國產(chǎn)機器人翼子板柔性工作站

摘 要：在自動化浪潮下，工業(yè)機器人在新時代推動下，迅速邁入高信息化、高智能化、高數(shù)字化、高柔性時代，產(chǎn)研一體企業(yè)層出不窮。工業(yè)機器人行業(yè)中KUAU、AB、FANUC、YASKAWA機器人依舊在國內(nèi)業(yè)內(nèi)備受關(guān)注的四大類工業(yè)機器人。針對公司內(nèi)傳統(tǒng)翼子板手工焊接分散式工作站，展示出不便于零件運輸、管理、運行效率低。設(shè)計基于應(yīng)用自主研發(fā)SGMW-220機器人、商科焊接控制器、發(fā)信修模器、發(fā)信水單元、伺服焊槍、安全光幕、羅克韋爾可編程控制器組成控制系統(tǒng)，建立柔性翼子板焊接工作站。利用離線編程功能對SGMW-220機器人建立工作站生產(chǎn)模式虛擬仿真環(huán)境進(jìn)行動態(tài)模擬，有效合理分配柔性工裝拼臺位置、生產(chǎn)節(jié)拍、人工上件工位的人機工程問題等等，工作站設(shè)計Auto、Manual、Maintain、TryoutMode以及Bypass功能等。

關(guān)鍵詞：SGMW自主研發(fā)機器人 輔助設(shè)備 離線編程仿真

Abstract：Under the wave of automation， driven by the new era， industrial robots have rapidly entered the era of high informatization， high intelligence， high digitization and high flexibility， and enterprises integrating production and research emerge one after another. In the industrial robot industry， KUAU， AB， FANUC and Yaskawa robots are still the four categories of industrial robots that have attracted much attention in the domestic industry. Aiming at the traditional manual welding decentralized workstation of fender in the company， the article shows that it is not convenient for parts transportation， management and low operation efficiency. The control system is designed based on the application of self-developed sgmw-220 robot， commercial welding controller， sending mold repair device， sending water unit， servo welding gun， safety light curtain and rockwell programmable controller， and the flexible fender welding workstation is established. The off-line programming function is used to dynamically simulate the virtual simulation environment of workstation production mode established by sgmw-220 robot， effectively and reasonably allocate the position of flexible tooling assembly table， production beat， ergonomic problems of manual loading station， etc. The workstation is designed with Auto、Manual、Maintain、TryoutMode and Bypass functions.

Key words：SGMW self-developed robot， auxiliary equipment， off-line programming and simulation

汽車行業(yè)形狀隨著汽車行業(yè)消費市場升級，以及產(chǎn)品多元化的汽車消費終端市場新車型層出不窮、款式時尚新穎、活力無限、個性化強，終端產(chǎn)品給消費者多一個選擇性，在汽車產(chǎn)業(yè)鏈中制造設(shè)備也隨著更新迭代，通過優(yōu)化改善升級制造設(shè)備助力汽車快速響應(yīng)市場變化。從單一性制造設(shè)備單元到復(fù)雜柔性制造系統(tǒng)?？焖傩纬蓮娪辛Φ闹圃炝Α㈨憫?yīng)力，完成新一代的市場需求。

1 工作站硬件連接介紹、上位控制系統(tǒng)原理

點焊機器人工作站屬于智能制造系統(tǒng)主體以焊接機器人為主集成度高、柔性化高、多種輔助設(shè)備組成的工作站，根據(jù)項目成本原因設(shè)計集中式生產(chǎn)滿足多種車身生產(chǎn)，同時滿足少人化、高節(jié)拍、人機工程合理。工作站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由Ethernet TCP/IP組成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如下圖所示。

工作站分別設(shè)計人工上件工位四個，及四個柔性工裝夾具拼臺。根據(jù)排產(chǎn)計劃進(jìn)行柔性生產(chǎn)車型，通過PLC控制采集不同拼臺狀態(tài)及設(shè)定車型，調(diào)用不同的程序車型快速實現(xiàn)柔性車型焊接，此設(shè)計從手工作業(yè)模式轉(zhuǎn)變到自動化生產(chǎn)模式不僅提高設(shè)備利用率高、高柔性化、高自動化、少人化一體式工作站。

