安同

（吉利汽車春曉公司，浙江 寧波 315800）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是能在人的控制下智能工作，代替人力在生產(chǎn)線上工作的多關(guān)節(jié)機(jī)械手，一種機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品，對于企業(yè)提高自動(dòng)化生產(chǎn)水平、降低人工勞動(dòng)生產(chǎn)力、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益及保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面的作用日益顯著。在2014年中國成為全球機(jī)器人最大市場，隨著我國汽車制造業(yè)的發(fā)展和在我國市場和政策的雙重利好下，國內(nèi)機(jī)器人市場迅速升溫，各種功能工業(yè)機(jī)器人層出不窮。其中點(diǎn)焊、弧焊、滾邊、噴涂、搬運(yùn)等機(jī)器人工藝在汽車整車生產(chǎn)和汽車零部件生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，工業(yè)機(jī)器人在汽車生產(chǎn)制造中的應(yīng)用也被越來越多的汽車制造廠商接受和認(rèn)可[1]。

點(diǎn)焊作業(yè)在汽車制造生產(chǎn)過程中是不可缺少的一項(xiàng)重勞動(dòng)力且對作業(yè)人員身體健康影響較大的作業(yè)之一，也是汽車生產(chǎn)過程中重要的組成部分，同時(shí)機(jī)器人點(diǎn)焊也是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛的一項(xiàng)工藝。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在汽車制造業(yè)不僅能夠體現(xiàn)出汽車制造廠的車身工藝水平，同時(shí)在一定程度上能夠反映出一個(gè)國家汽車制造技術(shù)的水平[2-3]。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展對于汽車的生產(chǎn)工藝要求逐年提升，而焊接工藝在眾多生產(chǎn)工藝中占比最大。通過點(diǎn)焊焊接工藝可以將白車身不同形狀、不同材料的零件組合起來，從而形成整個(gè)車身機(jī)械結(jié)構(gòu)。相比于弧焊焊接，點(diǎn)焊焊接技術(shù)具有無需焊接輔料，不產(chǎn)生有害煙霧、焊接質(zhì)量高、焊接效率高、焊接應(yīng)力小、不損傷工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，從而廣泛用于白車身沖壓板件的焊接工程。根據(jù)工裝設(shè)計(jì)及車身板件設(shè)計(jì)的不同，當(dāng)下點(diǎn)焊技術(shù)中所用到的焊鉗基本分為C型焊鉗、X型焊鉗和單邊焊焊鉗。近年來工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展使焊接領(lǐng)域的自動(dòng)化程度大大提高，工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)從傳統(tǒng)的氣動(dòng)焊鉗逐漸被伺服焊鉗取而代之，由機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)焊鉗也更多地運(yùn)用到制造業(yè)生產(chǎn)中。

ABB工業(yè)機(jī)器人柔性焊鉗技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)焊接作業(yè)中，在保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量的同時(shí)，并大大縮短了生產(chǎn)中節(jié)拍時(shí)間，焊鉗運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)與工業(yè)機(jī)器人同步運(yùn)動(dòng)。與該技術(shù)相配套的ABB專利軟件—RobotWare點(diǎn)焊軟件包，使操作更為便捷[4]。本文就ABB工業(yè)機(jī)器人集成伺服焊鉗的應(yīng)用調(diào)試方法進(jìn)行闡述。

1 系統(tǒng)組成

一套完整ABB機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)包括機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜、焊鉗、修磨器、焊接管線包、焊接控制器及附屬電纜等，系統(tǒng)選件具有廣泛的通用性，可根據(jù)具體工藝需求進(jìn)行定制。在點(diǎn)焊系統(tǒng)中焊鉗是系統(tǒng)的執(zhí)行工具，而執(zhí)行工具通過機(jī)器人系統(tǒng)的點(diǎn)焊選件執(zhí)行相應(yīng)的工藝。

