多軸協(xié)同運動機器人焊接工作站設計

張翼風，韓建海，2，劉繼鵬，尚振東，2

（1.河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.河南省機器人與智能系統(tǒng)重點實驗室，河南 洛陽 471003；3.洛陽美銳克機器人科技有限公司，河南 洛陽 471000）

1 引言

對于大尺寸工件傳統(tǒng)焊接方法多為手工焊，這種方式焊接質量受操作者焊接水平、心情等影響較大，且工作強度大、環(huán)境惡劣，不利于操作者的身心健康[1-2]。焊接工業(yè)機器人因焊接質量高、產品一致性好，目前越來越受歡迎[3-4]。但工業(yè)機器人受自身結構和奇異姿態(tài)的限制使其運動范圍有限，當焊接尺寸較大的工件時，運動范圍就不能滿足要求[5-7]。目前焊接中還普遍存在一套設備只能焊接一種工件，柔性自動生產不能普及的問題[8-9]。為了滿足大尺寸工件焊接范圍大、作業(yè)困難、尺寸規(guī)格多等工藝要求，以企業(yè)項目為背景，設計了多軸協(xié)同運動機器人焊接工作站。企業(yè)項目中，焊接對象為新能源汽車底盤，工件為點焊成形工件，零件間間距≤1mm。工件主體尺寸為（6000×1300）mm，重約500kg。

2 工作站整體設計

為便于焊接，工作站中六軸弧焊機器人（安川MA1440）采用倒置懸掛方式安置在倒掛L懸臂支座下方。倒掛L懸臂支座末端設置集氣罩，對焊接煙塵收集凈化處理。機器人及除塵設備、吸塵風管隨倒掛L懸臂安裝支座在機器人軌道行走系統(tǒng)上移動，以滿足在工件長度方向上的焊接及除塵需求。送絲機、焊絲桶等設備集成安放到機器人軌道行走系統(tǒng)上。焊機、水冷機、機器人控制柜集中安放在集控柜里。工作站整體布局，如圖1所示。

圖1 工作站整體布局Fig.1 Overall Layout of the Workstation

為保證工作站機械部分符合設計需求，在設計過程中，對重要的零部件進行了有限元分析。工作站中倒掛L懸臂起著支撐機器人本體和除塵裝置的作用，所受偏心力較大，對結構的剛度和穩(wěn)定性要求較高，所以需要進行有限元分析來優(yōu)化結構。

倒掛L懸臂有限元分析結果，如圖2所示?？梢钥闯隹傋冃瘟孔畲笾禐?.00042912mm，而焊接時機器人受變形量影響浮動小于0.08mm即可滿足需求，因此結構設計合理。

圖2 倒掛L懸臂有限元分析圖Fig.2 Finite Element Analysis of Inverted Cantilever

3 多軸協(xié)同運動控制設計

3.1 協(xié)同運動控制系統(tǒng)

協(xié)同運動控制系統(tǒng)是在原六軸機器人控制系統(tǒng)的基礎上拓展而成。把伺服電機配套的伺服放大器、外部軸運動控制通訊基板安裝于機器人控制柜中，由機器人內部供電驅動，無需額外配置供電設施。八個運動軸運動軌跡存在相互約束關系。一個運動軸的末端是在另一個運動軸末端坐標系下的相對位置與姿態(tài)[10]。通過示教器編程，工作站具備六軸機器人本體與第七、八外部軸的聯(lián)動控制能力，由機器人控制柜同時控制八軸協(xié)同運動，使八軸實現(xiàn)聯(lián)合軌跡插補，大大擴大了機器人的焊接范圍。

3.2 第七軸的控制

第七軸機器人軌道行走系統(tǒng)由行走臺車和行走地軌兩部分組成。行走臺車動力由伺服電機提供，減速機末端固定齒輪，通過齒輪齒條配合把在旋轉方向運動轉化為直線方向運動，行走地軌上裝有直線導軌和滑塊，從而實現(xiàn)行走。為滿足工件焊接需求，第七軸有效行走距離需≥5000mm。為此，分硬件和軟件兩部分來實現(xiàn)。

硬件方面，選取齒條總長為6000mm，直線導軌末端加緩沖擋塊，以防意外發(fā)生；軟件方面，通過示教器限制第七軸可動范圍：當行走臺車運動到行走地軌中間位置時，標定其為第七軸原點，以此為中心設定第七軸可動范圍為正負2500mm。通過軟件和硬件配合使第七軸的有效行走距離控制為5000mm。通過聯(lián)動控制，使第七軸在以原點為中心的正負2500mm任意位置均能準確駐停。

3.3 第八軸的控制

第八軸伺服變位機分為主動端和從動端。主動端由伺服電機提供動力，通過減速機配合其他機構帶動分度轉盤轉動。在硬件方面，沒有對第八軸轉動范圍進行限制，其主動端可以轉動任意角度，但從焊接實用性和為防止轉動角度過大使線纜受損方面出發(fā)，工作站從軟件方面對主動端的運動進行了限位。首先通過示教器標定主動端最初始狀態(tài)為第八軸原點，以此為中心設定第八軸正負方向可轉動300°。通過聯(lián)動控制，使第八軸在以原點為中心的正負300°任意位置均能準確駐停。

為了保證多軸運動的協(xié)同性，分別對第七、八軸從硬件和軟件方面進行控制。其中第七、八軸原點位置標定、運動范圍的設定遵循了以下原則：在保證機構安全性的同時，還要滿足工件焊接范圍的需求。

