陳綿鵬 李其偉 龐成才 張軍

基金項(xiàng)目：面向汽車行業(yè)的國產(chǎn)高性能焊接機(jī)器人技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目（無編號）

第一作者簡介：陳綿鵬（1995-），男，碩士。研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.046

摘? 要：點(diǎn)焊機(jī)器人主要由工業(yè)機(jī)器人本體、點(diǎn)焊鉗、點(diǎn)焊機(jī)和點(diǎn)焊工藝控制系統(tǒng)組成，點(diǎn)焊工藝控制系統(tǒng)作為點(diǎn)焊機(jī)器人的核心總控單元控制點(diǎn)焊機(jī)器人、點(diǎn)焊鉗，點(diǎn)焊機(jī)協(xié)同動(dòng)作進(jìn)行點(diǎn)焊自動(dòng)作業(yè)。系統(tǒng)軟件主要由運(yùn)動(dòng)控制單元、參數(shù)配置單元、指令集和點(diǎn)焊工藝功能單元等多個(gè)部分組成，承擔(dān)著機(jī)器人/電焊鉗運(yùn)動(dòng)控制、點(diǎn)焊機(jī)邏輯控制和其他配套設(shè)備邏輯控制等重要任務(wù)，系統(tǒng)的工藝參數(shù)也是通過控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)置。控制系統(tǒng)把參數(shù)、運(yùn)動(dòng)節(jié)拍、IO信號通過執(zhí)行程序有機(jī)地執(zhí)行和調(diào)度起來后，點(diǎn)焊機(jī)器人就帶著電焊鉗執(zhí)行各種指定的動(dòng)作完成對工件的點(diǎn)焊加工。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)焊工藝；控制系統(tǒng)；工業(yè)機(jī)器人；指令；硬件設(shè)備

中圖分類號：TP242.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0193-04

Abstract： The spot welding robot is mainly composed of industrial robot body， spot welding pliers， spot welding machine and spot welding process control system. As the core control unit of spot welding robot， spot welding process control system controls spot welding robot and spot welding pliers. Spot welding machine cooperates to carry out spot welding automatic operation. The system software is mainly composed of motion control unit， parameter configuration unit， instruction set and spot welding process function unit， which undertakes important tasks such as robot / welding clamp motion control， spot welding machine logic control and other supporting equipment logic control. The process parameters of the system are also set through the man-machine interface of the control system. After the parameters， motion beat and IO signals are organically executed and scheduled by the control system， the spot welding robot carries out various specified actions with electric welding pliers to complete the spot welding of the workpiece.

Keywords： spot welding process; control system; industrial robot; instruction; hardware equipment

點(diǎn)焊機(jī)器人早在二十世紀(jì)六十年代中期就已經(jīng)正式運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，到如今已經(jīng)廣泛運(yùn)用到各行各業(yè)的制造生產(chǎn)當(dāng)中。尤其在汽車加工制造領(lǐng)域，點(diǎn)焊機(jī)器人已經(jīng)是生產(chǎn)線上必不可少的終端設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車行業(yè)中點(diǎn)焊機(jī)器人的使用比例已經(jīng)超過弧焊機(jī)器人，比例達(dá)到3∶2。隨著工人成本不斷增長及制造業(yè)的全面轉(zhuǎn)型升級，我國制造業(yè)的點(diǎn)焊機(jī)器人的應(yīng)用會越來越多。日益增長的點(diǎn)焊機(jī)器人巨大的市場潛力對國外很多成名已久的點(diǎn)焊機(jī)器人生產(chǎn)廠商具備很強(qiáng)的吸引力，同時(shí)對國產(chǎn)的點(diǎn)焊機(jī)器人帶來很多新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

目前點(diǎn)焊機(jī)器人主要品牌基本是ABB、庫卡、FANUC和安川等國外老牌機(jī)器人廠商，其依托汽配生產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)體系，牢牢占領(lǐng)了市場。并經(jīng)過多年的市場打磨，已經(jīng)具備穩(wěn)定的性能和很強(qiáng)的用戶黏性。因此，研究工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)焊工藝控制系統(tǒng)構(gòu)成和控制邏輯，對提高國產(chǎn)點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的安全性、可靠性、靈活性，對國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)優(yōu)化焊接質(zhì)量，與國外機(jī)器人對標(biāo)競爭，讓工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)更為廣泛地普及有重要的參考意義。本文從點(diǎn)焊工藝控制系統(tǒng)出發(fā)，詳細(xì)解析機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的通用總體架構(gòu)，部件和軟硬件模塊等相關(guān)知識，詳細(xì)梳理了點(diǎn)焊控制系統(tǒng)的控制交互邏輯。為工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)焊工藝控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)和點(diǎn)焊機(jī)器人的配置使用提供參考。

