葉九星，胡偉鋒，林卓濤，廖志青

1.廣東星振科技有限公司 廣東佛山 528225

2.廣州城市理工學(xué)院機(jī)械/機(jī)器人工程學(xué)院 廣東廣州 510800

1 序言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甘蔗多行快速耕種過程中，常使用雙排刀模插耕設(shè)備代替手工插播，可以高效快速完成多行甘蔗苗耕孔的同步挖掘。傳統(tǒng)的刀模設(shè)備制造方法是采用手持焊槍連續(xù)進(jìn)行焊接作業(yè)，在焊接多個(gè)工位的雙排齒刀模長(zhǎng)時(shí)間工作過程中，高溫作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度較高，常出現(xiàn)因操作者疲勞而引發(fā)的焊縫缺陷和前后刀模焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。為了降低刀模板焊接制造過程的勞動(dòng)強(qiáng)度并提高工作效率，采用FANUC關(guān)節(jié)型手臂焊接機(jī)器人及變位機(jī)、行走軸等組成工作站，進(jìn)行機(jī)器人自動(dòng)化焊接。單個(gè)刀模工件尺寸為260mm×40mm×8mm，刀模和刀模板的材質(zhì)均為45鋼。焊縫特征為刀模與刀模板之間的角焊縫，要求每齒刀模相互之間的距離誤差不超過2mm。焊接工作站機(jī)器人通過旋轉(zhuǎn)和直線等運(yùn)動(dòng)組件的配合，形成機(jī)器人的焊接程序動(dòng)作[1]。采用FANUC焊接機(jī)器人，配置行走軸、變位機(jī)和控制器等工作站組件，編制刀模焊接機(jī)器人動(dòng)作軌跡程序，并運(yùn)用擺焊控制保證焊接精度，避免尖角位置發(fā)生焊縫偏離現(xiàn)象。

2 機(jī)器人焊接工作站的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件組成及工作流程

多工位甘蔗耕種刀模焊接工作站主要由FANUC焊接機(jī)器人、機(jī)器人控制器、變位機(jī)、機(jī)器人行走軸、焊機(jī)、清槍裝置、送絲機(jī)和防護(hù)欄等組成（見圖1）。其中機(jī)器人關(guān)節(jié)臂是完成焊槍動(dòng)作的主要執(zhí)行者，行走軸和變位機(jī)則是為了增加焊槍的運(yùn)動(dòng)自由度，完成復(fù)雜的焊接路徑。

圖1 多工位甘蔗耕種刀模焊接工作站

2.1 機(jī)器人焊接的運(yùn)動(dòng)組合和軌跡控制分析

機(jī)器人焊接動(dòng)作軌跡的形成由關(guān)節(jié)手臂機(jī)器人、變位機(jī)和機(jī)器人行走軸的動(dòng)作組合而成，如圖2所示。其中，F(xiàn)ANUC機(jī)器人共有6個(gè)關(guān)節(jié)軸（J1～J6坐標(biāo)軸），完成焊槍擺動(dòng)和前后小位移量的聯(lián)動(dòng)動(dòng)作[2]。變位機(jī)則實(shí)現(xiàn)雙排刀模工件焊接過程中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，配合機(jī)器人關(guān)節(jié)軸組合出焊接路徑。行走軸則完成縱向平移運(yùn)動(dòng)，焊接完一個(gè)刀模后移動(dòng)到下一個(gè)刀模時(shí)，也需要行走軸實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位置平行移動(dòng)變化[3]。

圖2 刀模焊接工作站運(yùn)動(dòng)軸組成

2.2 雙排刀模焊接工作站工作流程

雙排刀模焊接工作流程如圖3所示。首先在刀模板上劃線確定6個(gè)插種刀模工位的位置，并將已組對(duì)好的刀模裝入變位機(jī)工裝上定位夾緊，啟動(dòng)機(jī)器人和示教器進(jìn)行焊接示教程序編制，確認(rèn)程序無誤后機(jī)器人啟動(dòng)示教程序?qū)ぜM(jìn)行焊接。完成第一排6個(gè)刀模焊接后，變位機(jī)旋轉(zhuǎn)180°換成對(duì)第二排6個(gè)刀模進(jìn)行焊接。在進(jìn)行A工位12個(gè)刀模焊接的同時(shí)，B工位由人工完成另外12個(gè)刀模零件在刀模板上的裝夾，當(dāng)工位A的刀模零件焊接完成后，機(jī)器人在行走軸上移動(dòng)到B工位，再開始對(duì)B工位上的另一組刀模工件焊接，如此兩個(gè)工位交替工作，直到全部刀模焊接完成。當(dāng)焊接過程中焊槍需要清理時(shí)，機(jī)器人啟動(dòng)清槍程序，經(jīng)行走軸平移至清槍站進(jìn)行自動(dòng)清槍，清槍完畢再返回工作位置繼續(xù)焊接。