1.1 ABB機(jī)器人點(diǎn)焊選件

在ABB系統(tǒng)中RobotWare點(diǎn)焊選件是一個(gè)靈活的通用軟件平臺(tái)，可為各類點(diǎn)焊系統(tǒng)定制簡單易用的功能組。

配套機(jī)器人控制器IRC5的RobotWare家族包含專用點(diǎn)焊選件，確保焊裝品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)全面工藝控制?？赏ㄟ^IRC5 FlexPendant（示教器）上的專用點(diǎn)焊界面對點(diǎn)焊過程進(jìn)行監(jiān)測和配置。

該選件提供功能強(qiáng)大的點(diǎn)焊指令，可實(shí)現(xiàn)快速精確定位，并具有焊鉗操縱、過程啟動(dòng)、點(diǎn)焊設(shè)備監(jiān)控等功能。用戶在安裝機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)可以在系統(tǒng)安裝界面直接選擇該選件進(jìn)行安裝。安裝選件根據(jù)功能性可分為：1）Spot（點(diǎn)焊）。用氣動(dòng)單/雙焊鉗配以AC或MFDC焊接控制器進(jìn)行順序或并行點(diǎn)焊。2）Spot Servo（伺服點(diǎn)焊）。用電動(dòng)伺服控制焊鉗配以AC或MFDC焊接控制器進(jìn)行順序或并行點(diǎn)焊。3）Spot Servo Equalizing（平衡伺服點(diǎn)焊）。除具備“Spot Servo”功能外，還提供一種不增加機(jī)械裝置即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊鉗平衡的工藝軟件。4）Servo Tool Change（伺服工具更換）。支持生產(chǎn)期間伺服焊鉗在線更換。在汽車行業(yè)中RobotWare點(diǎn)焊選件Spot Servo Equalizing在實(shí)際應(yīng)用中較為突出，所以集成該功能時(shí)一般選擇此選件。

1.2 伺服點(diǎn)焊焊鉗

伺服焊鉗即使用伺服馬達(dá)配滾珠螺桿或齒輪傳動(dòng)（匹配馬達(dá)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載）驅(qū)動(dòng)焊槍機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，完成焊鉗焊接動(dòng)作。

伺服焊鉗相對于氣動(dòng)焊鉗具備以下優(yōu)點(diǎn)：1）高效率。同樣焊接一個(gè)工件來說，單個(gè)焊點(diǎn)占用時(shí)間伺服焊鉗比氣動(dòng)焊鉗可節(jié)省1 s左右時(shí)間。2）運(yùn)行穩(wěn)定。對于焊接工藝來說，伺服焊鉗對于焊接加壓過程和壓力值控制更為精準(zhǔn)穩(wěn)定，從而相對于氣動(dòng)焊鉗提高了焊點(diǎn)的外觀和質(zhì)量。3）行程柔性。伺服焊鉗可以根據(jù)工件的情況設(shè)備實(shí)際所需的開口大小，相對于氣動(dòng)焊鉗的行程，大大地提高了行程的柔性。目前汽車行業(yè)中C型和X型結(jié)構(gòu)焊鉗使用較為廣泛，分為大型、中型、小型焊槍。

2 ABB機(jī)器人設(shè)置和調(diào)整伺服焊鉗方法

在汽車的車身焊接生產(chǎn)線上，伺服機(jī)器人焊鉗被安裝在機(jī)器人上，通過機(jī)器人的主體控制器的第七軸來實(shí)現(xiàn)與其他六軸的同步控制。在使用前需要對機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整。在ABB系統(tǒng)中設(shè)置和調(diào)整伺服焊鉗前需完成焊鉗的硬件安裝和控制器的修改，如馬達(dá)和焊鉗的安裝、SMB電纜連接、控制器驅(qū)動(dòng)及RobotWare系統(tǒng)修改等。

設(shè)置和調(diào)整伺服焊鉗具體設(shè)置和調(diào)整可分為9個(gè)步驟。下面內(nèi)容對設(shè)置和調(diào)整方法做簡單說明。

