基于機器人的曲線焊接系統

楊 芹 ，駱德陽 ，李 銅 ，劉 琦 ，陳 鋮

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

基于機器人的曲線焊接系統

楊 芹 1，駱德陽 1，李 銅 2，劉 琦 1，陳 鋮1

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

針對曲線結構工件的人工焊接效率低、焊接質量不穩定、人工勞動強度大等問題，基于機器人設計出一種高效率和高精度的焊接系統。本系統采用機器人與PLC聯合控制變位機的翻轉和回轉，使待焊工件的焊縫始終處于平焊或船形焊位置，利用觸摸屏設置翻轉速度和顯示整個控制系統的工作狀態，通過機器人與焊機的通訊及機器人在線示教編程，實現曲線結構工件的自動化焊接。為了保證焊接質量，采用接觸傳感和電弧傳感功能精確尋位和實時修正示教軌跡。經實際應用表明，系統運行良好，達到了預期設計目標。

曲線結構工件；機器人；焊接系統

0 前言

目前曲線結構的小型工件大多采用手工焊方式，對焊工技術要求高、人工勞動強度大，焊接質量難以保證。因此，引入焊接自動化設備十分必要，而焊接機器人和焊接專機是實現焊接自動化的兩種重要方式。焊接專機是為一種或幾種工件的焊接而設計的專用設備，對于曲線結構小型工件的焊接優勢不明顯；而焊接機器人是一種柔性的焊接設備，通過更改程序即可實現曲線結構小型工件的焊接[1]。隨著計算機技術、信息控制技術和人工智能技術的不斷發展，越來越多的機器人應用于工業生產，既保證了焊接質量又降低了工人勞動強度和生產成本[2－3]。對于復雜工件的焊接，受焊接機器人臂長和自由度的限制，焊槍難以到達某些焊縫，需加入焊接變位機拖動工件使相應焊縫處于理想的焊接位置，以方便機器人進行焊接操作[4]。本研究設計了一種基于機器人的曲線焊接系統，采用機器人和PLC聯合控制變位機旋轉和翻轉，使待焊曲線焊縫處于最佳焊接位置，然后機器人進行自動焊接。

1 系統整體設計

弧形結構件如圖1所示，屬于曲線結構件的一種。它有4條在不同面上的弧焊縫（半V坡口），為方便機器人焊接，采用座式變位機調整焊縫空間位置。為了提高焊接生產效率，設置3個工位。其中工位1和工位3為固定工位，均由柔性平臺構成，用于曲線結構件的組對；工位2由變位機構成，用于曲線結構工件的焊接。只需更換焊接工裝或夾具并改變機器人程序，即可焊接曲線結構工件。工位布局如圖2所示。

圖1 弧形工件

圖2 工位布局

2 電氣控制系統設計

焊接系統由庫卡機器人本體、機器人控制器、焊機、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的觸摸屏作為人機交互界面，通過DeviceNet總線實現機器人與焊機之間的實時通訊。由PLC和機器人聯合控制變位機翻轉和旋轉，保證焊縫處于平焊或船型焊接位置。

圖3 焊接系統框架

考慮曲線結構工件的焊接特點和生產成本，采用PLC控制變位機的翻轉，通過控制變頻器的輸出頻率來改變變位機的翻轉速度。變位機的翻轉控制方式分為手動和自動控制兩種。

為了使空間復雜曲線焊縫始終處于最佳焊接位置，需要變位機與機器人在焊接過程中同步協調運動，即在焊接過程中變位機需要一直做旋轉運動使焊縫處于最佳焊接位置，同時機器人調整焊槍位置和姿態，對焊縫實施焊接。為了方便工人現場操作，在示教功能上設置跟隨運動控制，即當變位機運動時，機器人跟隨運動，并與變位機保持相對關系。通過外部軸的示教控制和機器人的示教控制，生成了外部軸動作程序1和機器人動作程序2。同時啟動程序1和程序2，即可實現機器人與外部軸的協調運動[5]。

3 系統控制流程

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導致實際焊縫位置偏離示教軌跡。為了保證焊接質量的可靠性，系統采用接觸傳感器和電弧傳感器進行精確尋位和實時修正示教軌跡。

接觸傳感器工作原理如圖4所示。當焊絲未接觸工件待檢測位置時，由焊接電源、繼電器焊絲和工件構成的回路A處于斷開狀態，繼電器并未得電，機器人控制柜內的直流電源與繼電器的常開觸點相連的回路B也處于未接通狀態。當焊絲與工件待檢測位置接觸并發生短路時，回路A閉合使繼電器得電，其常開觸點閉合，使回路B接通后產生一個電壓信號，機器人控制柜檢測到此電壓信號時，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，先將焊絲與工件上指定的焊接起始點接觸，機器人控制系統通過接觸傳感功能記錄此起始位置作為基準位。

實際焊接中，在尋找相應焊縫的起始位置時，接觸傳感檢測出一個新位置，機器人控制系統則比較該位置與基準位置得出偏差量，然后根據偏差量計算出補償量，并將補償量反映到實際焊接起始位置上。

在焊接過程中，工件受熱不均引起熱變形，導致示教軌跡偏離焊縫實際位置。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，在擺動焊接時可以根據焊接電流反饋值的變化尋找焊縫中心，實時修正示教軌跡偏差。由于焊接電弧的長度與焊絲干伸長成正比，而焊絲干伸長與電流成反比，因此，焊接電流的變化可以反映擺動中心與坡口中心的偏移，如圖5所示。

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

圖5 電弧傳感原理

示教時，首先打開主電源給機器人上電，系統初始化完成后選擇示教模式，然后建立新程序，并選擇合適的坐標系，根據示教原則，對于圓弧焊縫通常需要3個屬性點采用圓弧插補方式確定示教軌跡，如圖6所示。利用接觸傳感器找到焊縫的起始點P1、焊縫中間點P2和焊縫結束點P3，然后采用圓弧插補方式確定焊縫位置。通過變位機的翻轉和旋轉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，通過示教器調出相應工件的焊接程序，按下啟動鍵，機器人通過接觸傳感器找到焊接起始點，并按照示教程序進行焊接。在焊接過程中，電弧傳感器實時檢測焊縫，并根據偏差量調整示教軌跡，完成焊接任務。同時，操作人員可以在工位1或工位3進行曲線結構工件組對。

圖6 圓弧示教軌跡

圖7 示教流程

4 結論

設計的基于機器人的曲線焊接系統經過實際應用，其運行情況良好，焊接位置精確，各項指標都滿足設計要求。本系統具有以下優點：

（1）自動化程度高，工人只需裝卸工件操作，降低了工人的勞動強度。

（2）采用機器人焊接，通過更換工裝或夾具和調用相應工件的焊接程序，就可以完成曲線結構件的焊接，提高了生產效率。

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

[1]劉麗麗.汽車連桿類焊接專機的設計[D].遼寧：沈陽工業大學，2008.

[2]哈恩晶.焊接機器人的應用現狀與發展趨勢[J].熱加工，2004（5）：16-18.

[3]莫金逐.焊接機器人在機械制造領域中的應用及發展趨勢[J].現代焊接，2016（8）:8-10.

[4]李志慧.大型堆焊變位機關鍵技術研究[D].河北：河北工業大學，2006.

[5]邵秋萍，劉極峰，王孜凌.基于外部軸控制的塞拉門機器人弧焊工作站[J].機械設計與制造，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

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

2017-09-15

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