雙機器人空間雙縫協同焊接工作站的設計

0引言

薄壁零件在焊接過程中會產生較大的內應力，導致較大的變形，當同一零件上具有多道空間焊縫時，該零件的由焊接所產生的變形就非常複雜，不利於分析和控制[1]。在使用常用的減少內應力的方法沒有達到滿意的效果後，本項目組通過綜合分析空間對接焊縫零件焊縫之間熱輸入量及變形的相互影響，並通過工藝試驗論證確定了採用雙機器人對該零件進行雙縫同步焊接，協同變位機帶動焊接零件變位，使焊接位置始終處於最優的狀態，以達到保證焊縫成型質量及有效控制焊接變形的目的[2]。

1焊接工藝及流程分析

本方案需將焊縫分為四段焊接。

首先，工件裝夾固定完畢後，機械手從長直焊縫一端起弧，根據工藝需要，設定合適的焊接電流、

焊接速度、送絲速度等焊接參數，焊至接近拐角附近位置，如圖1（a）所示。

圖 1焊接工藝流程圖

然後，從拐角附近位置變位機開始旋轉，機器人焊槍軌跡點跟隨變位機位置變化協調運動，使焊槍始終保持最佳焊接姿態，並選取適當的焊接參數，直到焊過拐角，如圖2（b）所示。

接下來，焊過拐角，此時短直焊縫水平向上，變位機停止旋轉，機械手夾持焊槍做直線運動，並保持最佳焊槍姿態，完成直線段焊接如圖2（c）所示

最後到另一尖角位置，變位機開始旋轉，機器人焊槍軌跡點跟隨變位機位置協調運動，使焊槍始終保持最佳焊接姿態，並且保持合適的焊接參數。直到焊接完成，如圖2（d）所示。

本系統採用人工上料的方式完成工件的裝夾與點定，當工人完成裝夾後，按啟動焊接按鈕，系統控制器判斷每個氣缸是否夾持到位，如果夾持不到位，將給予提示。啟動焊接後，機器人按人工示教編程後保存的程序進行焊接，機器人先對直焊縫進行滿焊，到直角過度段的時候，機器人控制櫃控制協同變位機調整角度，對拐角處的焊縫進行焊接，過完拐角繼續焊接另一個平面的直焊縫，最後完成焊接，時效處理後人工下件。流程圖如圖2所示。

圖 2焊接工藝流程圖

2系統組成與佈局

自動焊接工作站包括機器人分系統、焊接分系統、工裝夾具分系統、安全防護分系統和監控分系統。自動焊接工作站採用雙縫雙弧焊方式，需要兩台弧焊機器人；自動化工裝夾具通過氣缸將工件定位夾緊，在變位機的位姿變換下完成可靠焊接；安全防護分系統用來做工作站的周界防護，避免工人在系統運行時進入工作區域。擬採用的設備有安全光幕、安全門、圍欄等；監控分系統控制整個系統的邏輯動作，擬採用PLC來實現各種傳感器的控制，並將系統狀態信息採集並傳輸到觸摸屏上，操作人員可在工作區域外部清楚地看到整個系統的運行情況，並可通過觸摸屏與控制枱對系統進行控制。

佈局圖如圖3所示：

1變位機 2滑軌 3機器人 4滑台 5焊接電源 6水冷箱 7拖鏈 8走線槽

圖 3工作站佈局圖

該工作站設置一個維修門和一個上下料們，技術員可通過維修門進入工作站進行檢修和調試，工人通過電動捲簾門進入工作站將工件通過夾具安裝到變位機上，適當選取機器人型號以覆蓋所有焊縫，該佈局方案的優點是上下件安全、方便，各機構在工作中不易產生干涉[3]。

3系統控制

3.1系統控制原理

雙機器人自動焊接工作站在控制上分為兩個層次：系統主控層和機器人焊接控制層。系統控制原理圖如圖4所示。

圖 4系統控制原理圖

系統採用PLC 為主控器，收集各傳感器信號，進行邏輯運算，然後輸出邏輯動作命令控制機器人、夾具氣缸、信號燈等執行結構動作。觸摸屏根據需要提取PLC內部寄存器的信號，將工作站的運行狀態顯示出來。操作盒可實現系統的啟動、停止等操作功能。

