楊 芹 ，駱德陽 ，李 銅 ，劉 琦 ，陳 鋮

（1.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610039）

基于機(jī)器人的曲線焊接系統(tǒng)

楊 芹 1，駱德陽 1，李 銅 2，劉 琦 1，陳 鋮1

（1.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610039）

針對(duì)曲線結(jié)構(gòu)工件的人工焊接效率低、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，基于機(jī)器人設(shè)計(jì)出一種高效率和高精度的焊接系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用機(jī)器人與PLC聯(lián)合控制變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)，使待焊工件的焊縫始終處于平焊或船形焊位置，利用觸摸屏設(shè)置翻轉(zhuǎn)速度和顯示整個(gè)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過機(jī)器人與焊機(jī)的通訊及機(jī)器人在線示教編程，實(shí)現(xiàn)曲線結(jié)構(gòu)工件的自動(dòng)化焊接。為了保證焊接質(zhì)量，采用接觸傳感和電弧傳感功能精確尋位和實(shí)時(shí)修正示教軌跡。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

曲線結(jié)構(gòu)工件；機(jī)器人；焊接系統(tǒng)

0 前言

目前曲線結(jié)構(gòu)的小型工件大多采用手工焊方式，對(duì)焊工技術(shù)要求高、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量難以保證。因此，引入焊接自動(dòng)化設(shè)備十分必要，而焊接機(jī)器人和焊接專機(jī)是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的兩種重要方式。焊接專機(jī)是為一種或幾種工件的焊接而設(shè)計(jì)的專用設(shè)備，對(duì)于曲線結(jié)構(gòu)小型工件的焊接優(yōu)勢(shì)不明顯；而焊接機(jī)器人是一種柔性的焊接設(shè)備，通過更改程序即可實(shí)現(xiàn)曲線結(jié)構(gòu)小型工件的焊接[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息控制技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，既保證了焊接質(zhì)量又降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本[2－3]。對(duì)于復(fù)雜工件的焊接，受焊接機(jī)器人臂長(zhǎng)和自由度的限制，焊槍難以到達(dá)某些焊縫，需加入焊接變位機(jī)拖動(dòng)工件使相應(yīng)焊縫處于理想的焊接位置，以方便機(jī)器人進(jìn)行焊接操作[4]。本研究設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器人的曲線焊接系統(tǒng)，采用機(jī)器人和PLC聯(lián)合控制變位機(jī)旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)，使待焊曲線焊縫處于最佳焊接位置，然后機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)焊接。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

弧形結(jié)構(gòu)件如圖1所示，屬于曲線結(jié)構(gòu)件的一種。它有4條在不同面上的弧焊縫（半V坡口），為方便機(jī)器人焊接，采用座式變位機(jī)調(diào)整焊縫空間位置。為了提高焊接生產(chǎn)效率，設(shè)置3個(gè)工位。其中工位1和工位3為固定工位，均由柔性平臺(tái)構(gòu)成，用于曲線結(jié)構(gòu)件的組對(duì)；工位2由變位機(jī)構(gòu)成，用于曲線結(jié)構(gòu)工件的焊接。只需更換焊接工裝或夾具并改變機(jī)器人程序，即可焊接曲線結(jié)構(gòu)工件。工位布局如圖2所示。

圖1 弧形工件

圖2 工位布局

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焊接系統(tǒng)由庫卡機(jī)器人本體、機(jī)器人控制器、焊機(jī)、PLC、觸摸屏、接觸傳感器及電弧傳感器組成，其框架如圖3所示。采用西門子TP700 Comfort的觸摸屏作為人機(jī)交互界面，通過DeviceNet總線實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與焊機(jī)之間的實(shí)時(shí)通訊。由PLC和機(jī)器人聯(lián)合控制變位機(jī)翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，保證焊縫處于平焊或船型焊接位置。

圖3 焊接系統(tǒng)框架

考慮曲線結(jié)構(gòu)工件的焊接特點(diǎn)和生產(chǎn)成本，采用PLC控制變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)，通過控制變頻器的輸出頻率來改變變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)速度。變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)控制方式分為手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種。

