刀模焊接機器人工作站運動軸組合分析及編程

葉九星，胡偉鋒，林卓濤，廖志青

1.廣東星振科技有限公司 廣東佛山 528225

2.廣州城市理工學院機械/機器人工程學院 廣東廣州 510800

1 序言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甘蔗多行快速耕種過程中，常使用雙排刀模插耕設(shè)備代替手工插播，可以高效快速完成多行甘蔗苗耕孔的同步挖掘。傳統(tǒng)的刀模設(shè)備制造方法是采用手持焊槍連續(xù)進行焊接作業(yè)，在焊接多個工位的雙排齒刀模長時間工作過程中，高溫作業(yè)勞動強度較高，常出現(xiàn)因操作者疲勞而引發(fā)的焊縫缺陷和前后刀模焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。為了降低刀模板焊接制造過程的勞動強度并提高工作效率，采用FANUC關(guān)節(jié)型手臂焊接機器人及變位機、行走軸等組成工作站，進行機器人自動化焊接。單個刀模工件尺寸為260mm×40mm×8mm，刀模和刀模板的材質(zhì)均為45鋼。焊縫特征為刀模與刀模板之間的角焊縫，要求每齒刀模相互之間的距離誤差不超過2mm。焊接工作站機器人通過旋轉(zhuǎn)和直線等運動組件的配合，形成機器人的焊接程序動作[1]。采用FANUC焊接機器人，配置行走軸、變位機和控制器等工作站組件，編制刀模焊接機器人動作軌跡程序，并運用擺焊控制保證焊接精度，避免尖角位置發(fā)生焊縫偏離現(xiàn)象。

2 機器人焊接工作站的運動執(zhí)行部件組成及工作流程

多工位甘蔗耕種刀模焊接工作站主要由FANUC焊接機器人、機器人控制器、變位機、機器人行走軸、焊機、清槍裝置、送絲機和防護欄等組成（見圖1）。其中機器人關(guān)節(jié)臂是完成焊槍動作的主要執(zhí)行者，行走軸和變位機則是為了增加焊槍的運動自由度，完成復雜的焊接路徑。

圖1 多工位甘蔗耕種刀模焊接工作站

2.1 機器人焊接的運動組合和軌跡控制分析

機器人焊接動作軌跡的形成由關(guān)節(jié)手臂機器人、變位機和機器人行走軸的動作組合而成，如圖2所示。其中，F(xiàn)ANUC機器人共有6個關(guān)節(jié)軸（J1～J6坐標軸），完成焊槍擺動和前后小位移量的聯(lián)動動作[2]。變位機則實現(xiàn)雙排刀模工件焊接過程中的旋轉(zhuǎn)動作，配合機器人關(guān)節(jié)軸組合出焊接路徑。行走軸則完成縱向平移運動，焊接完一個刀模后移動到下一個刀模時，也需要行走軸實現(xiàn)機器人位置平行移動變化[3]。

圖2 刀模焊接工作站運動軸組成

2.2 雙排刀模焊接工作站工作流程

雙排刀模焊接工作流程如圖3所示。首先在刀模板上劃線確定6個插種刀模工位的位置，并將已組對好的刀模裝入變位機工裝上定位夾緊，啟動機器人和示教器進行焊接示教程序編制，確認程序無誤后機器人啟動示教程序?qū)ぜM行焊接。完成第一排6個刀模焊接后，變位機旋轉(zhuǎn)180°換成對第二排6個刀模進行焊接。在進行A工位12個刀模焊接的同時，B工位由人工完成另外12個刀模零件在刀模板上的裝夾，當工位A的刀模零件焊接完成后，機器人在行走軸上移動到B工位，再開始對B工位上的另一組刀模工件焊接，如此兩個工位交替工作，直到全部刀模焊接完成。當焊接過程中焊槍需要清理時，機器人啟動清槍程序，經(jīng)行走軸平移至清槍站進行自動清槍，清槍完畢再返回工作位置繼續(xù)焊接。

圖3 刀模焊接工作站工作流程

3 機器人焊接工作站的運動軸坐標和參數(shù)研究

FANUC機器人控制柜R-30iB系統(tǒng)最多能夠控制36個軸，實現(xiàn)本體6軸+3個外部軸聯(lián)動控制（單工位）或本體6軸+5個外部軸聯(lián)動控制，行走軸和變位機定義為外部添加的第7和第8軸。

3.1 焊接機器人的各關(guān)節(jié)軸參數(shù)設(shè)定

工作站中FANUC的M-10iA型關(guān)節(jié)型手臂機器人，末端有效負載為10kg，最大伸長范圍1420mm。機器人最前端的“手”關(guān)節(jié)上所安裝的工具中心點，即為焊槍的坐標原點TCP點。每個關(guān)節(jié)的運動都各自由一個伺服電動機驅(qū)動，因此需要從關(guān)節(jié)軸J1～J6，對每個關(guān)節(jié)軸的伺服電動機、運動速度和關(guān)節(jié)限位角度進行設(shè)置[4]。圖4所示為M-10iA型焊接機器人的關(guān)節(jié)電動機參數(shù)和旋轉(zhuǎn)極限角度設(shè)定。

