基于機器人的充氣機柜焊接系統

林曉東，劉華中，肖立軍

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

1 焊接系統概述

本系統是為適應SF6充氣機柜的自動焊接而設計，采用了專用焊接機器人、CMT冷金屬過渡焊接等先進技術，實現了充氣機柜的大批量、多品種的連續焊接；焊接后的工件焊道均勻、平整、美觀，經檢測滿足其技術要求。

1.1 系統組成

1）焊接機器人；

2）數字化CMT焊機；

3）控制系統；

4）監控系統。

1.2 系統配置

系統的總控采用內置Profibus DP接口的PLC；專用焊接機器人操作系統具有良好的開放性，與其他外部設備連接方便；由于充氣機柜對焊機的性能要求比較高，因此采用了全數字化控制的逆變式焊機，具有CMT/MIG/MAG等多種焊接方式。

圖1 系統配置

2 系統工作過程

機器人采用正立安裝的形式，兩側各安裝有一臺變位機；變位機上安裝有卡具，方便工件的安裝定位。

系統設置兩個工位，A工位為機柜的殼體焊接，B工位為機柜的封板焊接，A工位焊接完之后的工件進行內部器件安裝，完成后經檢驗合格，進入B工位進行封箱焊接；機器人在焊接一個工件時完成另一個工件的卸下和裝卡，實現了工件的連續焊接。

3 系統各部件的配置及連接

3.1 數字化焊機工作方式

機器人與焊機的通訊有多種連接方式可選，在滿足要求、不增加成本的前提下，采用機器人內置的Devicenet協議方式通訊，具有可靠性高，信號擴展方便等優點。

焊機采用JOB工作方式，在焊接工藝確定后，將此工藝參數以JOB號的方式存儲到焊機中；機器人焊接時，以JOG號的方式調用相對應的焊接參數。此種方式操作簡單，工藝穩定，適合多條焊道多種焊接參數的連續焊接。

3.2 焊接機器人與PLC的連接及焊機信號的傳遞

PLC與焊接機器人采用Profibus DP總線方式連接，通過觸摸屏設置焊接的工件類型，監測焊機的工作狀態及焊接時的電壓、電流；當焊機出現故障時，機器人立即暫停焊接，并在觸摸屏上顯示出焊機的故障代碼，發出報警信號，提醒操作員注意。

焊機與機器人的連接使用Devicenet協議，機器人與PLC間的通訊使用的是Profibus DP協議，因此如果想在觸摸屏上顯示焊接的電壓電流，需要在機器人內部進行信號的鏈接，詳細見機器人配置EIO文件。

3.3 機器人與PLC連接方法

3.3.1 PLC硬件組態

將焊接機器人廠家提供的GSD文件加入PLC元件庫，在硬件配置中調用，這樣就可以完成基于Profibus協議的連接，但在DP總線上機器人只能作為從站來使用。

3.3.2 機器人側配置方法

EIO配置文件：

EIO:CFG_1.0:5:0::

EIO_UNIT_TYPE:

……

-Name ＂DP_SLAVE_FA＂ -BusType ＂PBUS＂-VendorName ＂ABB Robotics＂

-ProductName ＂Profibus-DP Fieldbus Adapter Slave＂ -InternalSlave

-PB_ProductId 6161 -PB_InputSize 8 -PB_OutputSize 8

EIO_SIGNAL:

-Name ＂Prog_No＂ -SignalType＂GI＂ -Unit ＂Profibus＂ -UnitMap ＂32-47＂

……EIO_COMMAND_TYPE:

-Name ＂LinkAddr＂ -UnitType＂d350A＂ -DefValue ＂1＂ -OrderNr 1

-DN_Path ＂6,20 64 24 01 30 01,C6,1＂ -DN_Service 16

……

EIO_ACCESS:

-Name ＂ALL＂ -Rapid -LocalManual-LocalAuto -RemoteManual -RemoteAuto

……

3.3.3 焊機的機器人側EIO文件配置方法

EIO:CFG_1.0:5:0::

EIO_BUS:

-Name ＂DeviceNet1＂ -BusType ＂DNET＂-ConnectorID ＂PCI1＂

-ConnectorLabel ＂First DeviceNet＂EIO_UNIT_TYPE:

……

-Name ＂BK5250＂ -BusType ＂DNET＂-VendorName ＂BECKHOFF＂

-ProductName ＂BECKHOFF＂ -DN_VendorId 108 -DN_ProductCode 5250

-DN_DeviceType 12 -DN_C1Interval 30 -DN_C1OutputSize -1 -DN_C1InputSize -1

EIO_UNIT:

-Name ＂ioFronius1＂ -UnitType ＂BK5200＂-Bus ＂DeviceNet1＂ -DN_Address 20

-Name ＂ioFroniusSim1＂ -UnitType ＂Virtual＂-Bus ＂Virtual1＂

-UnitLabel ＂RWArc Simulated welder＂

……

EIO_CROSS:

-Res ＂siFr1WelderOK＂ -Act1 ＂soFr1WelderOK＂

……

4 工件點焊及裝卡過程產生偏差的解決

由于待焊工件在裝卡及點焊過程中的誤差累計會造成和標準件（機器人示教的首個工件）的偏差，偏差過大則會造成焊接質量的下降，因此有必要在焊接前對工件進行檢測；焊接機器人采用SmarTac進行焊前檢測，根據計算出來的偏移值自動補償，使工件的偏差量降到焊接可以接受的范圍內。

4.1 標準SmarTac的檢測方法

在對工件進行安裝后，定義起始搜索點和終止搜索點 (此時起始搜索點和終止搜索點是同一個點)，當以后所安裝的工件發生偏移后，機器人從起始搜索點沿著終止點的方向直線搜索，直到找到終止搜索點,因此就可以計算出前后兩次終止搜索點的偏移距離，就可以得出焊縫的相對偏移距離。

4.2 SmarTac檢測信號

機器人內部集成有焊機配置文件，SmarTac需要用到標準配置文件中的以下信號：

1）兩個輸出信號：

doSE1_SEL: 用于使能SmarTac尋找功能。

doSE1_REF: 設置尋找工件時的電壓。

2）兩個輸入信號：

diSE_DET：工件檢測的反饋信號，diSE_DET=1表示工件檢測成功，diSE_DET=0表示沒有檢測到工件。

diSE_VALID: 表示檢測的電平變化信號是否有效，通常不用。

在實際檢測過程中，系統將doSE1_SEL和doSE1_REF設置為高電平，系統開始尋找工件，如果探測到工件，diSE_DET會被設置為高電平，此時機器人停止移動并記錄此時的機器人坐標點，然后計算出工件的偏移。通過使用坐標偏移語句，如PdispSet等語句系統會自動將偏移量加載到以后的路徑上。

通過上述方法，實現了通過焊絲的接觸來檢測工件的偏差，抵消了待焊件與標準件的偏差，減少了偏差造成的工件補焊，降低了工件的廢品率。

5 結束語

本設備針對箱柜焊接而開發，既可以作為單臺設備來使用；也可以通過DP或DEVICENET與外部設備進行通訊，作為生產線上一個模塊來使用；通過更改卡具，可以焊接其它類型的工件。具有可靠性高，工藝穩定等諸多優點，自交付使用以來，提高了生產效率，客戶反應良好。

[1] 崔堅, 李佳, 楊光. 西門子工業網絡通訊指南[M]. 北京:機械工業出版社, 2005.Cui Jian. Li Jia. Yang Guang. Siemens Industrial network communication guidelines [M]. Beijing. Machinery Industry Press, 2005.

[2] 西門子(中國)有限公司. SIEMENS STEP7 5.4編程手冊,2008.Siemens (China) Limited. SIEMENS STEP7 5.4 Programming Guide, 2008.

[3] ABB(中國)有限公司. SMARTAC手冊.ABB (China) Co., Ltd. SMARTAC Manual, 2005.

[4] ABB(中國)有限公司, 機器人編程手冊, 2005.ABB (China) Co., Ltd. Robot Programming Manual, 2005.

[5] 福尼斯(中國)有限公司.TPS5000焊機操作手冊, 2005.Fronius (China) Co., Ltd. TPS5000 welder manual, 2005.