焊接机器人工作站的设计
2015-01-30 00:00:00   来源：中国机器人教育网的博客   评论：0 点击：

摘要：以汽车地板前侧板构件总成为例，介绍了焊接机器人工作站的设计。以KUKA KR16-2 型6 轴工业机器人为中心，设计了工作站的结构和总体布局，介绍了PLC总控系统的组成、触摸屏的设计和机器人程序的设计。系统已投入使用，达到了预期效果。关键词：焊接机器人；工作站；点焊0 前言焊接机器人具有性能稳定、焊接质量高、生产效率高等优点，能够改善工人劳动条件，消除人为因素对产品质量的影响，从而保证产品的质量，广泛地应用于现代制造业，如汽车制造和汽车零部件、摩托车制造、工程机械、机车车辆、家用电器等行业。特别是在汽车零部件制造业中，由于经常存在旧车型改款或新车型研发的需要，采用焊接机器人为主体构建柔性工作站，利用示教功能可以方便实现不同零部件的焊接任务转换。本研究以地板前侧板构件总成为例，开发了焊接机器人工作站，实现了自动焊接。1 机器人工作站总体设计[1-2]焊接机器人工作站是一个以焊接机器人为中心的综合性高、集成度高、多设备协同运动的焊接工作单元，工作站的设计需要结合用户需求分析焊接工件的材料、结构及焊接要求等，规划出合理方案。根据汽车地板前侧板构件总成的产品结构和焊接质量要求，共有两套焊接机器人工作站完成其焊接（点焊），在此以其中一例进行介绍。根据经济性原则、合理布局（有效利用厂方现有布局空间）、科学生产（人员少、产量高且工人的劳动载荷在人体可承受范围内的条件）、生产效率高（机器人在工作过程中不出现奇异位姿，所有工作过程均在机器人工作空间内完成）、安全生产（避免焊钳和工件、夹具、外围设备等出现干涉、碰撞等情况）等原则，设计的工作站的规划布局如图1所示，由焊接机器人及其电控柜、气动焊钳、外围焊接电源及控制器及焊接控制器、电极修磨器、工装夹具台、PLC电控部分、辅助用的气、液压、水路以及各类传感器等组成。工作站有四个工位，M1、M2工位为滑台，M3、M4为固定台，工装夹具可以根据焊接产品的不同进行更换，同时改变机器人程序就可以快速实现焊接产品的更换，使工作站柔性化，提高设备利用率和效率。2 硬件构成工作站选用KUKA KR16-2 型6 轴工业机器人，最大作用范围1 610mm，重复准确度高，应用灵活、范围广泛，特别是在汽车零配件制造领域。机器人控制系统选用KRC4，集成所有安全控制（Safety?Control）、机器人控制（RobotControl）、运动控制（Motion?Control）、逻辑控制（LogicControl）和工艺过程控制（Process Control），均可以对其进行智能化使用，使系统具有高性能、可升级性和灵活性，机器人焊接效率高。焊接轨迹、运动程序、电极修磨等均由机器人控制器完成。气动焊钳采用一体式X型焊钳。考虑到中频点焊技术能降低生产成本、优化功率系统、节省能源消耗、缩短焊接时间、降低电流负荷以及提高电极使用寿命等优点，采用中频焊机，控制器选用BOSCH中频焊接控制器PSI63S。图1 焊接机器人工作站结构及布置示意1—KUKA 焊接机器人；2—工装夹具台；3—焊接工件；4—安全栅栏；5—气动焊钳；6—修磨器；7—PLC 电控柜；8—机器人电控柜；9—焊接控制器；10—安全门。焊钳在焊接过程中需要压缩空气作为动力，同时需要冷却水对焊接控制器及焊钳电极进行冷却。为实现压缩空气及冷却水回路的控制，采用能源接口板ROBOTINTERFACE PANEL（RIP）为焊接系统提供能源。工作站的总控选择采用西门子PLC S7-226CN来完成。通过Profibus总线与机器人控制器通信，同时负责外围控制。人机界面选用西门子SMART700IE，通过PPI 与PLC相连接，经济实用。