3.4 系統(tǒng)參數(shù)設置

在管理模式下通過示教器對外部軸進行系統(tǒng)參數(shù)設置。外部軸分為基準軸和工裝軸，其中機器人行走機構為基準軸，伺服變位機為工裝軸。首先進行連接設定，指定兩個外部軸對應的插頭點、制動器、超程信號。再選擇軸的類型，第七軸選擇齒輪齒條類型，第八軸選擇回轉類型。之后把機構規(guī)格輸入示教器中，第八軸輸入動作范圍、減速比，第七軸除此之外還必須輸入齒輪直徑，齒輪直徑計算公式為：

式中：d—減速機末端固定齒輪的直徑

最后設定電機規(guī)格，對兩個外部軸對應的電機、伺服放大器的規(guī)格進行選擇，除此之外還需設定電機最大轉速、加速時間、負載慣性比。參數(shù)配置中電機最大轉速計算公式為：

式中：n1—參數(shù)配置中電機最大轉速；n2—減速機軸輸出轉速；i—減速機減速比。

其中n1大小不得超過伺服電機廠家規(guī)定的電機轉速最大值，n2值的大小由自己定義。

在配置負載慣性比時，需要計算負載轉動慣量，其計算公式如下：

式中：m—伺服變位機負載重量最大值；

d—負載最大偏心值；

b、c—負載等效的長、寬。

上述參數(shù)必須設置精準無誤，否則會出現(xiàn)外部軸無法運動、運動不穩(wěn)定等異常現(xiàn)象。

4 柔性自動生產控制方案

項目中工件長為6m，若僅僅考慮該工件的焊接，伺服變位機有效長度大于6m即可。但從經濟適用性、長遠發(fā)展的角度考慮，把工作站伺服變位機有效距離設計成（4～7）m。為此，把從動端設計成可調結構，最大調節(jié)范圍為3m。從動端下部設置帶導軌基座，通過直線導軌和滑塊組成滑動機構。轉動搖把，把力傳動給兩個斜齒輪，進而帶動滾珠絲杠的轉動，又因絲杠螺母固定板和變位機從動端頭部上的卡板成間隙配合，從而帶動從動端頭部通過滑塊在直線導軌上滑動。轉動搖把即可改變主從動端之間的距離，滿足了不同規(guī)格工件裝夾需求，實現(xiàn)了柔性生產。變位機從動端三視圖，如圖3所示。

圖3 變位機從動端三視圖Fig.3 Three Views of the Slave Drive

工作站以PLC控制器為上位機，以機器人控制柜、周邊作業(yè)輔助設備為下位機來實現(xiàn)工作站的協(xié)同控制。通過PLC把機器人控制柜的輸入輸出信號引出，在外部人機界面上即可實現(xiàn)對工作站的控制、監(jiān)控。焊接時，在工作站外面，通過在人機界面上按下主程序調出，把焊接程序調出；通過按下伺服接通、程序啟動按鈕，即可實現(xiàn)程序運行，實現(xiàn)了自動生產。人機界面，如圖4所示。

圖4 人機界面Fig.4 Human Machine Interface

5 工作站功能驗證與試運行

為了檢測工作站多軸運動的協(xié)同性、柔性自動生產的穩(wěn)定性，對機器人編程，進行了為期半月的反復實驗。機器人編程程序（部分），如表1所示。把該程序設置為主程序，通過人機界面即可實現(xiàn)程序自動運行。

如表1所示，三個位置時八個軸的脈沖數(shù)值通過示教器采集。如表2所示，表中：S、L、U、R、B、T—機器人本體六軸；B1—外部軸第七軸；S1—外部軸第八軸。位置一中，八個運動軸均處于原點，通過表2看到此時八軸所顯示脈沖數(shù)均為0。位置二中，只有第八軸進行運動，此時只有S1軸運動了1430375個脈沖。位置三中，機器人和第七軸協(xié)同運動，此時前七軸脈沖值變化較大。經過半月的反復運行，八軸均能按照程序到達指定位置，機器人多軸協(xié)同運動協(xié)調穩(wěn)定。

表1 機器人編程程序（部分）Tab.1 Robot Programm ing Program（Part）

表2 三個位置八軸脈沖數(shù)值Tab.2 Three-Position Octave Pulse Value

測試伺服變位機從動端調試是否柔順現(xiàn)場照片，如圖5所示。轉動從動端搖把，從動端能在設定范圍內準確停駐，改變了主從動端之間的距離，實現(xiàn)了多規(guī)格工件的裝夾。程序調用、運行正常，柔性自動生產實驗效果較好。用尺子測量第七、八軸運動范圍，伺服變位機可調范圍，均達到設計要求。調試現(xiàn)場照片，如圖6所示。

圖5 伺服變位機從動端三個調試位置Fig.5 Three Debugging Position of Servo Positioner Driven End

圖6 調試現(xiàn)場Fig.6 Debug the Scene

6 結論

通過實驗分析與現(xiàn)場實際運行結果表明：第七軸運動范圍為正負2500mm，第八軸運動范圍為正負300°，伺服變位機能裝夾固定4m到7m長的工件。該工作站能夠精準地實現(xiàn)多軸協(xié)同運動，較好的滿足了大型工件對焊接工藝提出的高要求。柔性自動生產效果較好，適應了不同尺寸工件的夾緊固定、自動生產的需求。工作站設計效果達到了預期要求。