1）加載焊鉗基本配置文件。在機(jī)器人系統(tǒng)交付時(shí)不包含焊鉗的任何伺服參數(shù)，需要用戶自行進(jìn)行配置導(dǎo)入。焊鉗在供應(yīng)商交付時(shí)提供配置文件模板，在投入生產(chǎn)之前必須對電動(dòng)機(jī)裝置和滾珠螺桿、齒輪裝置的配置進(jìn)行調(diào)整以優(yōu)化性能。通過示教器在控制面板-配置-文件-加載–替換副本，路徑進(jìn)行導(dǎo)入。

2）定義焊鉗伺服電動(dòng)機(jī)參數(shù)。所有伺服電動(dòng)機(jī)參數(shù)由制造商提供，通過示教器在控制面板-配置-Motion-MotorType－S_GUN1（伺服焊鉗配置名稱）配置電動(dòng)機(jī)參數(shù)，其中參數(shù)包含：電動(dòng)機(jī)極對數(shù)、電動(dòng)機(jī)最大電流、電壓常數(shù)、電動(dòng)機(jī)相電阻。以上參數(shù)如包含在焊鉗制造商提供MOC文件中，可直接導(dǎo)入MOC文件到機(jī)器人系統(tǒng)。

3）執(zhí)行微校指令。為防止加載MOC文件以后控制焊鉗時(shí)出現(xiàn)關(guān)節(jié)報(bào)警，首先需要對軸執(zhí)行微校準(zhǔn)?？刂坪搞Q使上下電極帽剛好接觸位置，在ABB示教器菜單中選擇校準(zhǔn)下的微校方法進(jìn)行校準(zhǔn)。

4）設(shè)置焊鉗減速比和工作范圍。焊鉗減速比設(shè)置有兩種情況，已知焊鉗減速比值和未知減速比值。第一種情況已知減速比值由焊鉗制造商提供，一般在焊鉗隨身文件中。減速比單位為rad/m，可直接在參數(shù)Transmission輸入減速比值，然后將計(jì)算機(jī)重啟后生效；另外一種情況就是焊鉗減速比未知，需要通過使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量，根據(jù)公式計(jì)算得出實(shí)際的減速比值，具體方法通過以下步驟得出：a.打開焊鉗，使兩個(gè)電極帽之間的距離約5 mm, 讀取示教器軸當(dāng)前顯示位置值, 記作:A_jog_screen；b.用游標(biāo)卡尺測量兩個(gè)電極帽之間的實(shí)際距離,記作A_measured；c.繼續(xù)增大開口值，達(dá)到約15 mm,讀取示教器示教器軸當(dāng)前顯示位置值,記作B_jog_screen；d. 繼用游標(biāo)卡尺測量兩電極帽之間的距離，記作B_measured；e. 在Transmission參數(shù)下讀取原有的減速比的值，記作old_transm_joint；f.在根據(jù)測量值按照公式計(jì)算 新 的 減 速 比 （B_jog_screen - A_jog_screen）/（B_measured - A_measured）* old_transm_joint；g. 在Transmission輸入新的減速比；h. 重啟計(jì)算機(jī)后然后進(jìn)行復(fù)測，比較輸入的值和實(shí)際值，如果差別較大，重復(fù)以上步驟重新調(diào)整，直至校準(zhǔn)為止。

5）通過軟件驗(yàn)證和優(yōu)化速度/轉(zhuǎn)矩。為使軸電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)，可以使用ABB提供的標(biāo)準(zhǔn)的外軸調(diào)整軟件，Tune Master進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，包含Kv/Kp/Ki值。

a.調(diào)整Kv值。監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的速度曲線，當(dāng)出現(xiàn)明顯的抖動(dòng)，然后將此Kv值除以2.5。Kv值越大，變位機(jī)的速度響應(yīng)越快，但是過快容易造成電動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定和抖動(dòng)，通常Kv=0.6～1.5之間。