圖3 刀模焊接工作站工作流程

3 機(jī)器人焊接工作站的運(yùn)動(dòng)軸坐標(biāo)和參數(shù)研究

FANUC機(jī)器人控制柜R-30iB系統(tǒng)最多能夠控制36個(gè)軸，實(shí)現(xiàn)本體6軸+3個(gè)外部軸聯(lián)動(dòng)控制（單工位）或本體6軸+5個(gè)外部軸聯(lián)動(dòng)控制，行走軸和變位機(jī)定義為外部添加的第7和第8軸。

3.1 焊接機(jī)器人的各關(guān)節(jié)軸參數(shù)設(shè)定

工作站中FANUC的M-10iA型關(guān)節(jié)型手臂機(jī)器人，末端有效負(fù)載為10kg，最大伸長(zhǎng)范圍1420mm。機(jī)器人最前端的“手”關(guān)節(jié)上所安裝的工具中心點(diǎn)，即為焊槍的坐標(biāo)原點(diǎn)TCP點(diǎn)。每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都各自由一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此需要從關(guān)節(jié)軸J1～J6，對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)軸的伺服電動(dòng)機(jī)、運(yùn)動(dòng)速度和關(guān)節(jié)限位角度進(jìn)行設(shè)置[4]。圖4所示為M-10iA型焊接機(jī)器人的關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)參數(shù)和旋轉(zhuǎn)極限角度設(shè)定。

圖4 機(jī)器人關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)及旋轉(zhuǎn)角度極限設(shè)定示意

3.2 單軸精密變位機(jī)設(shè)計(jì)與旋轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)

多工位刀模焊接變位機(jī)系統(tǒng)由變位機(jī)軸、變位機(jī)電動(dòng)機(jī)、側(cè)向壓緊裝置和旋轉(zhuǎn)壓緊裝置等部分組成，如圖5所示。變位機(jī)變位結(jié)構(gòu)為單軸雙工位，變位角度范圍為±180°，能夠與機(jī)器人關(guān)節(jié)、行走軸配合組合出各種復(fù)雜的焊接動(dòng)作軌跡。

圖5 機(jī)器人變位機(jī)

單軸精密變位機(jī)設(shè)置在控制系統(tǒng)菜單的Robot Controller界面中，選擇Basic positioner開始設(shè)定，如圖6a所示。由于M-10iA 為6軸機(jī)器人，所以將變位機(jī)軸指定為系統(tǒng)的第7軸，并在圖6b中選擇“2”將軸類型設(shè)定為Rotary Axis旋轉(zhuǎn)軸。

圖6 變位機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的參數(shù)設(shè)計(jì)

在圖6b中的變位機(jī)其他主要參數(shù)繼續(xù)按表1進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 變位機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.3 刀模機(jī)器人行走軸的運(yùn)動(dòng)控制及分析

添加行走軸時(shí)在Robot Controller界面選擇Extended Axis Control進(jìn)行設(shè)置，由于已經(jīng)設(shè)置了變位機(jī)旋轉(zhuǎn)軸為第7軸，故將行走軸設(shè)定為第8軸。其他動(dòng)作參數(shù)設(shè)置與變位機(jī)軸類似，所不同的主要為伺服電動(dòng)機(jī)類型、直線運(yùn)動(dòng)方向和平移運(yùn)動(dòng)極限值等參數(shù)的設(shè)置。行走軸需要設(shè)定平移運(yùn)動(dòng)極限值為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的最大范圍。在圖7中，機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)下限值為-3000mm，上限值為+3000mm，即設(shè)定了行走軸的最大運(yùn)動(dòng)范圍為6000mm。

