自卸車(chē)廂板機(jī)器人焊接參數(shù)化編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方友 熊小飛

摘 要：本文主要介紹基于機(jī)器人參數(shù)化編程在車(chē)廂板焊接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前自卸車(chē)廂板的多樣化，品種多、批量小的非標(biāo)定制化生產(chǎn)模式，大部分車(chē)廂板焊接主要依靠人工完成。傳統(tǒng)的機(jī)器人焊接采用現(xiàn)場(chǎng)示教及離線編程技術(shù)，難以滿(mǎn)足車(chē)廂板的生產(chǎn)焊接需求。結(jié)合機(jī)器人靈活運(yùn)動(dòng)與編程語(yǔ)言，采用機(jī)器人參數(shù)化編程焊接控制系統(tǒng)，無(wú)需編程示教、無(wú)需人工精準(zhǔn)定位，結(jié)合實(shí)際客戶(hù)需求，開(kāi)發(fā)具有經(jīng)濟(jì)性、高效率和智能化的參數(shù)化控制系統(tǒng)，可以很好的解決商用車(chē)車(chē)廂板的非標(biāo)定制化生產(chǎn)模式。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)及制造技術(shù)發(fā)生了革命性變化。專(zhuān)用汽車(chē)生產(chǎn)逐漸呈現(xiàn)數(shù)字化、信息化的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：車(chē)廂板;機(jī)器人;參數(shù)化編程

1 引言

自卸車(chē)作為工程車(chē)輛其中一種，大多應(yīng)用于民用工程施工、礦山開(kāi)采交通運(yùn)輸中，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起到重要作用。車(chē)廂板又是自卸車(chē)的重要部件之一，對(duì)其的生產(chǎn)過(guò)程也越來(lái)越重視。隨著物質(zhì)水平日益豐富，人們對(duì)工業(yè)產(chǎn)品安全性、使用壽命、外觀等要求也越來(lái)越高，車(chē)廂的焊接已直接影響產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但是目前大部分車(chē)廂板焊接主要依靠人工完成。人工焊接造成焊接質(zhì)量參差不齊，人工點(diǎn)焊組對(duì)容易引起二次積累誤差。

2 系統(tǒng)方案及控制流程

2.1 硬件組成

本系統(tǒng)硬件由焊接機(jī)器人系統(tǒng)是由2套FANUC M-10iD/8L型焊接機(jī)器人、R-30iB Plus控制系統(tǒng)、麥格米勒焊接電源、機(jī)器人專(zhuān)用焊槍、清槍剪絲裝置、機(jī)器人行走系統(tǒng)（FAUNC聯(lián)動(dòng)）、觸摸式參數(shù)化編程系統(tǒng)、PLC電氣控制系統(tǒng)、人機(jī)界面等部分組成。

2.2 控制方式和操作流程

系統(tǒng)主要采用工業(yè)以太網(wǎng)連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，人機(jī)界面、主控PLC系統(tǒng)、機(jī)器人控制器都是通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)連接，機(jī)器人控制器與焊接電源采用DeviceNet通訊。

正常生產(chǎn)時(shí)操作人員無(wú)需對(duì)機(jī)器人做任何操作，只需要在觸摸屏界面中正確的填寫(xiě)要焊接工件的尺寸，在操作面板上按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)器人將會(huì)自動(dòng)生成程序，按照既定的焊接順序完成工件的焊接。當(dāng)焊接工件有變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)有相應(yīng)的調(diào)整，機(jī)器人自動(dòng)調(diào)取相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，焊接參數(shù)會(huì)根據(jù)相關(guān)界面中設(shè)置的板厚和焊腳大小要求，自動(dòng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)的參數(shù)。

3 機(jī)器人行走系統(tǒng)

FANUC機(jī)器人行走系統(tǒng)主要采用機(jī)器人外部軸在導(dǎo)軌上行走來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于行走導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)采用的伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)和機(jī)器人屬于同一系列，同時(shí)受機(jī)器人控制器控制，因此可以實(shí)現(xiàn)倒掛行走機(jī)機(jī)構(gòu)和機(jī)器人的聯(lián)動(dòng)。 機(jī)器人安裝行走地軌的成本比直接安裝幾臺(tái)機(jī)器人的成本更低，投入到生產(chǎn)線上可以提升生產(chǎn)效率，機(jī)器人行走地軌可隨意與其他設(shè)備組成生產(chǎn)線工作，適用大小批量生產(chǎn)應(yīng)用，對(duì)操作人員要求低，安全效率高，實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn);此外提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，工廠可更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，安排生產(chǎn)計(jì)劃;伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，通過(guò)獨(dú)有的齒輪齒條無(wú)間隙傳動(dòng)技術(shù)，齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中始終與齒條嚙合，驅(qū)動(dòng)溜板直線導(dǎo)軌上滑行。