為了使空間復(fù)雜曲線焊縫始終處于最佳焊接位置，需要變位機(jī)與機(jī)器人在焊接過程中同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即在焊接過程中變位機(jī)需要一直做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使焊縫處于最佳焊接位置，同時(shí)機(jī)器人調(diào)整焊槍位置和姿態(tài)，對(duì)焊縫實(shí)施焊接。為了方便工人現(xiàn)場(chǎng)操作，在示教功能上設(shè)置跟隨運(yùn)動(dòng)控制，即當(dāng)變位機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人跟隨運(yùn)動(dòng)，并與變位機(jī)保持相對(duì)關(guān)系。通過外部軸的示教控制和機(jī)器人的示教控制，生成了外部軸動(dòng)作程序1和機(jī)器人動(dòng)作程序2。同時(shí)啟動(dòng)程序1和程序2，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)[5]。

3 系統(tǒng)控制流程

幾何尺寸和位置誤差以及焊接過程中工件受熱引起的變形都會(huì)導(dǎo)致實(shí)際焊縫位置偏離示教軌跡。為了保證焊接質(zhì)量的可靠性，系統(tǒng)采用接觸傳感器和電弧傳感器進(jìn)行精確尋位和實(shí)時(shí)修正示教軌跡。

接觸傳感器工作原理如圖4所示。當(dāng)焊絲未接觸工件待檢測(cè)位置時(shí)，由焊接電源、繼電器焊絲和工件構(gòu)成的回路A處于斷開狀態(tài)，繼電器并未得電，機(jī)器人控制柜內(nèi)的直流電源與繼電器的常開觸點(diǎn)相連的回路B也處于未接通狀態(tài)。當(dāng)焊絲與工件待檢測(cè)位置接觸并發(fā)生短路時(shí)，回路A閉合使繼電器得電，其常開觸點(diǎn)閉合，使回路B接通后產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，機(jī)器人控制柜檢測(cè)到此電壓信號(hào)時(shí)，記錄焊槍所在的空間位置和角度。

圖4 接觸傳感器工作原理

示教時(shí)，先將焊絲與工件上指定的焊接起始點(diǎn)接觸，機(jī)器人控制系統(tǒng)通過接觸傳感功能記錄此起始位置作為基準(zhǔn)位。

實(shí)際焊接中，在尋找相應(yīng)焊縫的起始位置時(shí)，接觸傳感檢測(cè)出一個(gè)新位置，機(jī)器人控制系統(tǒng)則比較該位置與基準(zhǔn)位置得出偏差量，然后根據(jù)偏差量計(jì)算出補(bǔ)償量，并將補(bǔ)償量反映到實(shí)際焊接起始位置上。

在焊接過程中，工件受熱不均引起熱變形，導(dǎo)致示教軌跡偏離焊縫實(shí)際位置。本研究采用KUKA Arc Sense分流器箱Basic修正焊接軌跡。分流器箱含有電弧傳感器，在擺動(dòng)焊接時(shí)可以根據(jù)焊接電流反饋值的變化尋找焊縫中心，實(shí)時(shí)修正示教軌跡偏差。由于焊接電弧的長(zhǎng)度與焊絲干伸長(zhǎng)成正比，而焊絲干伸長(zhǎng)與電流成反比，因此，焊接電流的變化可以反映擺動(dòng)中心與坡口中心的偏移，如圖5所示。

若實(shí)際焊縫位置未偏離示教軌跡，則焊槍擺動(dòng)到左右極限位置時(shí)的焊接電流相同，無需修正機(jī)器人示教軌跡；若實(shí)際焊縫位置偏向示教軌跡左側(cè)，則左側(cè)極限位置的焊接電流變大，此時(shí)機(jī)器人軌跡需要向右側(cè)修正；若實(shí)際焊縫位置偏向示教軌跡右側(cè)，則右側(cè)極限位置的焊接電流變大，此時(shí)機(jī)器人軌跡需要向左側(cè)修正。

