工業(yè)機(jī)器人在船廠焊接中的電控技術(shù)應(yīng)用

張俊杰

（中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063）

0 概述

焊接機(jī)器人通常用于汽車制造領(lǐng)域，用以焊接標(biāo)準(zhǔn)化的汽車部件。船舶屬于非批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，船體各部件不會(huì)像標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品一樣具有統(tǒng)一規(guī)格，只可依類進(jìn)行劃分。船舶部件介于船體拼裝前的物料鋼板和分段之間，由兩個(gè)及以上鋼板組合而成的，其加工具有承上啟下的作用。因此船體部件加工的好壞直接影響到整船結(jié)構(gòu)建造的進(jìn)度和質(zhì)量。目前多數(shù)船廠的部件生產(chǎn)是以固定工位式為主，使用起重機(jī)吊運(yùn)，結(jié)構(gòu)焊接等工藝采用人工操作完成，焊接質(zhì)量取決于工人多年的經(jīng)驗(yàn)。這類高重復(fù)、高污染的生產(chǎn)模式勢(shì)必將因物聯(lián)網(wǎng)和船廠智能化的發(fā)展而被機(jī)器所取代。目前已有數(shù)家船廠將固定工位、車間吊運(yùn)式及人工焊接為主的部件焊接生產(chǎn)線改造為以輥道移動(dòng)平臺(tái)式搬運(yùn)，并采用門架式焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接作業(yè)。引入焊接機(jī)器人技術(shù)并結(jié)合后續(xù)人工修補(bǔ)、矯正工位所生產(chǎn)出的部件用于后續(xù)分段的加工，不僅在產(chǎn)品質(zhì)量和精度方面有著質(zhì)的飛躍，而且可以將生產(chǎn)者從高重復(fù)、高污染的工種中解放出來.的焊接效果；焊接后將數(shù)據(jù)參數(shù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中，并通過企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)及企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)（MES）軟件進(jìn)行焊接部件參數(shù)分析、資源調(diào)配及焊接生產(chǎn)管理相關(guān)方面的應(yīng)用。

1.1 門架系統(tǒng)

機(jī)器人要對(duì)移動(dòng)工位上運(yùn)來的平面拼板或立體組件進(jìn)行焊接加工，需采用移動(dòng)式的門架作為載體。門架由穿梭于機(jī)器人焊接工位的大車行走機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)機(jī)器人到達(dá)焊接點(diǎn)的小車行走機(jī)構(gòu)以及輔助機(jī)器人旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的小車旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。三個(gè)機(jī)構(gòu)均通過PLC及伺服控制器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，并與控制機(jī)器人的PLC通過通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，用于相關(guān)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的協(xié)同作業(yè)。

1.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人本體是由兩臺(tái)六軸焊接機(jī)器人組成，懸掛于

1 系統(tǒng)介紹

圖1 焊接機(jī)器人主系統(tǒng)

智能化船廠焊接機(jī)器人生產(chǎn)線主要是由門架、機(jī)器人、物聯(lián)三部分硬件設(shè)備（如圖1所示）及一套完整的操作控制軟件和管理系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)中焊接機(jī)器人使用移動(dòng)的門式門架吊運(yùn)至工作工位，并通過各類物聯(lián)設(shè)備進(jìn)行焊接前定位、尋找焊縫；焊接中焊縫跟蹤矯正，已達(dá)到最優(yōu)門架上進(jìn)行焊接作業(yè)。之所以選用兩臺(tái)機(jī)器人，是因?yàn)槠矫嫫窗寮傲Ⅲw組件均需要使用雙面焊接工藝，由兩臺(tái)焊接機(jī)器人協(xié)同作業(yè)完成相關(guān)工作。焊接機(jī)器人控制器連接主控制柜內(nèi)的PLC并與可視化操作界面、各類傳感器、編碼器以及焊接尋位、焊縫跟蹤等其他物聯(lián)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制應(yīng)用。同時(shí)機(jī)器人與門架系統(tǒng)通過通訊數(shù)據(jù)交互組成一套完整的系統(tǒng)設(shè)備，該系統(tǒng)中焊接機(jī)器人的六軸與門架各機(jī)構(gòu)的外部軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)的焊接作業(yè)。