4 系統(tǒng)主要使用功能介紹

4.1 基本弧焊指令功能包

通過(guò)加載弧焊功能包，示教器可以直接顯示并控制焊接參數(shù)，快速設(shè)定焊槍的常用動(dòng)作?；『腹δ馨哂腥缦绿攸c(diǎn)：

1）模塊化的焊接程序邏輯關(guān)系，使得軟件編程簡(jiǎn)單易懂。機(jī)器人具有控制器的軟PLC功能，能夠輕松完成多周邊設(shè)備及復(fù)雜焊縫的焊接。

2）機(jī)器人工具坐標(biāo)系可將導(dǎo)電嘴前端的焊絲尖點(diǎn)定義為坐標(biāo)原點(diǎn)，方便調(diào)節(jié)焊槍空間位置以及所需要的焊接角度。

3）當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到起弧時(shí)發(fā)生了斷弧，會(huì)自動(dòng)重新起弧。

4）機(jī)器人焊槍與外部物體相碰撞時(shí)可讓機(jī)器人立即停機(jī)，保護(hù)焊槍和機(jī)器人本體。

5）焊接過(guò)程中發(fā)生氣流量異常、焊絲用完和暫時(shí)停止時(shí)，排除故障后可直接調(diào)用“繼續(xù)上次焊接”命令，機(jī)器人可從任意位置自動(dòng)到暫停的位置繼續(xù)進(jìn)行焊接。

6）機(jī)器人通過(guò)示教器可以顯示整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，包括程序運(yùn)行狀態(tài)、焊接過(guò)程參數(shù)變化、系統(tǒng)參數(shù)變化、機(jī)器人當(dāng)前位置、執(zhí)行歷史記錄、安全信號(hào)、報(bào)警記錄等，由此客戶(hù)可以及時(shí)了解機(jī)器人系統(tǒng)的狀態(tài)，做到提前預(yù)防機(jī)器人系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題。

7）機(jī)器人系統(tǒng)中的系統(tǒng)文件以及示教程序文件等可以存儲(chǔ)到機(jī)器人控制柜內(nèi)部的存儲(chǔ)卡，也可以提取到外部設(shè)備，通過(guò)離線編程軟件編寫(xiě)的程序也可以載入到控制柜內(nèi)部，由此客戶(hù)可以定期備份系統(tǒng)文件，一旦機(jī)器人系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題后可以將系統(tǒng)文件還原來(lái)解決機(jī)器人的相關(guān)問(wèn)題。

4.2 機(jī)器人焊接專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)

這一功能方便了編程操作人員的參數(shù)設(shè)定，操作人員可以根據(jù)工件的母材材質(zhì)，板厚，焊絲直徑，保護(hù)氣體選擇，焊縫形式和焊角高度進(jìn)行選擇，自動(dòng)生成焊接參數(shù)，因此減少了編程操作人員參數(shù)試驗(yàn)工作。

4.3 焊縫尋位功能

焊縫尋位是指根據(jù)焊縫的實(shí)際位置與示教位置的偏差判斷出焊縫起始點(diǎn)。機(jī)器人的絕對(duì)位置編碼器能夠?qū)崟r(shí)記憶TCP的空間位置，當(dāng)機(jī)器人按設(shè)定的程序?qū)щ姾附z接觸工件時(shí)，焊絲和工件之間產(chǎn)生電壓降，機(jī)器人控制系統(tǒng)收此信號(hào)時(shí)，通過(guò)比較實(shí)際位置與示教時(shí)的位置參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，得到合適的焊接軌跡，此功能可通過(guò)一至兩個(gè)接觸點(diǎn)確定焊縫起始位置。也可以通過(guò)1D.2D.3D和3D旋轉(zhuǎn)等模式根據(jù)工件誤差程度的不同選擇需要的尋位模式，見(jiàn)圖1。

4.4 程序位移功能

位移功能根據(jù)已經(jīng)示教的程序全部或者某一范圍的動(dòng)作，使示教位置位移并變換到別的位置。因此減少了大量的編程操作人員編程工作。位移功能有如下幾類(lèi)：