2 工作站硬件設(shè)備

2.1 機器人

智能制造領(lǐng)域，機器人控制系統(tǒng)核心技術(shù)被國外壟斷情況，國內(nèi)機器人不斷更新?lián)Q代升級系統(tǒng)控制算法完成自主一套核心控制系統(tǒng)。工作站選用SGMW自主研發(fā)六軸自由度工業(yè)機器人，采用了伺服閉環(huán)控制驅(qū)動系統(tǒng)重復(fù)定位精度在±0.11mm，每個軸工作范圍速度均在120°/s，腕部最大負(fù)載為220 Kg，臂長2666mm機器人柔性靈活空間大，適用到后期不斷增加新車型兼容性大。

2.2 焊接控制器

工作站采用國產(chǎn)天津商科電阻焊控制器，三相交流50/60Hz電源輸入，經(jīng)整流、濾波變成平滑的輸出焊接直流電、焊接效果好同時更加穩(wěn)定高效?？刂破鲬?yīng)用Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，同時能快速修改焊接工藝參數(shù)、遞增器數(shù)據(jù)、在線監(jiān)控焊接電流、控制器逆變主板參數(shù)設(shè)置備份，控制器面板提供直觀可量化的數(shù)據(jù)目視功能，同時提供了PHA監(jiān)控功能焊接段導(dǎo)通比，有效發(fā)現(xiàn)電極帽無電流導(dǎo)致零件未焊接狀態(tài)，造成質(zhì)量問題逃逸。

2.3 水單元

WeldSaver水單元控制冷卻水流量及保障電極帽溫度正常，確保了冷卻水帶走電極帽焊接時產(chǎn)生的熱量，同時水泵未開和冷卻水不足時保護(hù)設(shè)備避免故障停機。當(dāng)冷卻水不足時會導(dǎo)致焊接零件出現(xiàn)脫焊、虛焊質(zhì)量問題發(fā)生。

2.4 柔性管線包

工作站采用萊尼柔性管線包，管線包主要作用防護(hù)線纜及連接機器人末端設(shè)備如快換裝置、抓手、伺服焊槍設(shè)備等。萊尼管線包采用高柔性線纜滿足工作站高效率高柔性性能要求，安裝快捷維護(hù)簡單，外觀整潔，伸縮機構(gòu)靈活，波紋管保護(hù)性好材料輕盈耐磨壽命長優(yōu)勢，機器人在復(fù)雜的工作姿態(tài)與高速運轉(zhuǎn)中有效起到保護(hù)線纜作用。

2.5 伺服焊槍

根據(jù)工作站焊接材質(zhì)和零件板厚，零件的形狀和焊點在零件上的位置，工裝夾具位置分布及高效率生產(chǎn)、高柔性條件下采用整體式X型伺服焊槍。伺服電機高性能可控扭力控制力度均勻，位置能隨時變化，可更好的控制重復(fù)精度，從而提高了焊接質(zhì)量。

2.6 電極帽修磨器

工作站采用發(fā)信修磨器，通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，數(shù)字信號有效自動控制修磨器電機旋轉(zhuǎn)、吹氣系統(tǒng)。修磨器刀座兼容性強同時能兼容單刃、雙刃及三刃刀片，此采用三刃式刀片具有良好的切削能力及排屑系統(tǒng)和銅屑收集系統(tǒng)、吹氣系統(tǒng)、電機旋轉(zhuǎn)檢測系統(tǒng)，修磨器電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，刀片更換簡易便捷壽命長同時焊槍修磨壓力200daN。

3 工作站動作邏輯與工藝流程

3.1 PLC程序邏輯要求

（1）操作站選定生產(chǎn)車型PLC采集數(shù)據(jù)與拼臺夾具進(jìn)行匹配，當(dāng)車型選擇錯誤無法讀取當(dāng)前車型，指示燈紅色快速閃報警提示。（2）柔性工裝拼臺夾具需要與生產(chǎn)車型相匹配。（3）拼臺檢測感應(yīng)器需有效檢測當(dāng)前零件狀態(tài)，感應(yīng)器檢測錯誤PLC無法采集數(shù)據(jù)拼臺當(dāng)前狀態(tài)發(fā)送給機器人。（4）PLC控制遠(yuǎn)程模塊報警無法采集現(xiàn)場平臺夾具應(yīng)報警提示。

3.2 機器人動作順序

（1）機器人接收到PLC輸出的PNS數(shù)字信號，并機器人收到PNS Strobe此信號機器人調(diào)用工作程序，反饋接收的PNS數(shù)字信號PLC。（2）機器人工作完成后進(jìn)行執(zhí)行CAP-WEAR電極帽損耗補償程序，消除電極帽氧化產(chǎn)生質(zhì)量問題。（3）機器人電極帽修磨次數(shù)遞增至最大設(shè)定值，機器人執(zhí)行換帽動作。（詳細(xì)動作分解如標(biāo)題5展現(xiàn)）