1.3 物聯(lián)系統(tǒng)

不同于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備的焊接工藝，實(shí)現(xiàn)船體部件及組立進(jìn)行精準(zhǔn)定位焊接要復(fù)雜許多，物聯(lián)設(shè)備對(duì)此起到了舉足輕重的作用。其系統(tǒng)包括焊接前的部件識(shí)別系統(tǒng)、部件放置到位后視覺定位系統(tǒng)、焊接運(yùn)行前機(jī)器人焊槍尋位系統(tǒng)以及焊接運(yùn)行時(shí)的焊縫跟蹤系統(tǒng)這五個(gè)部分組成。

1.4 軟件系統(tǒng)

機(jī)器人軟件系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和人機(jī)界面、SQL數(shù)據(jù)庫以及MES和ERP系統(tǒng)三個(gè)部分組成。操作人員通過可視化人機(jī)界面讀取物聯(lián)設(shè)備參數(shù)，并將需要設(shè)定的焊接各參數(shù)值寫入到機(jī)器人控制要求當(dāng)中，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行焊接工作時(shí)實(shí)時(shí)反饋的參數(shù)寫入到SQL的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。操作人員可通過人機(jī)界面隨時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫并查看相關(guān)的焊接和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù).建立一套完整的工廠自動(dòng)化系統(tǒng),船廠可選用一套合適的MES系統(tǒng)調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫形成一整套的生產(chǎn)信息化數(shù)據(jù)，并且使用ERP系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可用于船廠部件焊接資源管理調(diào)用。

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)及組態(tài)應(yīng)用

2.1 門架系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

為了保證門架系統(tǒng)大車及小車行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)位置的精確性，兩個(gè)機(jī)構(gòu)均采用齒輪驅(qū)動(dòng)、齒條傳動(dòng)以帶動(dòng)導(dǎo)向輪行走的機(jī)械運(yùn)動(dòng)模式。該運(yùn)動(dòng)模式采用了門架兩邊雙電機(jī)伺服同步驅(qū)動(dòng)，電控方面采用西門子S7-1500系列PLC通過V90伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)其精準(zhǔn)位移功能。

焊接機(jī)器人的選型及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的實(shí)現(xiàn):焊接機(jī)器人分為點(diǎn)焊、弧焊及激光焊三大類。船廠部件需要通過連續(xù)的焊接軌跡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行作業(yè)，因此選用弧焊機(jī)器人最為通用。如果船廠需要對(duì)復(fù)雜的曲線焊縫及大型焊件進(jìn)行自動(dòng)化焊接時(shí)也可考慮采用激光焊接機(jī)器人。方案對(duì)于機(jī)器人本身的選型并無特別偏好要求，KUKA（庫卡）、ABB、FANUC（發(fā)那科）和YASKAWA（安川）四大品牌均在船舶及其他行業(yè)焊接生產(chǎn)線上得到了廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)選用KUKA KR30系列機(jī)器人配備KRC4機(jī)器人控制柜，并通過PROFINET協(xié)議與西門子S7-1500 PLC及焊機(jī)進(jìn)行通訊。機(jī)器人可通過KUKA.PLC mxAutomation與西門子S7-1500PLC所使用的TIA Portal軟件無縫協(xié)同實(shí)現(xiàn)軟件控制。

圖2 KUKA機(jī)器人連接S7-1500 PLC通訊網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 物聯(lián)技術(shù)

2.2.1 物料識(shí)別技術(shù)