圖7 機(jī)器人行走軸（第8軸）的平移運(yùn)動(dòng)極限值設(shè)定

4 刀模焊接機(jī)器人編程及擺焊控制應(yīng)用

完成了各運(yùn)動(dòng)部件的組合協(xié)調(diào)設(shè)置之后，即可進(jìn)行機(jī)器人示教編程。為了保護(hù)機(jī)器人焊接程序的安全運(yùn)行和精確動(dòng)作，先編制示教程序進(jìn)行多次空運(yùn)行調(diào)整，確定其運(yùn)行軌跡安全之后再加入焊接引弧等工藝指令，形成完整的焊接程序。

4.1 機(jī)器人焊接程序編制

首先應(yīng)確定安全的焊槍起始點(diǎn)位置，移動(dòng)機(jī)器人到第一個(gè)刀模前的起弧點(diǎn)上方約10mm的位置，確定為第一個(gè)軌跡點(diǎn)P1，即程序起始點(diǎn)的位置[10]。則按示教器操作面板的“SHIFT”+“F1”鍵，儲(chǔ)存為示教程序軌跡起始點(diǎn)，顯示如下。

L P[1]100 IPM FINE；

繼續(xù)移動(dòng)示教機(jī)器人到一個(gè)準(zhǔn)備位置即“Approach”位置，然后儲(chǔ)存已示教程序軌跡的第二點(diǎn)程序，顯示如下。

2:L P[2]100 IPM FINE；

如此持續(xù)生成完整的焊接程序軌跡，如圖8所示，最后回到起始點(diǎn)的位置結(jié)束程序。

圖8 機(jī)器人焊接程序軌跡點(diǎn)

單個(gè)刀模的機(jī)器人焊接運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃完成并確定沒有碰撞危險(xiǎn)后，再在示教程序中編輯插入起弧點(diǎn)、焊接點(diǎn)和收弧點(diǎn)等指令，形成刀模的焊接程序如下。

在示教器的程序界面中，通過單步和連續(xù)示教模擬運(yùn)行程序，確認(rèn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡無誤后，即可進(jìn)行實(shí)際焊接作業(yè)。

4.2 刀模焊接過程的焊槍擺動(dòng)軌跡調(diào)整

由于在刀模焊接中采用的等速送絲方式，因此在刀模和刀模板零件之間的尖角位置，容易造成焊槍與工件距離的變化過大，焊縫位置偏離既定軌跡。如圖8b所示，刀模焊接軌跡P3和P4點(diǎn)之間尖銳的拐角，此時(shí)焊炬伸出長(zhǎng)度由于慣性還來不及變化，弧柱已經(jīng)陡然變化，造成電弧電壓和焊接電流隨之發(fā)生突然變化。而通過擺動(dòng)電弧傳感器的坡口對(duì)中位置反饋，系統(tǒng)可快速做出調(diào)整，啟動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制改變，實(shí)現(xiàn)焊縫軌跡的及時(shí)調(diào)整。具體的方法是在第4程序點(diǎn)至第6點(diǎn)之間加入如下程序段。

其中，Weave Sine為擺焊調(diào)整開始，Weave End為擺焊結(jié)束指令。經(jīng)過擺焊的軌跡調(diào)整（見圖9），可使機(jī)器人焊接的焊縫獲得明顯的效果。普通焊縫和經(jīng)過擺焊調(diào)整后的焊縫對(duì)比如圖10所示。從兩種試驗(yàn)的焊縫對(duì)比可明顯看出，機(jī)器人焊接采用等速送絲方式時(shí)，通過電弧傳感器對(duì)焊槍進(jìn)行擺焊調(diào)整可獲得良好的焊接效果。

圖9 拐角處的焊槍擺動(dòng)調(diào)整軌跡

圖10 兩種焊縫效果對(duì)比圖

5 結(jié)束語

在機(jī)器人焊接工作站設(shè)計(jì)中，除上述主要部件的設(shè)計(jì)應(yīng)用之外，還有如送絲槍、機(jī)器人行走軸、變位機(jī)驅(qū)動(dòng)和其他安全防護(hù)措施需要規(guī)劃設(shè)計(jì)，由于篇幅有限，在此不再贅述。同時(shí)，工作站系統(tǒng)在實(shí)際安裝和調(diào)試運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)、機(jī)器人與焊機(jī)之間許多需要協(xié)作配合的細(xì)節(jié)，尚需在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中進(jìn)行安裝調(diào)試，才能達(dá)到合理的運(yùn)行狀態(tài)。