通用机器人焊接系统
2015-05-08 00:00:00   来源：中国机器人教育网的博客   评论：0 点击：

摘 要：机器人焊接系统属于MultiAgent系统，机器人系统集成的关键是如何处理好MultiAgent的通信和工作协调。本文以机器人弧焊系统为例，分析通用机器人焊接系统的架构、控制系统的特点及其系统集成技术。系统的通用性体现在针对不同工件的焊接只需通过对夹具的简单更换及通过HMI就可很容易地调整系统设置，作为机器人外部轴的焊接变位机的柔性和易操作性也是十分重要的。基于现场总线的系统控制器是提高系统的可扩展性和可重构性的重要保证。此外，必须确保机器人具有良好的可调整性以完成不同的任务。关键词：机器人；焊接；MultiAgent；现场总线；系统集成1 引言焊接是汽车工业生产中十分重要的工艺流程和加工手段，在汽车制造中得到了广泛的应用。汽车的车桥、车架、车身、车厢等主要组成部分都离不开焊接技术的应用。随着结构件制备和组装工艺的改善，高效稳定的机器人焊接设备将极大地提高产品的产量和质量。我国汽车市场需求正处于快速成长时期，汽车工业作为带动内需的支柱产业的发展，将推动制造装备特别是机器人系统的需求发展。汽车工业是制造装备密集型产业，随着汽车工业的发展，汽车车身焊装线也在逐渐向全自动化方向发展[1]，在提高产量的同时，要求努力提高汽车制造质量。自动弧焊机器人从60年代开始用于生产以来，其技术已日益成熟，主要有以下优点：1）稳定和提高焊接质量；2）提高劳动生产率；3）改善工人劳动强度，可在有害环境下工作；4）降低了对工人操作技术的要求；5）缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。迄今为止，我国在汽车制造业中工业机器人的密度还大大低于发达国家。机器人焊接系统是汽车制造业的核心装备之一。目前，各种焊接机器人系统正在国内汽车制造企业中得到越来越广泛的应用，焊接机器人系统的产业化前景十分看好，研发高性能的机器人焊接系统有着广阔的市场前景。1.1?机器人焊接系统的主要应用形式按照焊接机器人系统的夹具布局的不同特点，及外部轴等外围设施的不同配置，焊接机器人系统可分为以下几种形式：（1）固定式夹具+焊接机器人[2]：夹具由变位机进行变位以实现机器人焊枪在最佳姿态进行焊接。系统结构简单，故障率低，但由于在装卸工件过程中机器人处于等待状态，因而生产效率较低。（2）回转工作台+变位机+焊接机器人工作站[3]：变位机有两个工位，一个焊接位，一个装卸位，转台实现转位。系统结构紧凑，工作效率高，是目前最广泛使用的一种形式。（3）搬运机器人+焊接机器人：搬运机器人用来夹持工件，两台机器人之间的运动配合以适应各种不规则焊缝的焊接。缺点是由于两部机器人配合的不协调所导致的故障率较高。（4）机器人外部轴+焊接机器人：变位机的运动由机器人的外部轴驱动，以实现复杂空间焊缝的焊接。这也是目前应用最广泛的一种结构形式。1.2 机器人焊接系统的控制系统系统控制器一般均采用具有良好的抗干扰性、耐冲击性、对恶劣环境的适应性强的PLC 作为系统主控单元。（1）工作参数设置方式：根据具体情况来确定HMI的工作方式，若参数的设置量较小及系统的通用性和柔性要求不高，可在控制面板上通过调节相应的选择开关来完成；而如果需要设置的参数较多或结系统的通用性和柔性要求较高，在这种情况下，一般可通过触摸屏设置。（2）数据通信方式：机器人焊接系统是一个MultiAgent 系统，机器人、机器人自动焊机和系统控制器都具有Agent的特性（代理性、智能性、自主性、移动性）。MultiAgent 系统之间的通信是各Agent相互协调的关键。在机器人焊接系统中，一般对于较小规模的系统集成多采用成本较低、控制简单的I/O通信；而对于规模较大的系统多应用Fieldbus+I/O 的通信方式。