機器人焊接控制層通過機器人控制櫃和焊接電源的信號交互實現對機器人動作、外部軸動作和焊接系統的控制。機器人控制櫃是該層的控制器，通過工業現場總線與焊接電源和機器人外部軸進行信號傳送，本工作站採用的是ABB弧焊機器人和福尼斯焊接電源，機器人與福尼斯焊接電源採用DEVICENET工業總線進行通訊。兩台機器人由一台作為主機器人，另外一台機器人和變位機都作為主機器人的外部擴展軸。兩台機器人之間採用機器人協同控制軟件和標準工業現場總線進行通訊（該線纜有機器人廠商提供，ABB機器人採用以太網），保證雙機器人協同控制。

系統分兩種工作模式：手動模式下進行示教編程，機器人各自示教完成後，可通過模擬焊接過程，執行示教焊接程序，通過多次調整各段的示教參數，直到符合要求為止；自動模式下進行自動焊接，如果焊前準備工作完成，確認各參數設置無誤，將機器人切換到自動模式進行自動焊接，在自動焊接過程中提供自動保護功能，配合按鈕操作盒，操作者實現對工作站的啟動停止等控制[4]。

機器人與焊接電源用現場總線DEVICENET模塊實現數字化通訊，焊接電流、送絲速度等參數可以在機器人示教器上直接設定，實現不同焊接參數的切換，以適應不同焊縫位置的需要。

本方案將變位機放入到機器人分系統中，充當六自由度機器人的第七軸，由機器人控制櫃控制其轉動，可以實現機器人和變位機的聯動控制，可以保證焊縫為最佳焊接位姿。

3.2手動模式的控制

為了對自動化焊接工作站進行參數設置、調整、排故等工作，工作站除了正常的自動焊接模式外，還需要設計一套手動模式的操作，本工作站在觸摸屏上進行手/自動模式的切換，可以將工作模式切換到手動模式。手動控制模式主要在以下操作時使用：

1、零件逐個在夾具上定位夾緊時

考慮現場夾具的操作方便性，在夾具上安裝一個夾具控制盒，用於控制夾具的氣缸的夾緊與放鬆，並幫助操作人員保證每一步都夾緊到位。

(1)夾緊按鈕：工人手動將零件放到夾具上，按一次，夾緊下一步所對應的氣缸，每放好一個零件按一次夾緊按鈕，直到夾緊定位好最後一個零件。

(2)放鬆按鈕：當上一步夾緊的零件出現問題時，按放鬆按鈕，放鬆上一步所對應的氣缸，重新擺放零件。

(3)夾具退按鈕：當焊接失效處理完成後，需要下件，按一次，放鬆所有已夾緊的氣缸。

(4)單步夾緊指示燈：當單步的所有氣缸夾緊到位時，該指示燈會持續亮一秒，然後滅，指示工人可以夾持下一個零件了。如果夾持好零件後該燈沒有正常亮起，表示該組氣缸有部分沒有夾持到位，應該按“夾具退”按鈕，排故，重新夾緊。