物料進(jìn)入機(jī)器人焊接生產(chǎn)線前需要自動(dòng)識(shí)別其規(guī)格，以便在半自動(dòng)化焊接前操作人員進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)定。通常物料識(shí)別可采用掃碼或近場(chǎng)無線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)，方案設(shè)計(jì)時(shí)該功能的實(shí)現(xiàn)盡可能采用全自動(dòng)方式。如使用掃碼技術(shù)，掃碼槍及編碼位置需要彼此固定，這對(duì)于多規(guī)格的船用鋼板來說顯然難以實(shí)現(xiàn)。而采用有源高頻無線射頻設(shè)備，則可將有源電磁耦合標(biāo)簽貼在物料鋼板上，當(dāng)鋼板靠近固定于生產(chǎn)線的收發(fā)閱讀裝置時(shí)，收發(fā)裝置發(fā)射高頻電磁信號(hào)進(jìn)行讀寫，即使在有物料遮擋的情況下也可順利的讀取相關(guān)信息，因此工況中近場(chǎng)無線射頻識(shí)別技術(shù)更加易實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)采用RF380R系列讀寫器配備RF320T或350T電子標(biāo)簽識(shí)別進(jìn)入進(jìn)料區(qū)域的鋼板物料。

2.2.2 視覺系統(tǒng)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化焊接，物聯(lián)定位可采用帶有十字光標(biāo)的視覺設(shè)備。該設(shè)備通過通訊數(shù)據(jù)交互，將設(shè)備中十字光標(biāo)的交叉中心點(diǎn)與門架伺服電機(jī)所反饋的精確位置匹配，嵌入并顯示于人機(jī)界面的對(duì)話窗內(nèi)。操作人員通過移動(dòng)操作臺(tái)上的操作桿，設(shè)定焊接起始及終點(diǎn)位置參數(shù)后，焊接機(jī)器人即可按照設(shè)定軌跡進(jìn)行自動(dòng)焊接。

實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化焊接，仍需此視覺系統(tǒng)人工校驗(yàn)鋼板端部坐標(biāo)點(diǎn)后，再根據(jù)預(yù)先錄入的焊接路徑信息進(jìn)行視校及焊接工作。

2.2.3 尋位及焊縫跟蹤系統(tǒng)技術(shù)

尋位及焊縫跟蹤均可采用焊槍接觸式或激光反射式兩種方法。

焊槍接觸式尋位原理為焊槍端部傳感器與工件兩端點(diǎn)進(jìn)行觸碰形成電壓反饋，以便尋找焊縫坐標(biāo)。焊縫跟蹤則是在焊接時(shí)，焊槍根據(jù)焊接電流值的反饋進(jìn)行位移修正和補(bǔ)償?shù)?。?dāng)焊槍沿焊縫工作時(shí)，焊槍端頭與拼板焊縫相對(duì)位置會(huì)因抖動(dòng)而產(chǎn)生偏移，此時(shí)電弧電流與給定電流出現(xiàn)偏差，程序會(huì)根據(jù)偏差值調(diào)整焊槍位置，使電流反饋值趨向于未偏差時(shí)數(shù)值。設(shè)計(jì)可采用KUKA自帶的TouchSense（焊槍尋位矯正）軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)此功能，并在KR C4中進(jìn)行矯正速度設(shè)定。

激光反射式焊縫尋位原理是在焊槍上安裝激光尋位傳感器，傳感器發(fā)射點(diǎn)狀或線狀激光形成漫反射反饋來判斷焊縫的位置。激光反射技術(shù)速度及準(zhǔn)確率都具有良好的效果，特別是應(yīng)用于曲線焊縫焊接。如設(shè)計(jì)加裝激光反射設(shè)備，可通過使用KUKA KR C4自帶KUKA.SeamTech（激光焊縫尋位、跟蹤、矯正）軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)此功能。

使用較低成本的焊槍尋位技術(shù)還是激光反射技術(shù)，取決于焊接效率要求及焊縫的復(fù)雜程度。

2.4 軟件技術(shù)應(yīng)用

自動(dòng)化焊接系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)離不開智能化控制軟件的開發(fā)，其開發(fā)分為以下幾方面。

2.4.1 人機(jī)界面、控制系統(tǒng)及通信協(xié)議的開發(fā)