基于Fieldbus的控制系统（FCS）是工业现场控制系统的发展方向。（3）机器人工作方式：目前，弧焊机器人一般均有6DOF；其负载能力为6kg；可以利用焊接基板实现对焊机进行控制（焊接电压、电流、送丝速度等），并可以实时检测焊接过程中的断丝、断气等故障；焊接时为了防止焊枪的可能产生的碰撞而损坏设备，机器人应具有碰撞传感器；根据焊接工艺的需要是否配置焊缝跟踪功能和焊缝始端检出功能。其编程方式有两种，一种是采用示教再现的方式，另一种是离线编程。一般均采用示教法建立运动程序；对于大型件且焊缝示教不便的场合使用离线编程的方法。当采用离线编程法时，工件必须准确的定位，此外，还要对离线编程软件和机器人—PC的接口硬件（RS232C 或Ethernet）进行额外的投资。机器人和系统控制器的通信采用数字I/O的方式，机器人和焊机的通信则由机器人控制器中的焊接基板完成。2 通用机器人焊接系统的架构、控制系统及系统集成通用机器人焊接系统的特点主要表现在：（1）具有灵活的适用性和使用性；（2）只通过简单的夹具和工作参数设置更换就可容易地适应不同工件的焊接；（3）单一工作站生产及通过调整即可组合成生产线的可行性和可操作性；（4）系统的高可靠性和易操作性，完善的焊接外围设备配置；（5）通过调整机器人即可完成不同的加工任务。2.1 通用机器人焊接系统的架构通用机器人焊接系统由6DOF焊接机器人系统（操作机和机器人控制器）、机器人外部轴驱动的双工位变位机、可更换的焊接夹具、系统控制器、操作面板、机器人自动焊机（焊接电源、送丝机构）及焊接辅助设备（除尘设备，保护气体供气系统，清枪剪丝装置包括剪丝装置、机械去飞溅装置和喷防飞溅液装置）构成。图1给出了高性能通用机器人焊接系统的架构。为了确保在更换产品时，系统的调整只要通过简单的参数设置和夹具更换就可完成，高性能通用机器人焊接系统使用触摸屏来进行参数设置，采用Fieldbus在触摸屏和系统控制器PLC 之间传递数据保证了系统的高可靠性、数据传递的实时性及HMI的友好性，现在在机器人系统集成应用中Profibus DP是发展最迅速的一种总线协议，它获得了广泛的应用；用两个机器人外部轴来驱动焊接变位机，这样就可以对具有复杂空间焊缝的工件进行焊接；双工位变位机则确保了机器人的工作效率。图 1 高性能通用机器人焊接系统的架构2.2 机器人焊接控制系统机器人焊接系统是一个Multiagent 系统。Multiagent 系统必须找出一种使各Agent能够协同工作的适当方法。这种方法是建立在多个Agent 系统资源共享和各Agent 自主性之上的。虽然独立的Agent有各自分散的目标、知识和推理过程，但它们之间必须有一种方法能够相互协调、相互帮助以找到整个系统的目标。机器人焊接系统中的焊接机器人、系统控制器和焊接构成了一个Multiagent系统，通过它们之间的协同工作来实现多Agent 之间的协作，从而共同完成整个控制系统的任务，以提高系统的可靠性和稳定性。图2是一个通用机器人焊接系统的系统构成。图 2 通用机器人焊接系统的系统构成对于高性能通用机器人焊接系统的信号传输和通信，Fieldbus+数字I/O是一个很好的解决方案。主控单元PLC和触摸屏之间采用Fieldbus 通信，其他的信号通信使用数字I/O 的方式。Fieldbus的使用也为将若干个焊接工作站组合成机器人焊接生产线预留了可扩充的空间，在硬件上做好了准备。机器人焊接系统中机器人控制器应该能完全控制焊机的焊接工艺参数，机器人的PLC 可以对焊接过程进行全面的监控，当出现故障时，机器人能够自动停止焊接，用户可以根据需要输出故障信号，例如：断丝、断气、送丝故障。