圖5 電弧傳感原理

示教時(shí)，首先打開主電源給機(jī)器人上電，系統(tǒng)初始化完成后選擇示教模式，然后建立新程序，并選擇合適的坐標(biāo)系，根據(jù)示教原則，對(duì)于圓弧焊縫通常需要3個(gè)屬性點(diǎn)采用圓弧插補(bǔ)方式確定示教軌跡，如圖6所示。利用接觸傳感器找到焊縫的起始點(diǎn)P1、焊縫中間點(diǎn)P2和焊縫結(jié)束點(diǎn)P3，然后采用圓弧插補(bǔ)方式確定焊縫位置。通過變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)使每條焊縫均處于最佳焊接位置，然后按照上述方式完成所有焊縫的示教，示教流程如圖7所示。完成工位2的裝件工作后，通過示教器調(diào)出相應(yīng)工件的焊接程序，按下啟動(dòng)鍵，機(jī)器人通過接觸傳感器找到焊接起始點(diǎn)，并按照示教程序進(jìn)行焊接。在焊接過程中，電弧傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)焊縫，并根據(jù)偏差量調(diào)整示教軌跡，完成焊接任務(wù)。同時(shí)，操作人員可以在工位1或工位3進(jìn)行曲線結(jié)構(gòu)工件組對(duì)。

圖6 圓弧示教軌跡

圖7 示教流程

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的基于機(jī)器人的曲線焊接系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，其運(yùn)行情況良好，焊接位置精確，各項(xiàng)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）自動(dòng)化程度高，工人只需裝卸工件操作，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）采用機(jī)器人焊接，通過更換工裝或夾具和調(diào)用相應(yīng)工件的焊接程序，就可以完成曲線結(jié)構(gòu)件的焊接，提高了生產(chǎn)效率。

（3）采用接觸傳感器和電弧傳感器可以精確尋位和實(shí)時(shí)修正示教軌跡，保證了焊接質(zhì)量。

[1]劉麗麗.汽車連桿類焊接專機(jī)的設(shè)計(jì)[D].遼寧：沈陽工業(yè)大學(xué)，2008.

[2]哈恩晶.焊接機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].熱加工，2004（5）：16-18.

[3]莫金逐.焊接機(jī)器人在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代焊接，2016（8）:8-10.

[4]李志慧.大型堆焊變位機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].河北：河北工業(yè)大學(xué)，2006.

[5]邵秋萍，劉極峰，王孜凌.基于外部軸控制的塞拉門機(jī)器人弧焊工作站[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（9）：117-119.

Research on curve welding system based on robot

YANG Qin1，LUO Deyang1，LI Tong2，LIU Qi1，CHEN Cheng1
（Southwest Jiaotong University，Material Science and Engineering institute，Chengdu 610031，China；2.Xihua University，Material Science and Engineering institute，Chengdu 610039，China）

In order to solve the problems of low efficiency and labor-intensive of manual welding and unstable welding quality of the curved structure workpiece,a welding system with high efficiency and high precision based on robot is designed.The system adopts PLC and robot to control the rotation and revolution of the positioner，which makes the welds always in the fillet welding position,and a touch screen is used to set up the speed of revolving and display the working state of the whole control system.The automatic welding of the curved structure workpiece is realized through the communication between the robot and the welding machine and the online teaching programming of the robot.In order to guarantee the welding quality,the contact sensing and arc sensing functions are used to precisely locate and modify the teaching track.The application result shows that the system has a good effect and achieves the desired design goals.

curved structure workpiece；robot；welding system

TG409

A

1001－2303（2017）11－0067-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.14

本文參考文獻(xiàn)引用格式：楊芹，駱德陽，李銅，等.基于機(jī)器人的曲線焊接系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：67-70.

2017-09-15

楊 芹（1989—），女，在讀碩士，主要從事焊接設(shè)備及其自動(dòng)化的研究。E-mail：swjtu-yq@foxmail.com。