人機(jī)界面的開發(fā)是操作人員為焊接機(jī)器人設(shè)定參數(shù)、實(shí)現(xiàn)控制和讀取數(shù)據(jù)的窗口。通常在自動(dòng)化行業(yè)里使用工控標(biāo)準(zhǔn)視窗監(jiān)控及控制軟件（如西門子WINCC，三菱的Soft GOT 2000）作為主系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)嵌入C#控制界面子程序，同時(shí)調(diào)用OPC 服務(wù)器用于與各設(shè)備的通訊連接。

本設(shè)計(jì)使用西門子品牌PLC作為控制硬件，因此使用WINCC作為標(biāo)準(zhǔn)視窗軟件。其軟件模塊包括人員和權(quán)限數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行及焊接狀態(tài)的監(jiān)控日志、數(shù)據(jù)讀寫、焊接數(shù)據(jù)報(bào)表、狀態(tài)故障報(bào)警等。

如圖3、圖4所示，焊機(jī)參數(shù)設(shè)定以及半自動(dòng)焊接視教功能則是由C#編寫的套嵌于WINCC的執(zhí)行程序處理，操作人員將各個(gè)焊接設(shè)定參數(shù)及通過視覺定位確定的焊接起止位置數(shù)據(jù)下發(fā)給機(jī)器控制系統(tǒng)后，機(jī)器人通過2.3節(jié)中介紹的物聯(lián)技術(shù)校準(zhǔn)并執(zhí)行焊接工藝。在半自動(dòng)焊接系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)用成熟后，除了進(jìn)行預(yù)先錄入的焊接路徑方式進(jìn)行全自動(dòng)焊接外，還可通過機(jī)器光學(xué)識(shí)別技術(shù)設(shè)備掃描焊接部件，并且比對(duì)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的圖紙數(shù)據(jù)，執(zhí)行全自動(dòng)化焊接。

2.4.2 數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

WINCC開發(fā)的人機(jī)界面、C#開發(fā)調(diào)用的子程序以及用于生產(chǎn)線整體管理的MES和ERP系統(tǒng)均需調(diào)用微軟SQL server數(shù)據(jù)庫。

本方案數(shù)據(jù)庫主要應(yīng)用于三個(gè)方面：1）半自動(dòng)化焊接前用于存儲(chǔ)操作人員輸入的焊接資料供焊接程序調(diào)用執(zhí)行。2）焊接過程中存儲(chǔ)焊接電流、電壓、送絲速度等相關(guān)數(shù)據(jù)并顯示于人機(jī)界面相關(guān)頁面上。3）焊接完成后相關(guān)人員可調(diào)用焊接數(shù)據(jù)以及日志數(shù)據(jù)生成的報(bào)表，當(dāng)焊接出現(xiàn)故障時(shí)相關(guān)人員還可調(diào)用故障報(bào)警記錄。

圖3 焊接參數(shù)設(shè)定及執(zhí)行程序畫面

圖4 視覺定位參數(shù)設(shè)定及焊接命令執(zhí)行畫面

當(dāng)廠區(qū)整個(gè)焊接部件生產(chǎn)線的物聯(lián)及控制系統(tǒng)搭建完善后，數(shù)據(jù)庫可被SAP、Oracle等公司所定制的MES及ERP系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。

2.4.3 調(diào)用WINCC及套嵌C#程序通訊及主要相關(guān)命令解析

工控主機(jī)與PLC、機(jī)器人組網(wǎng)后，使用WINCC及C#執(zhí)行程序并通過PLC給機(jī)器人下達(dá)工作指令及讀取機(jī)器人相關(guān)狀態(tài)。WINCC可以通過自身的軟件配置將PLC的IO地址與機(jī)器人相應(yīng)地址進(jìn)行匹配，而C#的執(zhí)行程序則需要調(diào)用相關(guān)編程語句實(shí)現(xiàn)其通訊及給機(jī)器人下達(dá)命令的功能。