圖4 機器人關(guān)節(jié)電動機及旋轉(zhuǎn)角度極限設(shè)定示意

3.2 單軸精密變位機設(shè)計與旋轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)計

多工位刀模焊接變位機系統(tǒng)由變位機軸、變位機電動機、側(cè)向壓緊裝置和旋轉(zhuǎn)壓緊裝置等部分組成，如圖5所示。變位機變位結(jié)構(gòu)為單軸雙工位，變位角度范圍為±180°，能夠與機器人關(guān)節(jié)、行走軸配合組合出各種復雜的焊接動作軌跡。

圖5 機器人變位機

單軸精密變位機設(shè)置在控制系統(tǒng)菜單的Robot Controller界面中，選擇Basic positioner開始設(shè)定，如圖6a所示。由于M-10iA 為6軸機器人，所以將變位機軸指定為系統(tǒng)的第7軸，并在圖6b中選擇“2”將軸類型設(shè)定為Rotary Axis旋轉(zhuǎn)軸。

圖6 變位機旋轉(zhuǎn)軸的參數(shù)設(shè)計

在圖6b中的變位機其他主要參數(shù)繼續(xù)按表1進行設(shè)計。

表1 變位機參數(shù)的設(shè)計應用

3.3 刀模機器人行走軸的運動控制及分析

添加行走軸時在Robot Controller界面選擇Extended Axis Control進行設(shè)置，由于已經(jīng)設(shè)置了變位機旋轉(zhuǎn)軸為第7軸，故將行走軸設(shè)定為第8軸。其他動作參數(shù)設(shè)置與變位機軸類似，所不同的主要為伺服電動機類型、直線運動方向和平移運動極限值等參數(shù)的設(shè)置。行走軸需要設(shè)定平移運動極限值為機器人運動的最大范圍。在圖7中，機器人直線運動下限值為-3000mm，上限值為+3000mm，即設(shè)定了行走軸的最大運動范圍為6000mm。

圖7 機器人行走軸（第8軸）的平移運動極限值設(shè)定

4 刀模焊接機器人編程及擺焊控制應用

完成了各運動部件的組合協(xié)調(diào)設(shè)置之后，即可進行機器人示教編程。為了保護機器人焊接程序的安全運行和精確動作，先編制示教程序進行多次空運行調(diào)整，確定其運行軌跡安全之后再加入焊接引弧等工藝指令，形成完整的焊接程序。

4.1 機器人焊接程序編制

首先應確定安全的焊槍起始點位置，移動機器人到第一個刀模前的起弧點上方約10mm的位置，確定為第一個軌跡點P1，即程序起始點的位置[10]。則按示教器操作面板的“SHIFT”+“F1”鍵，儲存為示教程序軌跡起始點，顯示如下。

L P[1]100 IPM FINE；

繼續(xù)移動示教機器人到一個準備位置即“Approach”位置，然后儲存已示教程序軌跡的第二點程序，顯示如下。

2:L P[2]100 IPM FINE；

如此持續(xù)生成完整的焊接程序軌跡，如圖8所示，最后回到起始點的位置結(jié)束程序。

圖8 機器人焊接程序軌跡點

單個刀模的機器人焊接運動軌跡規(guī)劃完成并確定沒有碰撞危險后，再在示教程序中編輯插入起弧點、焊接點和收弧點等指令，形成刀模的焊接程序如下。

在示教器的程序界面中，通過單步和連續(xù)示教模擬運行程序，確認機器人運動軌跡無誤后，即可進行實際焊接作業(yè)。

4.2 刀模焊接過程的焊槍擺動軌跡調(diào)整

由于在刀模焊接中采用的等速送絲方式，因此在刀模和刀模板零件之間的尖角位置，容易造成焊槍與工件距離的變化過大，焊縫位置偏離既定軌跡。如圖8b所示，刀模焊接軌跡P3和P4點之間尖銳的拐角，此時焊炬伸出長度由于慣性還來不及變化，弧柱已經(jīng)陡然變化，造成電弧電壓和焊接電流隨之發(fā)生突然變化。而通過擺動電弧傳感器的坡口對中位置反饋，系統(tǒng)可快速做出調(diào)整，啟動步進電動機轉(zhuǎn)動方向的控制改變，實現(xiàn)焊縫軌跡的及時調(diào)整。具體的方法是在第4程序點至第6點之間加入如下程序段。

其中，Weave Sine為擺焊調(diào)整開始，Weave End為擺焊結(jié)束指令。經(jīng)過擺焊的軌跡調(diào)整（見圖9），可使機器人焊接的焊縫獲得明顯的效果。普通焊縫和經(jīng)過擺焊調(diào)整后的焊縫對比如圖10所示。從兩種試驗的焊縫對比可明顯看出，機器人焊接采用等速送絲方式時，通過電弧傳感器對焊槍進行擺焊調(diào)整可獲得良好的焊接效果。

圖9 拐角處的焊槍擺動調(diào)整軌跡

圖10 兩種焊縫效果對比圖

5 結(jié)束語

在機器人焊接工作站設(shè)計中，除上述主要部件的設(shè)計應用之外，還有如送絲槍、機器人行走軸、變位機驅(qū)動和其他安全防護措施需要規(guī)劃設(shè)計，由于篇幅有限，在此不再贅述。同時，工作站系統(tǒng)在實際安裝和調(diào)試運行過程中，控制系統(tǒng)、機器人與焊機之間許多需要協(xié)作配合的細節(jié)，尚需在現(xiàn)場實踐中進行安裝調(diào)試，才能達到合理的運行狀態(tài)。