焊接机器人的控制系统分成两个部分，CPU 模板群和I/O 模板群；CPU 模板群由底板、电源模板、CPU模板、I/O 通信基板、伺服模板、外部轴伺服基板、焊接基板组成，其中伺服模板除标准的一块6轴模板外，通过扩展外部轴伺服基板使系统具备7 轴以上的控制能力，一个机器人可以为自身最多扩展3个外部轴；I/O 模板群有底板、电源模板、CPU 模板、数字I/O 板和模拟I/O 板等其它通信接口板构成。机器人的软件结构分成两种：机器人软件（示教盒上编辑的机器人运动控制软件）和I/O软件（指定各I/O 端口的定义和逻辑关系，在系统菜单中编辑）。机器人与主控单元的通信可通过机器人的I/O板或通信接口板（RS232C 或Ethernet）实现。系统主控单元采用具有良好的抗干扰性、耐冲击性、对恶劣环境的适应性强的PLC，再配以数字I/O模块、位置控制模块、通信控制模块等构成控制器核心；由于机器人本身附带了I/O 板，所以与机器人通信可直接通过I/O点位控制实现。2.3 系统集成技术机器人焊接控制系统是一个复杂的Multiagent 控制系统，如何在各Agent间进行通信，如何规划系统信息流和控制流，机器人焊接系统中有很多状态信号和控制信号，如何分配不同的Agent对这些信号进行处理和响应，是关系到系统可靠性的重要环节。由于焊接时的电网电压波动较大，所以，除焊接电源外的其他供电都应由净化电源提供，对于机器人焊接系统来说稳定性和可靠性是系统成败的关键。待焊接件的尺寸一致性对机器人焊接效果和质量有着举足轻重的影响，工件必须准确定位。对于大型焊接件，若工件的准确定位比较困难，这里可以考虑使用焊接机器人的始端检出及焊缝跟踪功能来确保焊接质量。由于机器人焊接系统进行全自动焊接，在进行系统设计时，在必要处（如工件的夹紧状态、气体的流量和压力等）应该设置相应的传感器来保证焊接过程的正确实施。机器人系统的安全性一定要给予足够的重视，如：安全栅栏、机器人工作区的安全锁、变位机工作范围的安全检测装置，应该在工作区的多点设置急停开关以保证安全生产。3 瑞风前梁机器人焊接系统瑞风前梁由5 种（共10个）零部件焊接而成。焊缝根据其形状和位置，总地来说可分为两大类：规则焊缝（在一个平面上的由直线和圆弧组成）和不规则焊缝（空间焊缝）。通过对焊缝的分析，前梁焊接多为小件短焊缝，这非常适合焊接机器人完成。该机器人焊接系统的年生产纲领为20,000件。前梁焊接工艺流程:（1）在点焊台架上，手工进行所有零部件的点焊（CO2 气体保护焊）操作；（2）在机器人焊接系统上进行满焊（CO2 气体保护焊）操作。系统的构成为：两工位 AC 伺服变位机，MOTOMAN UP6 6DOF垂直多关节型焊接机器人，系统控制器采用PLC 控制，弧焊单元采用MOTOWELD-S350 MOTOMAN机器人专用焊接电源及送丝机构，BINZEL机器人专用清枪剪丝装置，CO2 气体调节器等。系统布局图如图3 所示。图 3 前梁机器人焊接系统总体布局图该机器人焊接系统解决前梁手工焊接工序节拍难以控制、焊接质量不稳定等缺陷。系统集成技术的研发解决弧焊机器人、焊接变位机和焊接辅助设备之间的协调工作；变位机的控制轴可成为弧焊机器人的附加轴，提高系统的柔性，扩大工作站的应用范围。所研制的AC伺服高精度焊接变位机解决了工件在焊接过程中的高精度焊接变位，提高了焊接精度。4 结论通用机器人焊接系统集自动化生产和灵活性生产特点于一身，在汽车、摩托车及工程机械制造业中得到了越来越广泛的应用。开展通用焊接机器人系统成套技术的研究，建立高稳定性、高可靠性的焊接机器人系统或机器人焊接生产线对我国高速发展的汽车及相关产业有着非常重要的意义。对于机器人焊接，待焊接件的尺寸一致性对焊接效果和质量有着影响很大，在夹具设计时必须要采取措施保证工件的准确定位。在进行机器人焊接系统的系统集成时，必须要解决好系统控制器、机器人和焊机之间的数据流和控制流。基于Fieldbus总线的机器人系统集成技术对建立高性能的通用机器人焊接系统及较大规模的机器人系统集成起着至关重要的作用，也是今后一段时间的发展方向。