時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)。

4）人機(jī)交互功能

人機(jī)交互系統(tǒng)采用了西門(mén)子觸摸屏系統(tǒng)和工控機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)觸摸屏的人機(jī)界面和工控機(jī)的系統(tǒng)，監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)、各工裝裝置及其輔助設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)。

5）條碼管理系統(tǒng)

條碼管理系統(tǒng)用于對(duì)工件的標(biāo)識(shí)，通過(guò)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的交互可生成工件條碼，每臺(tái)工件條碼唯一，通過(guò)打印機(jī)打印計(jì)劃生產(chǎn)工件的條碼。本焊接生產(chǎn)線配置兩套條碼打印及自動(dòng)條碼掃描系統(tǒng)，工件到位后自動(dòng)掃描條碼，工件信息自動(dòng)傳入總控系統(tǒng)，條碼信息保存到總控系統(tǒng)中，并傳送至搬運(yùn)機(jī)器人，由搬運(yùn)機(jī)器人自動(dòng)抓取工件并送至變位機(jī)上。

6）安全功能

通過(guò)完善的安全輸入開(kāi)關(guān)、安全信號(hào)處理模塊構(gòu)建全生產(chǎn)線的安全系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件設(shè)置可靠的安全互鎖保護(hù)和啟動(dòng)聲光預(yù)警功能，在易操作部位設(shè)置可靠的急停輸入以及設(shè)置安全光柵防止人員一萬(wàn)進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域。

2.4 信息化系統(tǒng)

信息化系統(tǒng)作為整個(gè)焊接生產(chǎn)線中的過(guò)程控制部分，主要采用主流的OPC技術(shù)與機(jī)器人系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)等進(jìn)行互聯(lián)互通，采集生產(chǎn)線中各類(lèi)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)可視化設(shè)備進(jìn)行顯示，該系統(tǒng)預(yù)留網(wǎng)絡(luò)通訊接口，可以與工廠級(jí)的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)、產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)等進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互。系統(tǒng)主要功能包括以下幾方面：

1）生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行、導(dǎo)入、統(tǒng)計(jì)功能

系統(tǒng)具有生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行和導(dǎo)入的功能，預(yù)留與工廠信息化系統(tǒng)交互的接口，便于后期讀取工廠、車(chē)間等信息系統(tǒng)中的生產(chǎn)計(jì)劃等各類(lèi)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)通過(guò)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)工藝段的實(shí)時(shí)交互，能夠統(tǒng)計(jì)當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)已完成的工作量情況，并進(jìn)行總的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，同時(shí)可對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、分析。

2）生產(chǎn)線監(jiān)控功能

系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)各采集信號(hào)互聯(lián)，監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)線的狀態(tài)，可監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況、參數(shù)、故障報(bào)警等，便于對(duì)設(shè)備的各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行分析、研判。

3）設(shè)備運(yùn)維管理功能

系統(tǒng)具備運(yùn)維管理的功能，通過(guò)數(shù)據(jù)采集可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行完工率統(tǒng)計(jì)、設(shè)備開(kāi)機(jī)率統(tǒng)計(jì)，到期保養(yǎng)提醒，提高設(shè)備開(kāi)工率。

4）故障診斷功能

本系統(tǒng)具有的故障報(bào)警診斷功能，能夠?qū)嵤┍O(jiān)控各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)異常情況，并進(jìn)行顯示、統(tǒng)計(jì)、處理。

5）焊接參數(shù)采集與處理功能

針對(duì)焊接工藝數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將焊接機(jī)器人、焊接系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)采集焊接工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理，從而確保焊接工藝的穩(wěn)定性。

6）電子看板功能

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)電子看板集中展示生產(chǎn)線總體運(yùn)行狀況，包括生產(chǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)報(bào)表、故障報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)等信息。

2.5 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

本方案采用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，主要是為了完成多品種復(fù)雜工件同時(shí)上線的識(shí)別判斷。由于工件種類(lèi)繁多，部分產(chǎn)品特征較相似等特點(diǎn)，為了準(zhǔn)確快速自動(dòng)識(shí)別上線工件的型號(hào)，故采用當(dāng)前最新技術(shù)的智能視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行工件特征匹配識(shí)別，智能視覺(jué)系統(tǒng)通 過(guò)前期工件模型對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練，利用深度學(xué)習(xí)，模板匹配等智能識(shí)別技術(shù)準(zhǔn)確匹配系統(tǒng)中已保存的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而得到當(dāng)前上線產(chǎn)品的型號(hào)并發(fā)送到總控系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)，隨后在相應(yīng)工位傳送給對(duì)應(yīng)的焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接。

