卡車車橋雙機器人協(xié)調焊接模擬平臺的設計與實現(xiàn)

高黨尋 姚啟明 肖磊 周冰科 耿娜

摘要：通過雙機器人協(xié)調焊接卡車車橋模擬場景，介紹了雙機器人協(xié)調焊接卡車車橋模擬平臺的組成及基本運行原理。針對卡車后驅車橋焊縫處進行雙機協(xié)調焊接編程，自動運行整個焊接程序，進行車橋的雙機器人焊接實驗。結果表明，利用雙機器人協(xié)調焊接卡車車橋模擬平臺的建設，能夠充分發(fā)揮實驗室設備的先進功能，充分體現(xiàn)焊接機器人柔性加工的特點。同時介紹了該平臺在弧焊機器人實踐教學中的應用情況。

關鍵詞：雙機器人;焊接;卡車車橋;實踐教學

中圖分類號：TG408 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）08-0035-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.07

0 前言

近年來，機器人技術發(fā)展迅猛，被廣泛應用于各行各業(yè)，如工業(yè)生產、航空航天、醫(yī)學、深海探索、軌道交通、船舶、軍事等領域[1-3]。隨著生產量和作業(yè)環(huán)境的不斷變化，有些工作僅靠單機器人難以承擔，需要多臺機器人協(xié)同作業(yè)方能完成[4]。多機器人系統(tǒng)相較于單機器人系統(tǒng)有諸多優(yōu)點，如：多機器人系統(tǒng)適應環(huán)境能力強，環(huán)境發(fā)生變化時可自我調節(jié);多機器人系統(tǒng)具有更好的數(shù)據(jù)冗余性及魯棒性;多機器人系統(tǒng)空間分布廣，同時具有較好的時間分布性[5-8]。通過多機器人之間的協(xié)同合作，多機器人系統(tǒng)可以可靠地完成單機器人無法完成的復雜任務[9]。

清華大學基礎工業(yè)訓練中心提出了將進一步深化改革工程實踐教育，面向“中國制造2025”的系統(tǒng)化工程實踐教學。為了適應新形勢下的實踐教學思路，滿足課程建設需求及工業(yè)級設備功能拓展開發(fā)，在原有集成基礎上增加了卡車后驅車橋，置于雙機器人弧焊工作站的單軸變位機上，并對車橋進行了教具功能設計。以實際卡車后驅車橋零件為教學素材，充實硬件裝備，開發(fā)雙機器人工作站協(xié)同程序，建設了雙機器人協(xié)調焊接卡車車橋模擬平臺。

目前，KUKA公司已經成功地在梅塞德斯-奔馳的車間里實現(xiàn)了多達15臺機器人共同工作的機器人協(xié)同工作組，并且這一數(shù)字還有望不斷增加。清華大學基礎工業(yè)訓練中心弧焊機器人實驗室目前最多可實現(xiàn)3臺機器人協(xié)同工作，以實現(xiàn)制造過程中的柔性化及多任務化處理。這些機器人被有組織地安排在一個小區(qū)域內，實現(xiàn)對板件或者車身件的搬運、傳遞和焊接。一臺機器人既可以與另外一臺機器人相互配合工作，也可以獨立工作。

1 雙機器人協(xié)調焊接卡車車橋模擬平臺的構建

1.1 雙機器人協(xié)調焊接系統(tǒng)的組成

雙機器人協(xié)調焊接系統(tǒng)組成布置如圖1所示。

（1）弧焊機器人。由2臺KUKA-KR4弧焊機器人協(xié)同實施焊接，R1為主機器人、R2為從動機器人，2臺機器人由一臺示教器控制操作。示教器可單獨控制某一機器人作業(yè)，也可同時對2臺機器人進行控制，以實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)。弧焊機器人控制器中設置特定的弧焊基板，可實現(xiàn)對焊機等弧焊相關設備的控制。

（2）變位機系統(tǒng)和夾具。每臺機器人均配置一臺柔性工作臺，以配合單機作業(yè)時工件的裝夾，工作臺上設置多種柔性夾具。雙機器人位置前配備500 kg級單軸變位機，通過焊接過程中的位置變動，確保工件接縫置于最佳姿態(tài)進行焊接，保障焊接的高品質完成。

