汽車點焊機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

梁文禎

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣東廣州510635)

0 引言

隨著國內(nèi)汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)機器人的應(yīng)用越來越廣泛。焊接技術(shù)是汽車制造業(yè)中的重要環(huán)節(jié)。隨著現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展和對焊接產(chǎn)品質(zhì)量、數(shù)量的需求不斷提高，以焊接機器人為核心的焊接自動化技術(shù)已有了長足的發(fā)展［1］。汽車工業(yè)是點焊機器人系統(tǒng)一個典型的應(yīng)用領(lǐng)域，在裝配每臺汽車本體時，大約60%的焊點是由機器人完成［2］。焊接機器人的自主化和智能化對于減輕工人的勞動強度和提高機器人的焊接質(zhì)量具有重要意義。因此，汽車點焊機器人控制系統(tǒng)的研發(fā)顯得尤為重要。筆者設(shè)計了一套汽車點焊機器人控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

汽車點焊機器人控制系統(tǒng)由控制器、人機界面、焊接機器人、電極研磨器、焊接控制器、操作臺、夾具以及安全保護裝置組成，如圖1 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制器

控制器選用OMRON CS1 PLC，具有快速的掃描時間，較大的I/O 吞吐量，足夠大的內(nèi)部RAM，支持DEVICENET 總線技術(shù)通訊，中、大規(guī)模的程序存儲容量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對二進制和浮點運算具有較高的處理能力的特點。

2.2 焊接機器人

為了滿足生產(chǎn)要求，點焊機器人選用關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人，一般具有六個自由度:腰轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺及腕捻。其驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動，其中電氣驅(qū)動具有保養(yǎng)維修簡單、能耗低、速度快、精度高、安全性好等優(yōu)點。汽車點焊機器人要求動力強勁，結(jié)實可靠，焊槍定位精度在±0.4 mm 以下。本系統(tǒng)選用KUKA KR2000 機器人，具有最大負荷200 kg，焊槍定位精度為±0.1 mm，工作穩(wěn)定，運動速度快等特點，能夠滿足系統(tǒng)需求［3-4］。

2.3 焊接控制器

焊接控制器選用Rexroth Bosch 焊接控制器，能夠?qū)﹄姌O壓力(預壓、加壓、維持、休止)時間和電極電流(預熱、焊接、熱處理脈沖)時間進行任意編程，具有電極焊接計數(shù)、自動報警、提示修磨電極更換的功能。

2.4 電極研磨器

電極研磨器選用ORARA 的V 型電極研磨器，具有防止上下電極的對中偏差，短時間內(nèi)進行切削，低噪音的電動馬達加齒輪驅(qū)動，內(nèi)置能減緩對焊槍和研磨器造成沖擊的平衡器的特點。

2.5 安全保護裝置

為防止機器人作業(yè)時造成傷人事故，采用多重安全防護技術(shù)。安全防護包括急?？刂苹芈泛桶踩刂苹芈?。常用的安全保護裝置有安全光柵、安全鎖、安全繼電器、光電開關(guān)、安全地毯、安全激光掃描儀等。安全保護的設(shè)計采用雙通道結(jié)構(gòu)的安全回路，嚴重的安全信號能令機器人急停，較低的安全信號令機器人暫停。

2.6 夾具

在焊接過程中，合理的夾具結(jié)構(gòu)有利于合理安排流水線生產(chǎn)，便于平衡工位，降低非生產(chǎn)用時。汽車焊接材料主要是薄鋼板，剛性差、易變形。在結(jié)構(gòu)上，焊接散件大多數(shù)是具有空間曲面的沖壓成形件，形狀和結(jié)構(gòu)復雜。有些型腔很深的沖壓件，除存在因剛性差而引起的變形外，還存在回彈變形。因此，在焊裝過程中必須使用多點定位的專用焊裝夾具，以保證部件整體的焊接精度［5］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)主程序的設(shè)計

