車身焊裝生產(chǎn)線上多臺工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)分析

邱志新，馬 樂，肖迎俊

(哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引言

新時期，汽車工廠焊裝車間工業(yè)機器人數(shù)量較多，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，極易出現(xiàn)故障，影響生產(chǎn)線工作效率。因此，有必要深入分析車身焊裝生產(chǎn)線中工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)焊裝與搬運自動化，進(jìn)而節(jié)省生產(chǎn)成本和人力資源，提升機器人管理水平，拓展焊裝生產(chǎn)線自動化技術(shù)的應(yīng)用范圍，提高生產(chǎn)效率。

1 車身焊裝生產(chǎn)線工作內(nèi)容

焊裝工廠主要生產(chǎn)汽車白車身，原材料包含結(jié)構(gòu)強化組件、薄板沖壓件、活動件合頁、螺栓等[1]。車身主要借助沖壓方式，將鋼板焊接為組合件，在安裝前后蓋和裝配車門后組成白車身。焊裝工廠主要通過綜合生產(chǎn)線生產(chǎn)車身產(chǎn)品，包含涂膠、焊接、打號、包邊等設(shè)備。伴隨著生產(chǎn)量的逐漸提升，當(dāng)前，自動化焊裝生產(chǎn)線逐漸普及。焊裝工廠中一般具有較多機器人數(shù)量，主要負(fù)責(zé)搬運、焊接、涂膠等工作，此外，還有清掃、包邊、打刻機器人。機器人類型通常選擇多關(guān)節(jié)垂直型號，包含本體結(jié)構(gòu)、電纜和控制柜，典型組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型工業(yè)機器人組成結(jié)構(gòu)

2 車身焊裝生產(chǎn)線中工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)探究

2.1 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容

工業(yè)機器人系統(tǒng)中通常包含PLC、機器人、夾具等結(jié)構(gòu)，其中，PLC是焊裝生產(chǎn)控制系統(tǒng)，還可以控制料框、底座檢測等模塊。PLC結(jié)構(gòu)包含機器人PLC和主控制柜PLC、遠(yuǎn)程輸入和遠(yuǎn)程站，夾具系統(tǒng)內(nèi)存在直線導(dǎo)軌、電缸、框架制作等結(jié)構(gòu)。通過增加傳感器設(shè)備，依據(jù)接線圖設(shè)置線路和輸入輸出位置。機器人系統(tǒng)模塊包含運行程序、PLC程序，能夠控制機器人完成工件測距、搬運、抓取、距離過大報警、補償程序等內(nèi)容。機器人可以通過收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，在測距后計算補償數(shù)值，借助預(yù)定程序完成工作循環(huán)。

2.2 機器人系統(tǒng)集成模塊

2.2.1 集成思路

多臺機器人集成需要分析樣本空間，確保其處于相同區(qū)域，若范圍較大則應(yīng)分段控制。從技術(shù)層面分析總線最大傳輸距離超過1 000 m，但由于相關(guān)干擾和接頭因素造成的損耗，總線距離需小于400 m。同時，焊裝車間中磁場不穩(wěn)定因此會出現(xiàn)通信阻礙問題，通常情況下，總線長度應(yīng)小于200 m，機器人集成過程包含以下內(nèi)容：選擇機器人、制定電氣方案、選擇控制器和元器件、制作圖紙、布置電路、調(diào)整工具、現(xiàn)場調(diào)試[2]。

2.2.2 硬件設(shè)備選擇

(1)控制柜和工業(yè)機器人的選擇。選擇關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人，其型號可以是KUKA IR761/150、KUKA IR761/125等?？刂破饔布x擇80386 CPU，主要完成數(shù)據(jù)運算、伺服控制，借助CPU控制人機接口和I/O。控制器主要利用總線結(jié)構(gòu)，包含主控制板、接口控制板、軸控制板，安全電路板，借助數(shù)據(jù)配置的形式開展工作。(2)控制柜和焊鉗。選擇C型和X型一體化機器人焊鉗，焊接桿與焊接變壓器作為整體便于抓取操作，通過增加焊接的截面積優(yōu)化焊接質(zhì)量。此外，在硬件設(shè)備配置過程中，還包含車身焊裝、輸送、電極修磨等模塊。

2.2.3 集成方案設(shè)置

可以針對某一生產(chǎn)線劃分為4個部分，即主線、側(cè)圍、緄邊、離線機器人，借助以太網(wǎng)完成連接。集成過程如下。

(1)側(cè)圍機器人集成。側(cè)圍工作主要通過往復(fù)桿傳輸，因此，需要將機器人集成于控制柜PLC內(nèi)，夾具、往復(fù)桿設(shè)備、機器人之間應(yīng)完成信號交互，使機器人借助PROFIBUS現(xiàn)場總線向PLC傳輸信息。相關(guān)安全信號可以利用現(xiàn)場I/O形式向PLC傳輸，通過邏輯編程的方式完成信號交互。