1? 點(diǎn)焊工藝控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

點(diǎn)焊工藝控制系統(tǒng)可分為硬件設(shè)備和軟件工藝2個(gè)部分，如圖1所示，硬件設(shè)備包括執(zhí)行端和控制端，執(zhí)行端是直接參與點(diǎn)焊作業(yè)的執(zhí)行單元設(shè)備組合，是被控對象，包含工業(yè)機(jī)器人本體、點(diǎn)焊鉗、水氣單元及修磨器等設(shè)備?？刂贫耸菆?zhí)行端的控制中樞，點(diǎn)焊鉗控制器主要是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊鉗接過程和工藝控制，通過總線或者IO直連的方式和機(jī)械臂控制器作數(shù)據(jù)交互，驅(qū)動(dòng)是機(jī)械的本體驅(qū)動(dòng)單元，通過總線接收機(jī)械臂控制器的命令進(jìn)行控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂控制器為總控制單元，機(jī)械臂控制器不僅實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊鉗和機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，還是軟件點(diǎn)焊工藝包的載體，所有的控制指令和邏輯命令都在此處產(chǎn)生，通過示教器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，操作者通過示教器進(jìn)行點(diǎn)焊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置和動(dòng)作程序的示教，并設(shè)定運(yùn)動(dòng)速度、焊接參數(shù)等。點(diǎn)焊工藝控制系統(tǒng)按照示教程序規(guī)定的動(dòng)作、順序和參數(shù)控制機(jī)械臂/點(diǎn)焊鉗控制器和其他設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)焊作業(yè)，其過程是完全自動(dòng)化的。并且具有與外部設(shè)備通信的接口，可以通過這一接口接受上一級主控與管理計(jì)算機(jī)的控制命令進(jìn)行工作。

圖1? 點(diǎn)焊工藝控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

2? 硬件設(shè)備

2.1? 機(jī)械臂

點(diǎn)焊機(jī)器人的機(jī)械臂（圖2）本體一般需要選用六自由度串聯(lián)機(jī)械臂，必要時(shí)配合變位機(jī)等外部設(shè)備使用才能滿足生產(chǎn)過程中焊點(diǎn)位置的空間變化需求。一般點(diǎn)焊機(jī)器人要求動(dòng)力強(qiáng)勁，結(jié)實(shí)可靠，一般要求負(fù)載在210 kg以上，運(yùn)動(dòng)范圍2.7 m以上；若是鋁合金材質(zhì)點(diǎn)焊則需求大電流、高壓力，普遍焊鉗較大，一般要求負(fù)載在300 kg以上；同時(shí)，也要求工業(yè)機(jī)器人具備定位精度高、工作穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)速度快等特點(diǎn)。

圖2? 工業(yè)機(jī)械臂及電控柜

2.2? 點(diǎn)焊控制器

點(diǎn)焊控制器（圖3）一方面通過管線包與點(diǎn)焊鉗直接連接，在焊接過程中把工頻三相電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的中頻單相電源，再通過焊接變壓器轉(zhuǎn)換和整流，變成需要的直流電流供點(diǎn)焊焊鉗的焊接使用；另一方面，控制器不會主動(dòng)執(zhí)行焊接動(dòng)作，而是開放接口與機(jī)器人控制器或PLC連接，通過接收機(jī)器人控制器或PLC的相關(guān)控制信號控制點(diǎn)焊電流的輸出和其他邏輯的執(zhí)行。

圖3? 點(diǎn)焊控制器

2.3? 點(diǎn)焊鉗

點(diǎn)焊鉗（圖4）是和工件直接接觸的焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，分為C型焊鉗和X型焊鉗。C型焊鉗用于點(diǎn)焊垂直及近于垂直傾斜位置的焊點(diǎn)，X型焊鉗則主要用于點(diǎn)焊水平及近于水平傾斜位置的焊點(diǎn)；根據(jù)驅(qū)動(dòng)源的不同，分為氣動(dòng)焊鉗和伺服焊鉗，氣動(dòng)焊鉗在加壓過程中，無法控制電極移動(dòng)速度，對工件沖擊較大，容易導(dǎo)致工件變形，氣動(dòng)焊鉗壓力無法精準(zhǔn)控制，容易產(chǎn)生大飛濺，對焊點(diǎn)指令產(chǎn)生影響；伺服焊鉗電極壓力可控，根據(jù)板厚的不同，每個(gè)焊點(diǎn)都可以自由調(diào)節(jié)壓力或單點(diǎn)多段壓力； 電極接觸到工件后，再緩慢加壓，避免電極對工件產(chǎn)生沖擊；高效率，機(jī)器人在點(diǎn)與點(diǎn)的移動(dòng)過程中即可控制電極的開合，無需等待機(jī)器人到位后再閉合電極，所以具備競爭優(yōu)勢。