(5)全部夾緊指示燈：當氣缸全部夾緊時，該指示燈會一直亮着，這時候人員可以退出工作站，開始自動模式的焊接。

按鈕盒示意圖如圖5：

圖 5夾具控制盒示意圖

2、機器人試教編程

在機器人試教編程時，需要將工作站切換到手動模式下，這時候機器人才會將控制的權利交給示教盒。

3、焊接參數的調整

在焊接參數的調整的時候，需要將系統切換成手動模式，焊接電源才允許修改焊接參數。

4、另外説明

在手動模式下，由於人員有可能需要進入工作站區域，所以設定屏蔽光柵報警，檢修門關緊不到位報警等報警互鎖功能。

3.3自動模式下的控制

本機器人工作站設計了一款T型操作枱作為工人進行正常自動化焊接的基本操作平台。該平台具有簡潔、方便且安全的特性。該操作枱的按鈕作用如下：

(1) 啟動按鈕：雙手按下兩個按鈕，在符合啟動條件下，系統將啟動，這樣有效地防止人員的誤操作，提高使用安全性。

(2) 焊接暫停按鈕：按下，系統將進入暫停狀態，機器人會記錄當前焊接位置。

(3) 緊急停止按鈕：按下，系統將進入急停，只有當緊急停止按鈕撤銷後，機器人才能動作。

(4) 程序繼續：在急停或暫停取消後，按下程序繼續按鈕，系統將繼續急停或暫停前的工作，為保證焊接質量，機器人控制焊槍往回焊接一小段距離後再往前焊。

T型操作枱的按鈕分佈示意圖如圖6所示：

圖 6 T型操作枱

另外，在系統控制上，還有幾點需要特別説明：首先，除急停信號外，PLC不對機器人、變位機、焊機系統進行控制，這些都有機器人控制櫃進行控制和參數調取；然後，機器人、變位機、焊機系統在手動模式下，可以模擬行走所示教的路徑。

4焊接系統故障分析

焊接工藝、機器人的控制以及夾具的合理設計決定了本工作站能否焊接出合格的零件，全面的故障分析及故障處理方法的設計則可提升工作站的可靠性、保障性、安全性和適應性。針對自動化焊接的特點，本工作站對可能出現的故障進行了分析，並設計了工作站遇到這些故障時的邏輯處理方法，並將這些故障顯示在人機交互觸摸屏上，使技術人員更方便快捷地排故，恢復生產[6]。可能出現的故障如下：

1．夾具氣缸夾緊不到位

在自動狀態下，當PLC檢測到夾具系統中某一個磁感應開關沒有導通[5]，表示該位置的氣缸夾緊不到位，系統將在自動狀態下無法啟動或系統暫停，並且觸摸屏顯示未夾緊的氣缸的位置。

2．檢修門或者上下料門關閉不到位

在自動狀態下，當PLC檢測到檢修門上的接近開關壓緊不到位將觸發該報警，系統無法啟動；如果在正常焊接中出現該問題，PLC控制系統暫停。

3．光柵報警

在自動狀態下，PLC檢測光柵沒有信號輸入，將會觸發該報警。此時系統無法啟動或焊接暫停。

4. 缺氣報警

檢測氣壓開關安裝在保護氣瓶出口處，可以有效監測氣瓶的氣量，避免缺氣、少氣。PLC檢測氣壓開關沒有信號輸入，將會觸發該報警。自動狀態下系統無法啟動或系統急停，手動狀態只報警不限制系統使用

5. 斷絲保護

PLC檢測到焊絲檢測開關沒有信號輸入，將會觸發該報警。自動狀態下系統無法啟動或系統急停，手動狀態只報警不限制系統使用。

6.斷弧保護

PLC檢測從焊機引出的斷弧信號反饋沒有信號輸入，將會觸發該報警。自動狀態下系統急停，手動狀態只報警不限制系統使用。

7. 機器人碰撞報警

PLC檢測到從撞槍傳感應器輸入的信號，將會觸發該報警，此時系統急停。

8. 水流開關報警

水流檢測開關安裝到冷水箱迴流口處，可確保水流經過了焊槍，起到了冷卻的效果。PLC檢測水流開關沒有信號輸入，將會觸發該報警

系統處理：自動狀態下系統急停，手動狀態只報警不限制系統使用

9. 機器人報警

PLC檢測到機器人報警輸入口沒有信號輸入，將會觸發該報警。自動狀態下系統急停，手動狀態由機器人系統自身判斷如何處理

在手動模式下，為了不影響操作，本工作站運行遇到相關報警仍會在觸摸屏上顯示，但不影響手動操作。

5總結

本自動焊接工作站的焊接參數根據零件的材料特性，結構特性，採取適當的焊接工藝試驗得出，將合適的焊接參數通過機器人示教盒存入到機器人控制櫃中，在自動焊接過程中，可設定機器人調用，可以設定在不同的焊接位置調用不同的焊接參數。焊接電源、焊槍、送絲機構等焊接系統設備的品牌型號可根據需要自行選定。本焊接工作站的設計思路可推廣應用到各種空間焊縫的焊接中。