（3）系統(tǒng)控制柜。本系統(tǒng)是所有硬件的控制中樞，其本質為可編程邏輯控制器（PLC），承擔系統(tǒng)各工作單元的工作協(xié)調、狀態(tài)監(jiān)控、信號響應和處理、控制。

（4）在線示教器。是人機對話的窗口，是用于工業(yè)機器人的手持編程器，具有工業(yè)機器人操作和編程所需的各種操作和顯示功能。本平臺中smartPAD 配備一個觸摸屏，smartHMI可用手指或指示筆進行操作，無需外部鼠標和外部鍵盤。

（5）專用焊機系統(tǒng)和輔助設備。包含2臺肯倍數(shù)字化焊機（焊接電源、機器人特制焊槍、送絲機構）、保護氣體供氣單元、除塵單元、及冷卻裝置。

（6）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和檢測。是由機器人焊槍防碰撞裝置、過載保護傳感器、焊機粘絲、斷弧傳感器、二氧化碳氣壓傳感器、變位機位置傳感器及安全光柵等部分形成的多級傳感器系統(tǒng)。

（7）信號通信。包含各種硬線連接和現(xiàn)場總線等。

（8）工藝參數(shù)選取及質量管理。實現(xiàn)弧焊電源的信息化數(shù)字化控制，包括焊接電流、電壓和送絲速度等等;實現(xiàn)整個焊接過程的完整監(jiān)控，提供完整的焊接追溯性，實現(xiàn)大整體數(shù)字化管理。焊接質量管理系統(tǒng)的主要界面如圖2所示。

焊接質量管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)全方位焊接質量管控，減輕管理人員工作壓力，它可以跟蹤并計算焊接工位和裝配線的燃弧時間。WeldEye設計了直觀的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為管理者提供數(shù)據(jù)對比界面，用來識別流程或工作方法的潛在改善。

1.2 卡車車橋組成

卡車車橋是汽車重要的零部件（見圖3），其焊接質量直接關系到車橋結構的承載能力和強度，因此，車橋結構對焊縫質量的可靠性提出極高的要求。一般情況下，人工受外部干擾因素較多，使得焊接焊縫質量及可靠性不高。采用弧焊機器人作業(yè)，上述問題迎刃而解。

從實踐教學的角度看，技術創(chuàng)新是發(fā)展產業(yè)的基礎，產業(yè)的發(fā)展必須依托技術創(chuàng)新。隨著先進制造技術的發(fā)展，實現(xiàn)焊接產品制造的自動化、柔性化及智能化已成為必然趨勢。在弧焊機器人實驗室建設中要增強新技術在教學中的體現(xiàn)，展現(xiàn)已有設備的先進功能，充分發(fā)揮先進優(yōu)勢，才能更好地培養(yǎng)優(yōu)秀學生，拓寬學生對焊接技術在機械化自動化發(fā)展方面的了解以及對數(shù)字化制造的認知。有利于從單一知識的傳授向創(chuàng)新性教學的轉變?；『笝C器人實驗室所采用的設備均是工業(yè)級的機器人，具有工業(yè)實現(xiàn)的各項功能。為了滿足課程建設需求及工業(yè)級設備功能拓展開發(fā)，在原有集成基礎上增加了大卡車后驅車橋，置于雙機器人弧焊工作站的單軸變位機上，并對車橋進行了教具功能設計。以實際卡車后驅車橋零件為教學素材，充實硬件裝備，開發(fā)雙機器人工作站協(xié)同程序，建設了雙機器人協(xié)調焊接卡車車橋模擬平臺，豐富雙機器人弧焊工作站實踐教學。

通過改造卡車車橋的設計加工，將其安裝在單軸變?yōu)闄C上，可與雙機器人工作站形成車橋模擬焊接系統(tǒng)（見圖4）。

2 雙機器人協(xié)調焊接卡車車橋模擬平臺的實現(xiàn)

雙機器人布置在變位機及工作臺同側，單軸變位機上裝有卡車后驅車橋。雙機器人分為主從（副）弧焊機器人，2臺可獨立控制運動，亦可聯(lián)動，即形成雙機器人協(xié)調作業(yè)。通過對車橋進行處理，使其安全可靠裝至單軸變位機上，車橋本身具有焊縫特征，便于教學實驗員在其上用彩色筆涂有明顯代表焊縫接頭的線條。