b.調(diào)整Kp值。監(jiān)控曲線Kp如圖1所示,保證綠線盡量接近紅線，但是不要出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，如果沒有出現(xiàn)明顯的過沖現(xiàn)象，則參看力矩曲線（藍(lán)線所示），如果藍(lán)線出現(xiàn)明顯的振蕩曲線，則表示此時(shí)參數(shù)已經(jīng)合適。此調(diào)試方法精度低，調(diào)試效率高。通常情況下Kp值越大，電動(dòng)機(jī)的定位精度越高，但是過大時(shí)容易造成電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，對電動(dòng)機(jī)損傷大，對于大負(fù)載的焊鉗，通常Kp為20左右，對于小負(fù)載的焊鉗，Kp通常為35左右，具體調(diào)整大小視情況而定。

圖1 Kp監(jiān)控曲線

c.調(diào)整Ti值。Ti值越小，焊鉗速度響應(yīng)越快，但是越小越容易造成電動(dòng)機(jī)抖動(dòng)，Ti通常為0.1。

6）調(diào)整位置控制參數(shù)。所謂調(diào)整位置控制參數(shù)即設(shè)置焊鉗最大開口值和焊鉗最小開口值。最大開口值在焊鉗隨身文檔中可以獲取，如果無此值，可以通過慢慢打開焊鉗開口直至極限位置從示教器讀取值確定。設(shè)置焊鉗最小開口值為-0.005，設(shè)置為負(fù)數(shù)是為了保證焊槍在工作范圍內(nèi)，即使在壓力保持中出現(xiàn)停止也不會(huì)報(bào)錯(cuò)。焊槍材質(zhì)有黃銅和鋁，材質(zhì)不同焊槍的柔軟性也不統(tǒng)一，如果焊槍本身材質(zhì)非常柔軟，焊槍在最大壓力保持下變形超過5 mm，這個(gè)參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際調(diào)整（如-0.010）。

7）調(diào)整壓力控制參數(shù)。為了關(guān)閉未執(zhí)行電極校準(zhǔn)的焊鉗，需要暫時(shí)關(guān)閉同步檢測程序，在SG Process中將Sync check off設(shè)置為YES，然后重啟系統(tǒng)。

通過點(diǎn)焊應(yīng)用包中的壓力校準(zhǔn)選項(xiàng)，根據(jù)提示步驟進(jìn)行相關(guān)的操作，如果最大允許壓力無法達(dá)到，需要達(dá)到最大允許壓力值的轉(zhuǎn)矩可能高于現(xiàn)有允許最大壓力的轉(zhuǎn)矩值。這兩個(gè)值分別在Torque Absolute Maxin the type Stress Duty Cycle 和Max Force Control Motor Torque in SG Process。通過增大這兩個(gè)轉(zhuǎn)矩值（需要重啟系統(tǒng)）達(dá)到最大壓力。

8）調(diào)整加速度控制參數(shù)?？梢愿鶕?jù)公式計(jì)算出加速度值Speed (rad/s)=2π/60·speed(r/min)，注意如果加速度值設(shè)置不當(dāng)，焊槍運(yùn)動(dòng)時(shí)造成機(jī)器人關(guān)節(jié)碰撞報(bào)警。

9）創(chuàng)建和運(yùn)行校準(zhǔn)程序。以上步驟創(chuàng)建完成后，就可以根據(jù)實(shí)際焊鉗的狀態(tài)，對焊鉗的形變量和焊鉗電極更換校準(zhǔn)功能進(jìn)行優(yōu)化，一把焊鉗成功集成于機(jī)器人外部的控制。

3 結(jié)論

隨著我國工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車制造業(yè)自動(dòng)化率的大幅提升，機(jī)器人大量投入使用代替人工已經(jīng)成為了汽車制造業(yè)的主流。本文所介紹的方法思路，可適用于其他品牌機(jī)器人作為參考步驟不僅限于ABB機(jī)器人系列，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對焊鉗的控制。