2.4? 其他設(shè)備

點(diǎn)焊機(jī)器人控制系統(tǒng)除了上述主要設(shè)備之外，還有一些外圍的輔助設(shè)備主要包括水/氣單元、修磨機(jī)、管線包等設(shè)備。一般情況下自動(dòng)電極修磨器、水氣單元和這些外設(shè)在機(jī)器人出廠前都會經(jīng)過裝配、安裝和測試。

尤其是自動(dòng)電極修磨器，承擔(dān)了點(diǎn)焊鉗電機(jī)修磨的重要任務(wù)。主要由固定支架、修磨刀具、吹氣裝置及收納裝置等組成。機(jī)器人把焊鉗的電極固定到修磨器指定位置，修磨器通過刀具和浮動(dòng)裝置可以自動(dòng)調(diào)節(jié)完成修磨。修磨完成后還可以進(jìn)行修磨補(bǔ)償檢查。這一系列過程一般會有固定的程序和指令對應(yīng)。點(diǎn)焊機(jī)器人需要修磨時(shí)，配合修磨器模塊化調(diào)用即可。

（a）? C型點(diǎn)焊鉗? ? ?（b）? X型點(diǎn)焊鉗

圖4? 點(diǎn)焊鉗

3? 工藝軟件

點(diǎn)焊機(jī)器人軟件工藝包是針對點(diǎn)焊作業(yè)過程中控制需求、補(bǔ)償需求、信號交互需求、過程監(jiān)控需求的專用功能模塊。軟件工藝都集成在機(jī)械臂控制器中，ABB、FANUC、庫卡等機(jī)器人廠商均有專門的點(diǎn)焊工藝包供點(diǎn)焊機(jī)器人使用，機(jī)械臂控制器作為主控單元需要集成整個(gè)點(diǎn)焊工藝包，并分別與各個(gè)被控設(shè)備建立通訊，主要通過人機(jī)交互界面、程序指令集、運(yùn)動(dòng)控制模塊和其他工藝模塊等模塊功能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊機(jī)器人的本體運(yùn)動(dòng)和焊接過程控制。本體控制部分主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)控制；焊接控制部分則負(fù)責(zé)對點(diǎn)焊控制器進(jìn)行自動(dòng)控制，發(fā)出焊接開始指令，自動(dòng)控制和調(diào)整焊接參數(shù)（如電壓、電流、施加壓力及時(shí)間/周波等），控制點(diǎn)焊鉗的大小行程及夾緊/松開動(dòng)作控制及外圍設(shè)備信號控制。

3.1? 指令集

點(diǎn)焊指令集是點(diǎn)焊工藝控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊動(dòng)作和其他設(shè)備動(dòng)作的指令集合。點(diǎn)焊指令集主要包括點(diǎn)焊動(dòng)作指令、加壓動(dòng)作指令、電極修磨指令和零點(diǎn)標(biāo)定指令等。雖然不同的廠商指令集的形式會有所差異，但基本都涵蓋了點(diǎn)焊動(dòng)作、焊接條件參數(shù)設(shè)置、焊接時(shí)序設(shè)定等多個(gè)方面功能，需要根據(jù)不同的焊接工藝在程序中進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

3.2? 人機(jī)交互界面

點(diǎn)焊工藝從初始化到執(zhí)行過程中，需要操作者根據(jù)實(shí)際工況和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置工藝參數(shù)，編寫調(diào)試程序都需要通過人機(jī)交互界面進(jìn)行。圖5為廣州數(shù)控設(shè)備有限公司人機(jī)交互界面示意圖，通過人機(jī)交互界面可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)型號、齒輪比、最大速度、行程極限、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向、最大壓力、焊鉗關(guān)閉方向?qū)?yīng)按鍵設(shè)定（X+/X-）、焊接IO設(shè)定等操作，可編輯修改點(diǎn)焊執(zhí)行程序。

