汽車點焊機器人控制系統的設計

梁文禎

(廣東水利電力職業技術學院，廣東廣州510635)

0 引言

隨著國內汽車行業的迅猛發展，工業機器人的應用越來越廣泛。焊接技術是汽車制造業中的重要環節。隨著現代高技術產品的發展和對焊接產品質量、數量的需求不斷提高，以焊接機器人為核心的焊接自動化技術已有了長足的發展［1］。汽車工業是點焊機器人系統一個典型的應用領域，在裝配每臺汽車本體時，大約60%的焊點是由機器人完成［2］。焊接機器人的自主化和智能化對于減輕工人的勞動強度和提高機器人的焊接質量具有重要意義。因此，汽車點焊機器人控制系統的研發顯得尤為重要。筆者設計了一套汽車點焊機器人控制系統。

1 系統總體方案

汽車點焊機器人控制系統由控制器、人機界面、焊接機器人、電極研磨器、焊接控制器、操作臺、夾具以及安全保護裝置組成，如圖1 所示。

2 系統硬件設計

2.1 控制器

控制器選用OMRON CS1 PLC，具有快速的掃描時間，較大的I/O 吞吐量，足夠大的內部RAM，支持DEVICENET 總線技術通訊，中、大規模的程序存儲容量和數據結構，對二進制和浮點運算具有較高的處理能力的特點。

2.2 焊接機器人

為了滿足生產要求，點焊機器人選用關節式工業機器人，一般具有六個自由度:腰轉、大臂轉、小臂轉、腕轉、腕擺及腕捻。其驅動方式有液壓驅動和電氣驅動，其中電氣驅動具有保養維修簡單、能耗低、速度快、精度高、安全性好等優點。汽車點焊機器人要求動力強勁，結實可靠，焊槍定位精度在±0.4 mm 以下。本系統選用KUKA KR2000 機器人，具有最大負荷200 kg，焊槍定位精度為±0.1 mm，工作穩定，運動速度快等特點，能夠滿足系統需求［3-4］。

2.3 焊接控制器

焊接控制器選用Rexroth Bosch 焊接控制器，能夠對電極壓力(預壓、加壓、維持、休止)時間和電極電流(預熱、焊接、熱處理脈沖)時間進行任意編程，具有電極焊接計數、自動報警、提示修磨電極更換的功能。

2.4 電極研磨器

電極研磨器選用ORARA 的V 型電極研磨器，具有防止上下電極的對中偏差，短時間內進行切削，低噪音的電動馬達加齒輪驅動，內置能減緩對焊槍和研磨器造成沖擊的平衡器的特點。

2.5 安全保護裝置

為防止機器人作業時造成傷人事故，采用多重安全防護技術。安全防護包括急停控制回路和安全控制回路。常用的安全保護裝置有安全光柵、安全鎖、安全繼電器、光電開關、安全地毯、安全激光掃描儀等。安全保護的設計采用雙通道結構的安全回路，嚴重的安全信號能令機器人急停，較低的安全信號令機器人暫停。

2.6 夾具

在焊接過程中，合理的夾具結構有利于合理安排流水線生產，便于平衡工位，降低非生產用時。汽車焊接材料主要是薄鋼板，剛性差、易變形。在結構上，焊接散件大多數是具有空間曲面的沖壓成形件，形狀和結構復雜。有些型腔很深的沖壓件，除存在因剛性差而引起的變形外，還存在回彈變形。因此，在焊裝過程中必須使用多點定位的專用焊裝夾具，以保證部件整體的焊接精度［5］。

3 系統軟件設計

3.1 控制系統主程序的設計

點焊機器人控制系統經過一系列的初始化設備后，進入主循環。主循環主要是判斷故障，處理操作臺和人機界面，控制夾具、點焊機器人和焊接控制器。采用OMRON 公司的軟件包CX-Programmer 軟件，支持語句表(STL)、梯形圖(LAD)和控制系統流程(CSF)。控制系統主程序包括:(1)MAIN 子程序負責操作臺上的按鈕，選擇開關，急停開關等狀態的讀取，判定操作者在此操作臺上設定的操作模式;(2)DISPLAY 子程序負責相關功能界面的選擇，完成觸摸屏的顯示、觸摸屏上對各設備的操作;(3)JIG1 和JIG2 子程序負責夾具上接近開關，行程開關，氣缸上磁性開關等狀態的讀取，完成夾具的時序控制;(4)ROBOT 子程序完成機器人初始化，實現機器人的各種動作時序的控制以及機器人的狀態報警等等;(5)TIMER_TIPDRESS 子程序負責監視當前生產數，控制修磨時間以及電極更換。

3.2 操作臺和人機界面程序的設計

控制系統的人機接口包括操作面板、觸摸屏和機器人示教盒。在操作面板上，可實現系統運行方式的切換、作業程序號選擇、故障復位、工件裝夾、夾具調試、急停和系統狀態顯示等功能。觸摸屏顯示系統各部分的工作狀態，并且完成一些手動操作、參數輸入、查看報警信息等。示教盒完成機器人的示教編程及機器人工作狀態參數的設置和顯示。

3.3 焊接機器人控制程序的設計

機器人動作控制和作業信號處理是焊接機器人的主要任務。機器人動作控制采用示教再現或離線編程法(OLP)實現。機器人對系統狀態信號進行動態實時監控和響應，并且具程序中斷、斷點數據自動記錄和從斷點恢復執行的功能。PLC采用DEVICENET 總線與KUKA 機器人進行通訊，控制機器人完成各個生產工藝。KUKA 機器人擁有128 個中斷，但同時運行的中斷不能超過32 個。中斷用于異常情況或剎車等緊急情況，并且直至問題被排除才退出中斷服務，回到程序繼續執行。

3.4 焊接控制器參數的設計

系統使用BOSCH 6000 系列中頻逆變焊接控制器。利用該控制器配置焊接過程的參數(包括預壓延遲時間、預壓時間、預熱時間、預熱熱量、冷卻時間1、上升加熱時間、上升加熱熱量、焊接時間、焊接熱量、下降熱量時間、下降熱量結束值、冷卻時間2、冷卻時間3、回火時間、回火熱量、保持時間以及休止時間)。控制器與焊接機器人進行通訊，根據上面配置的焊接參數以及相應的焊接規范進行焊接，最終完成機器人的指令。

4 結束語

文中設計的汽車點焊機器人控制系統已經運行一年多。機器人采用6 自由度，重復定位精度可達到±0.1 mm，停機率低，運行穩定。實踐應用表明，系統滿足了工廠的汽車焊接工藝要求，取得了良好的社會效果和較好的運營效益。

【1】林尚揚，陳善本，李成桐.焊接機器人及其應用［M］.北京:機械工業出版社，2000.

【2】盧本.焊接機器人的類型和應用［J］.現代焊接，2006，7(6):11 -15.

【3】陳善本，林濤.智能化焊接機器人技術［M］. 北京:機械工業出版社，2004.

【4】方少勇.焊接機器人在汽車座椅骨架焊接中的應用［J］.焊接技術，2008，37(1):62 -64.

【5】趙靜，張俊華，李春植，鄧早春. 汽車車身焊裝生產線和焊裝夾具簡介［J］.現代制造技術與裝備，2007(1):51 -53.