主從機器人能否正常協(xié)同作業(yè)，與主從機器人連同單軸變位機的動作協(xié)調有直接關系。設計及實踐表明，當從（副）機器人程序準備就位，雙機器人方可開始協(xié)調焊接，因此首先要調整好從動機器人的狀態(tài)。

針對車橋焊接部位，示教器編輯程序。運行中，主機器人控制器可接收來自主、從機器人、單軸變位機和焊機的信號，以協(xié)調各部分之間的動作。當整個平臺處于自動運行過程中，主機器人控制器首先檢測主、從機器人程序及功能狀態(tài)，若主機器人控制器接收到焊接準備好信號后，雙機器人便開始協(xié)同實施焊接。當從（副）機器人施焊完成后，主機器人接收到信號，雙機器人便同時復位至HOME點，依次進行一個作業(yè)過程。每個過程均為上述過程的周期循環(huán)。

此外，需要注意的是，從（副）機器人控制器僅能控制本身的運動，當接收到準備好信號后開始施焊，施焊完成后發(fā)焊接完成信號給主機器人控制器，進而完成所有焊接任務。雙機器人焊接程序如圖5所示。

通過本平臺的建設，雙機器人協(xié)調焊接模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了一個基于真實工業(yè)產品的實驗探究平臺。該平臺將真實的工業(yè)產品開發(fā)為實驗教學教具，應用于實踐教學中，虛實結合，機器人模擬焊接與工業(yè)機器人操作結合，豐富了實驗教學模式，有利于學生更好地掌握自動化焊接和工業(yè)機器人應用技術，開展創(chuàng)新研究。平臺很好地服務了實習實驗教學、SRT項目、教學研究項目，在工程訓練焊接實踐教學方面具有示范作用。

3 結論

雙機器人協(xié)調對特定工件進行同步弧焊，可體現(xiàn)自動化制造的柔性特征，以及實現(xiàn)高品質焊接作業(yè)。雙機器人協(xié)調焊接卡車車橋模擬平臺的建設，充分發(fā)揮了實驗室設備的先進功能。借助該平臺，對弧焊機器人實踐教學內容和教學方法進行了卓有成效的改革，加深了學生對焊接技術在機械化自動化發(fā)展方面的了解以及對數(shù)字化制造的認知。

參考文獻：

[1] 周東健. 多機器人系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)技術發(fā)展近況與前景[J].機電技術，2013（12）：146-150.

[2] 金艷. 工業(yè)機器人技術在自動化控制領域的應用探討[J].中國設備工程，2017（19）：151-152.

[3] 駱敏舟，方健，趙江海. 工業(yè)機器人的技術發(fā)展及其應用[J]. 機械制造與自動化，2015（1）：1-4.

[4] 李金義，陳彬. 基于工業(yè)機器人的車架自動出庫工位設計[J]. 機電信息，2014（18）：121-122.

[5] 王福印，呂?？? 工業(yè)機器人解釋器的設計與實現(xiàn)[J]. 機械制造與自動化，2018（3）：177-180.

[6] 舒曉春，黃小玲，盧玉華，等. 工業(yè)機器人奇異位形的探討與分析[J]. 攀枝花學院學報：綜合版，2019（3）：31-34.

[7] 王晶，黃真. 工業(yè)機器人在特殊位形下的瞬時運動[J]. 機器人，1997（4）：250-255.

[8] 鞏敦衛(wèi)，耿娜，張勇. 密集障礙物環(huán)境下基于凸包和微粒群優(yōu)化的機器人路徑規(guī)劃[J]. 控制理論與應用，2012，29（5）：609-616.

[9] 張鵬程，張鐵. 基于矢量積法的六自由度工業(yè)機器人雅可比矩陣求解及奇異位形的分析[J]. 機械設計與制造，2011（8）：152-154.

[10] 鄒增大. 焊接材料、工藝及設備手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2011.

收稿日期：2019-02-25;修回日期：2020-05-18

作者簡介：高黨尋（1984— ），男，高級技師，主要從事自動化焊接設備及金屬材料焊接工藝研究。E-mail：gaodx@mail.tsinghua.edu.cn。