為了保證識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性，視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)可以設(shè)置多個(gè)匹配條件進(jìn)行互相驗(yàn)證，進(jìn)而既滿(mǎn)足識(shí)別成功率，又能滿(mǎn)足識(shí)別正確率。當(dāng)識(shí)別到未定義的工件或因其他因素未成功識(shí)別時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將工件輸送至處理工位，并采用聲光報(bào)警提示操作人員進(jìn)行干預(yù)處理。

2.6 輸送系統(tǒng)

本方案輸送系統(tǒng)主要為了工件的上下線，配合整個(gè)生產(chǎn)線的物流輸送。本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)，便于生產(chǎn)線的邏輯控制、維修、保養(yǎng)，各模塊相互獨(dú)立，控制系統(tǒng)采用分段控制與連鎖控制相結(jié)合，一旦某個(gè)模塊出現(xiàn)故障可快速更換新模塊。

本輸送系統(tǒng)有著強(qiáng)大的邏輯控制功能，可以根據(jù)程序邏輯進(jìn)行自動(dòng)的工件傳輸，也可以方便的進(jìn)行手動(dòng)啟停，工件輸送與變位機(jī)工裝、焊接機(jī)器人之間具備完善的互鎖控制，保證設(shè)備運(yùn)行安全。系統(tǒng)能夠配合整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)調(diào)度，同時(shí)也可兼容各類(lèi)型號(hào)產(chǎn)品的輸送要求，并滿(mǎn)足最大工件的承載要求?，F(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)照片

3 主要關(guān)鍵技術(shù)

1）結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量的控制

機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)配置自動(dòng)尋位、焊縫跟蹤，多層多道等多功能的焊接工藝軟件系統(tǒng)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集焊接工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)人工智能算法實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)化當(dāng)前焊接工藝參數(shù)、位置糾偏算法實(shí)時(shí)糾正工件位置偏差，實(shí)施修正機(jī)器人位姿和焊接參數(shù)確保結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2）雙機(jī)器人協(xié)同的自動(dòng)焊接

為了最大化滿(mǎn)足工件焊縫可達(dá)率和生產(chǎn)線的產(chǎn)能要求，提升焊接效率，采用雙機(jī)器人協(xié)同的焊接模式，完成統(tǒng)一的焊接工作任務(wù)，雙機(jī)器人系統(tǒng)采用主從控制模式，從底層控制系統(tǒng)就保證了雙機(jī)器人的協(xié)調(diào)與聯(lián)鎖，最大限度提升雙機(jī)器人的同步率和安全性。在工藝分析規(guī)劃和實(shí)施中，充分考慮雙機(jī)器人的同步率，最大限度的提高機(jī)器人的焊接效率。

3）柔性卡具的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)三十多種不同型號(hào)產(chǎn)品的一次性自動(dòng)裝夾，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了自動(dòng)可適應(yīng)的柔性?shī)A具，每一個(gè)夾頭均可單獨(dú)動(dòng)作，通過(guò)整線控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，不同品種選用不同的夾具動(dòng)作組合，既保證了產(chǎn)品的安全可靠夾緊，也充分考慮了與機(jī)器人的干涉，最大化的提高了焊接可達(dá)率，此外夾具上配備多種檢測(cè)傳感器，可實(shí)時(shí)對(duì)整個(gè)動(dòng)作流程進(jìn)行診斷和監(jiān)測(cè)，保證設(shè)備運(yùn)行安全。

5）多品種復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的視覺(jué)檢測(cè)

為了滿(mǎn)足多型號(hào)產(chǎn)品混線智能化生產(chǎn)，產(chǎn)品型號(hào)準(zhǔn)確識(shí)別至關(guān)重要，故開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)的工件型號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)高精度圖像采集系統(tǒng)、智能化的圖像處理和識(shí)別算法，配合條碼掃描系統(tǒng)的二次糾錯(cuò)，型號(hào)識(shí)別正確率幾乎達(dá)到100%，也為整條生產(chǎn)線的產(chǎn)品信息跟蹤，生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)采集和保存，全線智能管控奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，極大地保障了整條多品種結(jié)構(gòu)件柔性焊接生產(chǎn)線的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人焊接應(yīng)用工程技術(shù)逐步提升。本文主要介紹了叉車(chē)結(jié)構(gòu)件自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的解決方案，集成了先進(jìn)的焊接應(yīng)用技術(shù)，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的智能化和信息化程度高，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，結(jié)合先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)、感知技術(shù)與控制技術(shù)，對(duì)全流程的工藝控制點(diǎn)、安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)和生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控，有效保證生產(chǎn)的安全性、可靠性。大幅提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、提高了產(chǎn)品的質(zhì)量、減少了線上操作人員。目前該生產(chǎn)線在客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用穩(wěn)定、可靠，得到客戶(hù)的一致好評(píng)。