工装夹具对焊接工件的一致性、装夹、定位等有很高的位置要求和定位要求，要保证工件的精确定位，贴合良好，同时对焊枪和机器人操作臂运动轨迹不产生干涉。定位和压紧采用气动控制。考虑到经济性和企业条件，夹具台的操作和工件的安装均由人工完成。工人将工件安放好后，按下开关，通知PLC。工件位置均带有检测开关，检测开关信号连至PLC，并将未放工件和工件位置不正确等状态反馈至PLC，系统报警，以免造成焊接干涉或者产生废品。夹具台采用专用快装接口，方便焊接产品更换时更换夹具台。夹具底板有专门的定位销，保证夹具的重复定位精度，从而保证焊接精度。为保证生产和人身安全，工作站设有安全栅栏和安全门。安全门设有检测装置，当安全门打开时，机器人通知工作，保护系统设备和人员安全，同时PLC报安全门打开故障。安全门恢复，并且工人在触摸屏上复位后，设备才能正常工作。3 PLC 系统设计工作站采用集中控制结构，系统的所有设备除机器人运行轨迹外，都要受到PLC 的控制，外围设备状态也要通过PLC 传递给机器人控制器。因此，PLC系统在工作站中起着至关重要的作用。3.1 系统组成与功能PLC 总控系统的组成原理如图2 所示。PLC 总控系统与机器人通过Profibus 总线进行通信，实现数据交互和对机器人调用轨迹程序的控制；主要数据包括：机器人工作模式、在原点、停止、故障、在焊接轨迹中或轨迹外、是否在修磨、换电机、试片焊接等。对机器人的控制主要通过触摸屏和夹具台的操作盒来完成。通过夹具台操作盒按下相应工件准备好按键或是在触摸屏上设置来调用机器人中不同的程序，如工位M1焊接程序、工位M2焊接程序或电极修磨程序等，从而实现不同的动作。图2 PLC 总控系统原理框图工装夹具台输入到PLC 的信号主要是：有无工件、工件是否装夹好、当前状态（自动/调试）、启动、急停、暂停等按钮的状态等。M1、M2滑台，还需要将其前位和后位状态送给PLC。PLC 输出夹具加紧等信号给夹具台，对于滑台，PLC 还要控制其前位和后位。焊接控制器的信号与机器人和PLC均连接。将当前的故障信号、步增完成信号、焊接完成信号等输入给PLC，PLC 则实现焊接控制。为保障生产安全，安全门的信号如启动、请求进入等，水源、气源的状态，焊钳是否过热等信号以及机器人内部的报警信息都输送给PLC，根据故障信息的不同，PLC选择停机、三色灯报警、触摸屏上报警等方式处理。3.2 触摸屏设计工作站的控制大多由触摸屏来实现。主要实现的功能和画面设计有：（1）参数设置和手动操作。通过触摸屏的参数设置画面，实现对工作站重要参数的设计；同时，具备手动操作画面，用于调试、维护和维修。（2）信息显示。系统具有生产状况画面，显示日、月焊点数、产品数等信息；机器人状态画面，显示机器人的模式、当前状态（在原点、焊接中、焊接完成等）；工位状态画面，显示各工装夹具台的状态及焊钳、水流量等的状态；机器人I/O画面，显示机器人各个输入和输出信号的状态。（3）故障服务。工作站的各类故障和报警信号均能在触摸屏上显示，并记录最近的故障。故障解除后，必须人工复位。PLC 系统控制部分界面如图3 所示。图3 部分触摸屏画面4 机器人程序编写机器人程序分为主程序CELL 程序，焊接程序M1WELD、M2WELD、M3WELD、M4WELD，修磨程序CUTCLEAN，IO程序Init_IO 等。机器人启动后不断循环运行CELL 主程序，等待PLC 通过IO程序送达工位选择信号或修磨信号，调用相应焊接程序或修磨程序。完成一个程序后，如果没有另一个工位的就绪信号，返回主程序继续等待；如果有下一个工位的就绪信号，直接转入下一个工位的焊接程序，从而提高生产效率。5 结论焊接机器人工作站应用于汽车零部件的焊接，提升了焊接质量和焊接效率，设计的工作站控制精度高、速度快、可靠性好，并设置了多种防护和报警，自动化程度高，操作简单，降低了工人的劳动强度，并具有产量统计等多种功能。