(2)主線機器人集成。本課題將主線機器人劃分為兩個部分，由于焊接車間中強電對于弱點具有較大干擾，因此利用3個PLC對其進(jìn)行邏輯處理。借助相同控制單元對現(xiàn)場夾具、機器人集成完成控制。主線與機器人之間可以增加干擾區(qū)，通過CPU傳輸車型數(shù)據(jù)，機器人也能夠向CPU發(fā)送報警信號，完成數(shù)據(jù)安全互鎖，避免機器人工作過程中出現(xiàn)傳輸碰撞。此外，以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)焊裝車間的數(shù)據(jù)共享和維護(hù)，借助以太網(wǎng)交換機控制網(wǎng)絡(luò)機柜，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)可靠性、實時性完成統(tǒng)籌設(shè)計。中心控制室是集成系統(tǒng)的核心，對焊裝車間進(jìn)行集中管理，確保車間以太網(wǎng)交換機和控制室之間構(gòu)成閉環(huán)，保證其內(nèi)部信息交換。

2.3 軟件應(yīng)用設(shè)計模塊

2.3.1 防撞技術(shù)

當(dāng)多個機器人合作完成焊裝工作時，該生產(chǎn)線系統(tǒng)為防止機器人之間操作碰撞，需要科學(xué)控制其運動軌跡。規(guī)劃目標(biāo)為確保生產(chǎn)節(jié)拍，找尋最優(yōu)路徑降低機器人間的干擾。借助機器人仿真技術(shù)消除干涉范圍，加強對機器人的控制。當(dāng)定位機器人之前的實際干涉區(qū)時，通過示教編程方式實現(xiàn)分區(qū)、分段的示教。分析、等待生產(chǎn)機器人工作程序，明確區(qū)域代碼，進(jìn)而在上位機程序內(nèi)完成區(qū)域代碼分析，輸出數(shù)據(jù)并控制焊裝機器人。

2.3.2 運動軌跡順暢技術(shù)

若工業(yè)機器人生產(chǎn)過程中運動軌跡不平滑、流暢，高速移動過程中安全系數(shù)較低，極易影響車身焊裝工作的質(zhì)量。通常情況下，機器人實際運動軌跡屬于人工示教模式，借助控制器執(zhí)行連續(xù)軌跡命令，如“直線控制LIN”“點到點控制PTP”“圓弧控制CIRC”等指令[3]。

由于運動軌跡的線段連接位置不光滑，其速度不均衡，因此，借助Advance run模式可以提前計算控制器指令。利用“LIN P C_DIS”“PTP P C_PTP”解決上述問題，提升工業(yè)機器人運動軌跡的流暢性。此外，建議優(yōu)化焊鉗技術(shù)。針對焊裝生產(chǎn)線中多臺工業(yè)機器人同時工作的情況，為了節(jié)省生產(chǎn)成本、降低工作空間，可以借助相同輸入/輸出模式配置兩臺焊鉗，防止因焊鉗實際結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致工業(yè)機器人動作時序和實際結(jié)構(gòu)不同，規(guī)范焊接參數(shù)。同時，可以通過電極修磨器對焊鉗完成調(diào)整配置，利用自動識別焊槍的電機更換報警功能，實現(xiàn)多模塊統(tǒng)一。借助焊接控制器設(shè)置多種焊接程序，在生產(chǎn)線工作程序內(nèi)完成焊鉗識別，提升工業(yè)機器人工作精確性。

2.3.3 安全防護(hù)技術(shù)

(1)人身安全防護(hù)。工業(yè)機器人生產(chǎn)過程中具有一定危險性，需要在實際工作中借助護(hù)欄完成保護(hù)，防止相關(guān)人員誤入危險區(qū)。通過設(shè)置安全信號(Usersafe)和急停措施(Emergeney Stop)實現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用。當(dāng)開啟急停按鈕后，機器人會延遲1-3秒停止工作。當(dāng)發(fā)送Usersafe信號后，機器人會立即離開初始位置。

(2)設(shè)備防護(hù)。工業(yè)機器人危險性不僅針對工作人員，也會對其他生產(chǎn)線、機器人造成影響。通過軟硬件多重判斷的方式分析機器人與生產(chǎn)線位置關(guān)系，利用原位開關(guān)、時間延時等裝置分析機器人循環(huán)工作進(jìn)程。利用信號中斷分析處理焊接控制器、循環(huán)水冷卻回水流量、焊鉗工作狀態(tài)等內(nèi)容。

4 結(jié)語

綜上所述，通過課題分析發(fā)現(xiàn)車身焊裝機器人在設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，其定位精確度、系統(tǒng)穩(wěn)定性滿足技術(shù)任務(wù)書中標(biāo)準(zhǔn)，可以達(dá)到用戶使用需求。因此，有必要在探究工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)時結(jié)合工業(yè)工程理論，驗證生產(chǎn)、分析多個環(huán)節(jié)，開展系統(tǒng)拓展應(yīng)用項目，節(jié)省人力、資金成本。