3.3 人工工位操作如下

（1）人工把翼子板零件安裝在對應(yīng)車型拼臺，人員退到安全區(qū)域操作站按下光柵復(fù)位按鈕，再按下上件完成，自動狀態(tài)下關(guān)閉拼臺氣缸夾具。（2）拼臺夾具關(guān)閉完成，拼臺夾具氣缸感應(yīng)器檢測到位及拼臺零件感應(yīng)器進(jìn)行防錯檢測完成機器人收到對應(yīng)的車型進(jìn)行柔性焊接工作。（3）機器人焊接工藝完成，拼臺夾具自動打開完成，如操作站指示燈綠燈常亮提示員工可進(jìn)行下一步動作步驟。

4 工作站仿真可行性

采用離線仿真技術(shù)模擬機器人實際工作環(huán)境，防止機器人運動過程中碰撞損壞其他輔助設(shè)備，解決再現(xiàn)示教難度大并節(jié)省調(diào)試時間，驗證工裝夾具位置合理性、優(yōu)化伺服焊槍選型、機器人位置可達(dá)性及運行軌跡合理性，不斷優(yōu)化路徑及指令保證高精度生產(chǎn)，均衡生產(chǎn)節(jié)拍。通過仿真技術(shù)降低設(shè)計周期，有效提升現(xiàn)場調(diào)試階段時間優(yōu)化。

5 工作站機器人伺服焊槍自動修磨原理

汽車行業(yè)中白車身車間廣泛應(yīng)用到點焊工藝，伺服焊槍上下電極桿施加壓力電極帽與零件貼合，焊機控制器輸出焊接電流，零件之間存在電阻，電流產(chǎn)生熱量使零件融合一起。電極帽焊接過程流過大電流使銅制電極帽損耗，伺服焊槍壓力和電流熱量工況中電極帽端面與零部件接觸面累積性變化，電流流過零部件密度量發(fā)生變化，焊點核心減少，導(dǎo)致零件出現(xiàn)脫焊、虛焊、焊不牢等質(zhì)量問題。通過焊接控制器計數(shù)焊點次數(shù)到達(dá)預(yù)設(shè)值焊接控制器發(fā)出修磨請求信號，機器人接受到信號，反饋PLC判斷完成邏輯條件機器人自動執(zhí)行自動修磨程序，從而滿足質(zhì)量要求，保證銅制電極帽維持在邊界樣板標(biāo)準(zhǔn)范圍。流程下圖所示。

6 工作站的柔性精益生產(chǎn)

6.1 生產(chǎn)批量大車型、切換頻次減少

工作站設(shè)計四工位，兩工位定位生產(chǎn)訂單量大的車型通過大批量生產(chǎn)車型連續(xù)性，減少切換頻次，高生產(chǎn)效率。并可根據(jù)每季度生產(chǎn)計劃進(jìn)行調(diào)整產(chǎn)品生產(chǎn)的需求來進(jìn)行切換，減少切換頻次，避免了設(shè)備停機、停線問題消除損耗時間，降低成本。同時設(shè)備變化點少、保證了設(shè)備故障率穩(wěn)定從而實現(xiàn)精益生產(chǎn)準(zhǔn)則。

6.2 生產(chǎn)批量小車型、快速切換

工作站設(shè)計另兩個工位針對單一產(chǎn)品量小車型，多品種車型量小或備件、下線類型的品種零件，組成柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。通過切換工裝夾具可快速響應(yīng)切換車型實現(xiàn)產(chǎn)能變化及物料變化，應(yīng)變能力強。

7 結(jié)語

（1）集中式生產(chǎn)工作站提升焊接效率及降低設(shè)備占地空間，自動化程度高，操作簡單，工作站人機交互功能簡單易懂，減少人機工程安全風(fēng)險，保證零件質(zhì)量穩(wěn)定輸出，具有良好的收益成果推廣至其他基地應(yīng)用此工作站。（2）通過可編程控制器及SGMW-220機器人組成柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了“分散式焊接模式”轉(zhuǎn)化到“柔性智能制造工作單元”模塊化生產(chǎn)模式，提高設(shè)備利用率實現(xiàn)高柔性化、少人化、高自動化工作站。

參考文獻(xiàn)：

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[2]方健.國產(chǎn)機器人在汽車焊接生產(chǎn)線的應(yīng)用，人工智能與機器人，2020年第05期.

作者簡介

謝志新：（1995.08—），男，漢族，廣西人，本科。研究方向：工業(yè)機器人應(yīng)用。