1）C#通訊功能實(shí)現(xiàn)：

實(shí)現(xiàn)此功能C#套嵌程序需要調(diào)用OPCServer中西門子S7連接方式與PLC進(jìn)行通訊，并通過調(diào)用設(shè)定的DB塊與機(jī)器人建立數(shù)據(jù)執(zhí)行連接

conststring OpcServer = “S7:[S7 connection_1]”;//C#執(zhí)行程序使用OPC服務(wù)器S7方式建立連接

staticstring StackerReadFromPlc = “DB11,”;

staticstring StackerReadToPlc = “DB10,”; //C#執(zhí)行程序通過PLC DB10和DB11塊與機(jī)器人通訊

2）如圖4所示，C#如想調(diào)用視覺系統(tǒng)輸入的焊接位置（既伺服電機(jī)編碼器輸入給PLC的值）并作存儲(chǔ)，可調(diào)用以下節(jié)選關(guān)鍵執(zhí)行命令：

staticreadstring StartXFromPlc = OpcServer +StackerReadFromPlc + “DINT0”;

//從PLC獲取X坐標(biāo)起點(diǎn)位置的DB塊地址

staticwritestring StartXToPlc = OpcServer +StackerWriteToPlc + “DINT0”;

//確認(rèn)視覺系統(tǒng)輸入的起點(diǎn)位置發(fā)送給PLC的DB塊

privatevoid btGetStartLocation_Click(object sender,EventArgs e)

var values = OPCHelper.OPCRead(opcReadStartItem);tbStartX.Text = values[0].ToString();

//將獲取起點(diǎn)位置顯示于WINCC界面

privatevoid btWriteLocation_Click(object sender,EventArgs e)

var opcValues = newList＜Object＞()；float.Parse(tbStartX.Text)

//將始端值發(fā)送給PLC

privatevoid btStartWelding_Click(object sender,EventArgs e)

if (OPCHelper.OPCWritePoint(StartWorkToPlc,true))

MessageBox.Show(“啟動(dòng)焊接成功！");

//啟動(dòng)半自動(dòng)焊接程序

3 電控系統(tǒng)組態(tài)

方案使用西門子S7-1500 PLC作為控制機(jī)器人及門架系統(tǒng)的主控制設(shè)備，通過SCALANCE X-200IRT交換機(jī)并采用西門子PROFINET IRT協(xié)議與V90系列伺服控制器、SIMATIC RF380R無線射頻等物聯(lián)設(shè)備以及裝有WINCC及嵌入C#程序的電腦工作站連接。并連接機(jī)器人及門架操作臺(tái)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，機(jī)器人焊接工作指令及門架運(yùn)動(dòng)指令的數(shù)據(jù)包傳遞可通過IRT通道進(jìn)行傳送，其他數(shù)據(jù)庫調(diào)用的報(bào)文傳送可通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP報(bào)文進(jìn)行傳遞。已達(dá)到運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)查看最優(yōu)配置效果。

圖5 焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4 結(jié)束語

機(jī)器人在船廠焊接中的應(yīng)用承載了多項(xiàng)跨領(lǐng)域技術(shù)，將各項(xiàng)技術(shù)整合是一項(xiàng)巨大的工程。因此深入的學(xué)習(xí)、理解和掌握其中的關(guān)鍵技術(shù)是將可實(shí)施方案應(yīng)用于船廠自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線的核心，并且該技術(shù)在每一步的搭建、實(shí)驗(yàn)及實(shí)施的過程中都會(huì)產(chǎn)生延伸和擴(kuò)展。例如通過無線射頻技術(shù)識(shí)別工件，人工手動(dòng)輸入起止點(diǎn)的半自動(dòng)化焊接應(yīng)用成熟后，使用視覺自動(dòng)識(shí)別技術(shù)對(duì)比及調(diào)用CAD圖紙轉(zhuǎn)化出的計(jì)算機(jī)識(shí)別圖形數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)中提供的焊接信息參數(shù)，利用AI技術(shù)實(shí)行全自動(dòng)化的焊機(jī)將成為下一步的發(fā)展方向。