4.4.1 平行旋轉(zhuǎn)位移

就已經(jīng)示教的程序的某一范圍的動(dòng)作語(yǔ)句，使示教位置平行或平行旋轉(zhuǎn)位移變換到別的位置。

4.4.2 位置數(shù)據(jù)的對(duì)稱(chēng)位移

就已經(jīng)示教的程序的某一范圍的動(dòng)作語(yǔ)句，使示教位置以面對(duì)稱(chēng)的方式位移到別的位置。

4.4.3 角度位移功能

通過(guò)3個(gè)或4個(gè)代表點(diǎn)以及旋轉(zhuǎn)角的直接輸入而執(zhí)行程序位移操作。此外，通過(guò)指定反復(fù)次數(shù)，可以一次性指定相同圓周上等間隔的多次位移。

4.5 擺動(dòng)功能

擺動(dòng)是一款預(yù)防在焊接中左右或者前后擺動(dòng)焊槍的功能，可以有效的控制熱輸入量及焊接表面成型更加美觀。此功能有4種標(biāo)準(zhǔn)擺動(dòng)形式，還可以根據(jù)焊接工的經(jīng)驗(yàn)，自定義多種擺動(dòng)方法，見(jiàn)圖2。

4.6 焊接微調(diào)功能

在機(jī)器人焊接過(guò)程中需要實(shí)時(shí)調(diào)整焊接指令值時(shí)可以調(diào)用“焊接微調(diào)功能”實(shí)現(xiàn)。編程操作人員在試焊過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整的各種焊接參數(shù)可即時(shí)保存，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可直接選擇調(diào)用。

5 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足大多數(shù)工作人員能夠簡(jiǎn)便快速的學(xué)會(huì)該工作站的操作，采用表達(dá)直接的觸摸屏設(shè)計(jì)操作界面，免除普通工人對(duì)機(jī)器人的使用困難問(wèn)題，對(duì)工作人員的技術(shù)要求低。操作人員無(wú)需對(duì)機(jī)器人做任何操作，只需要在觸摸屏界面中正確的填寫(xiě)要焊接工件的尺寸，在操作面板上按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)器人將會(huì)自動(dòng)生成程序，按照既定的焊接順序完成工件的焊接。

6 參數(shù)化編程設(shè)計(jì)

針對(duì)專(zhuān)用車(chē)側(cè)板多品種小批量尺寸變更的示教工作冗繁問(wèn)題，采用獨(dú)創(chuàng)的多循環(huán)交叉嵌套程序結(jié)構(gòu)，結(jié)合FANUC 機(jī)器人靈活運(yùn)動(dòng)與編程語(yǔ)言，復(fù)雜的程序留給開(kāi)發(fā)者，簡(jiǎn)單的操作與使用方法留給客戶(hù)。鑒于工件的組對(duì)誤差較大，必須通過(guò)搜索確定立向下與斜向下的焊縫，從而在完成這些焊縫的焊接后，對(duì)整個(gè)工件建立起縱橫筋板的網(wǎng)路結(jié)點(diǎn)，繼而完成梁間焊接以及梁板之間的焊接。

此處采用的碰觸傳感功能，采用直流高電壓碰觸傳感器，和最新研究算法進(jìn)行多維搜索與計(jì)算，以及坐標(biāo)系的網(wǎng)點(diǎn)分布策略，提高了焊接的效率，并成為工件加工誤差帶來(lái)焊接軌跡的精度問(wèn)題的優(yōu)秀解決方案，最新的多維搜尋算法對(duì)于非垂直線條的圖形的焊接軌跡問(wèn)題非常有效，也是平行四邊形以及其他圖形焊接問(wèn)題的解決方法，此方法不僅效果優(yōu)秀，并且無(wú)需額外增加設(shè)備的硬件成本，同時(shí)提高搜尋效率的同時(shí)無(wú)需顧慮工件的加工誤差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示整個(gè)工件的焊接過(guò)程中，對(duì)于不同的板厚焊接參數(shù)不同，尋位與空運(yùn)行的時(shí)間比例約30%，根據(jù)實(shí)際工件的焊接量比較大的情況以及設(shè)備中焊槍等附件的使用特點(diǎn)，加之程序空運(yùn)行軌跡的優(yōu)化，進(jìn)行焊接工藝優(yōu)化計(jì)算生產(chǎn)節(jié)拍，將進(jìn)一步提高效率。

7 總結(jié)

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)機(jī)器人參數(shù)化的控制設(shè)計(jì)， 將機(jī)器人弧焊控制技術(shù)充分發(fā)揮出來(lái)。通過(guò)應(yīng)用研究和二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，對(duì)機(jī)器人的使用更加智能化。

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