點焊機器人控制系統(tǒng)經(jīng)過一系列的初始化設(shè)備后，進入主循環(huán)。主循環(huán)主要是判斷故障，處理操作臺和人機界面，控制夾具、點焊機器人和焊接控制器。采用OMRON 公司的軟件包CX-Programmer 軟件，支持語句表(STL)、梯形圖(LAD)和控制系統(tǒng)流程(CSF)。控制系統(tǒng)主程序包括:(1)MAIN 子程序負責操作臺上的按鈕，選擇開關(guān)，急停開關(guān)等狀態(tài)的讀取，判定操作者在此操作臺上設(shè)定的操作模式;(2)DISPLAY 子程序負責相關(guān)功能界面的選擇，完成觸摸屏的顯示、觸摸屏上對各設(shè)備的操作;(3)JIG1 和JIG2 子程序負責夾具上接近開關(guān)，行程開關(guān)，氣缸上磁性開關(guān)等狀態(tài)的讀取，完成夾具的時序控制;(4)ROBOT 子程序完成機器人初始化，實現(xiàn)機器人的各種動作時序的控制以及機器人的狀態(tài)報警等等;(5)TIMER_TIPDRESS 子程序負責監(jiān)視當前生產(chǎn)數(shù)，控制修磨時間以及電極更換。

3.2 操作臺和人機界面程序的設(shè)計

控制系統(tǒng)的人機接口包括操作面板、觸摸屏和機器人示教盒。在操作面板上，可實現(xiàn)系統(tǒng)運行方式的切換、作業(yè)程序號選擇、故障復位、工件裝夾、夾具調(diào)試、急停和系統(tǒng)狀態(tài)顯示等功能。觸摸屏顯示系統(tǒng)各部分的工作狀態(tài)，并且完成一些手動操作、參數(shù)輸入、查看報警信息等。示教盒完成機器人的示教編程及機器人工作狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置和顯示。

3.3 焊接機器人控制程序的設(shè)計

機器人動作控制和作業(yè)信號處理是焊接機器人的主要任務(wù)。機器人動作控制采用示教再現(xiàn)或離線編程法(OLP)實現(xiàn)。機器人對系統(tǒng)狀態(tài)信號進行動態(tài)實時監(jiān)控和響應(yīng)，并且具程序中斷、斷點數(shù)據(jù)自動記錄和從斷點恢復執(zhí)行的功能。PLC采用DEVICENET 總線與KUKA 機器人進行通訊，控制機器人完成各個生產(chǎn)工藝。KUKA 機器人擁有128 個中斷，但同時運行的中斷不能超過32 個。中斷用于異常情況或剎車等緊急情況，并且直至問題被排除才退出中斷服務(wù)，回到程序繼續(xù)執(zhí)行。

3.4 焊接控制器參數(shù)的設(shè)計

系統(tǒng)使用BOSCH 6000 系列中頻逆變焊接控制器。利用該控制器配置焊接過程的參數(shù)(包括預壓延遲時間、預壓時間、預熱時間、預熱熱量、冷卻時間1、上升加熱時間、上升加熱熱量、焊接時間、焊接熱量、下降熱量時間、下降熱量結(jié)束值、冷卻時間2、冷卻時間3、回火時間、回火熱量、保持時間以及休止時間)?？刂破髋c焊接機器人進行通訊，根據(jù)上面配置的焊接參數(shù)以及相應(yīng)的焊接規(guī)范進行焊接，最終完成機器人的指令。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計的汽車點焊機器人控制系統(tǒng)已經(jīng)運行一年多。機器人采用6 自由度，重復定位精度可達到±0.1 mm，停機率低，運行穩(wěn)定。實踐應(yīng)用表明，系統(tǒng)滿足了工廠的汽車焊接工藝要求，取得了良好的社會效果和較好的運營效益。

【1】林尚揚，陳善本，李成桐.焊接機器人及其應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

【2】盧本.焊接機器人的類型和應(yīng)用［J］.現(xiàn)代焊接，2006，7(6):11 -15.

【3】陳善本，林濤.智能化焊接機器人技術(shù)［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2004.

【4】方少勇.焊接機器人在汽車座椅骨架焊接中的應(yīng)用［J］.焊接技術(shù)，2008，37(1):62 -64.

【5】趙靜，張俊華，李春植，鄧早春. 汽車車身焊裝生產(chǎn)線和焊裝夾具簡介［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2007(1):51 -53.