圖5? 點(diǎn)焊工藝人機(jī)交互界面

3.3? 運(yùn)動(dòng)控制模塊

點(diǎn)焊工藝的運(yùn)動(dòng)控制模塊不僅要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂再現(xiàn)示教點(diǎn)運(yùn)行，控制機(jī)械臂載著點(diǎn)焊鉗到達(dá)指定的焊接位置。還需要通過信號、力矩、脈沖等方式控制點(diǎn)焊鉗，實(shí)現(xiàn)定位、預(yù)壓、加壓保持和快速回退等整個(gè)點(diǎn)焊流程動(dòng)作。圖6為氣動(dòng)點(diǎn)焊動(dòng)作的一般時(shí)序，可以看出，每一個(gè)點(diǎn)焊過程都需要機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)、焊鉗運(yùn)動(dòng)和各種系統(tǒng)信號配合完成，應(yīng)對不同的場景往往也有不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇。

圖6? 點(diǎn)焊時(shí)序圖

3.4? 修磨補(bǔ)償功能

為了應(yīng)對點(diǎn)焊過程中電極帽受熱產(chǎn)生軟化、氧化和形變造成的焊接質(zhì)量問題，需要定期對點(diǎn)焊鉗兩側(cè)的電極頭修磨去除氧化層，同時(shí)需要將切削后的電極頭長度變化補(bǔ)償?shù)胶笝C(jī)路徑當(dāng)中。點(diǎn)焊工藝的修磨補(bǔ)償流程如圖7所示。

圖7? 修磨補(bǔ)償流程示意圖

點(diǎn)焊機(jī)器人電極的修磨時(shí)機(jī)由機(jī)器人程序控制，需要事先設(shè)定機(jī)器人需要完成的焊點(diǎn)數(shù)量，從而明確修磨頻次及修磨極限。在機(jī)器人編程時(shí)，將這些參數(shù)輸入到程序中，形成機(jī)器人電極帽的修磨程序。當(dāng)點(diǎn)焊機(jī)器人電極工作到設(shè)定的焊點(diǎn)數(shù)量時(shí)，機(jī)器人就會停止工作，并調(diào)用電極修磨程序。進(jìn)入修磨程序后，機(jī)器人焊鉗自動(dòng)移行至修磨器所在處，確保上、下電極移行到修磨器的正中心線位置，修磨刀頭兩側(cè)與上下電極緊貼，使上下電極與修磨器的刀片同時(shí)接觸并壓緊，修磨器刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行電極帽的端面切削研磨，修磨掉少量的碎片或刨花類的銅屑，修出與刀片輪廓一致的上下電極帽端面后即完成電極的修磨程序。修磨完成后一般通過以下2種方式計(jì)算補(bǔ)償值。

1）單步法：關(guān)閉焊鉗，進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)零，根據(jù)用戶設(shè)置的“磨損率”，將總體的磨損量分配給各個(gè)電極頭。

2）兩步法：借用外部夾具，機(jī)器人控制焊鉗再次標(biāo)零后，移動(dòng)到夾具位置，可動(dòng)側(cè)抵碰夾具進(jìn)行可動(dòng)側(cè)磨損量測量，再用總磨損量減去可動(dòng)側(cè)磨損量測量得到固定側(cè)的磨損量。

計(jì)算出來的補(bǔ)償值在執(zhí)行點(diǎn)焊指令和加壓指令時(shí)，直接補(bǔ)償?shù)诫姌O頭前端位置。

3.5? 撓曲補(bǔ)償功能

撓曲補(bǔ)償又稱撓度修正，是對加壓焊接過程中，點(diǎn)焊鉗動(dòng)極和定極產(chǎn)生的形變補(bǔ)償。如圖8所示，加壓過程中，焊鉗兩極的形變會導(dǎo)致工件變形，影響工件的焊接質(zhì)量，為此需要通過事項(xiàng)測量的方式，把不同加壓條件下的撓曲變化測試出來，并作為加壓參數(shù)保存。在機(jī)器人以相應(yīng)條件執(zhí)行加壓時(shí)，將固定側(cè)電極根據(jù)撓曲補(bǔ)償參數(shù)補(bǔ)償相應(yīng)的撓曲量，實(shí)現(xiàn)工件的平整焊接，保證點(diǎn)焊質(zhì)量。

（a）? 示教位置? ? ?（b）? 加壓工件? ? ? ?（c）? 撓曲補(bǔ)償

圖8? 撓曲補(bǔ)償原理示意圖

4? 結(jié)束語

點(diǎn)焊機(jī)器人目前應(yīng)用廣泛，基于其高效、高質(zhì)量、高自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，一定會在未來保持廣闊的市場需求并不斷更新迭代。對工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)焊工藝系統(tǒng)的分析研究，拆解其軟硬件架構(gòu)和工藝流程，可以明確工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)焊工藝各模塊設(shè)備和功能特點(diǎn)；明確不同系統(tǒng)之間的通信對接邏輯。對通用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊工藝適配具有參考意義。

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