工業機器人在船廠焊接中的電控技術應用

張俊杰

（中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063）

0 概述

焊接機器人通常用于汽車制造領域，用以焊接標準化的汽車部件。船舶屬于非批量生產的產品，船體各部件不會像標準化產品一樣具有統一規格，只可依類進行劃分。船舶部件介于船體拼裝前的物料鋼板和分段之間，由兩個及以上鋼板組合而成的，其加工具有承上啟下的作用。因此船體部件加工的好壞直接影響到整船結構建造的進度和質量。目前多數船廠的部件生產是以固定工位式為主，使用起重機吊運，結構焊接等工藝采用人工操作完成，焊接質量取決于工人多年的經驗。這類高重復、高污染的生產模式勢必將因物聯網和船廠智能化的發展而被機器所取代。目前已有數家船廠將固定工位、車間吊運式及人工焊接為主的部件焊接生產線改造為以輥道移動平臺式搬運，并采用門架式焊接機器人進行焊接作業。引入焊接機器人技術并結合后續人工修補、矯正工位所生產出的部件用于后續分段的加工，不僅在產品質量和精度方面有著質的飛躍，而且可以將生產者從高重復、高污染的工種中解放出來.的焊接效果；焊接后將數據參數導入到數據庫中，并通過企業資源計劃（ERP）系統及企業生產過程執行系統（MES）軟件進行焊接部件參數分析、資源調配及焊接生產管理相關方面的應用。

1.1 門架系統

機器人要對移動工位上運來的平面拼板或立體組件進行焊接加工，需采用移動式的門架作為載體。門架由穿梭于機器人焊接工位的大車行走機構，帶動機器人到達焊接點的小車行走機構以及輔助機器人旋轉運動的小車旋轉機構組成。三個機構均通過PLC及伺服控制器進行運動控制，并與控制機器人的PLC通過通訊協議進行數據交換，用于相關運動機構的協同作業。

1.2 機器人控制系統

機器人本體是由兩臺六軸焊接機器人組成，懸掛于

1 系統介紹

圖1 焊接機器人主系統

智能化船廠焊接機器人生產線主要是由門架、機器人、物聯三部分硬件設備（如圖1所示）及一套完整的操作控制軟件和管理系統組成。該系統中焊接機器人使用移動的門式門架吊運至工作工位，并通過各類物聯設備進行焊接前定位、尋找焊縫；焊接中焊縫跟蹤矯正，已達到最優門架上進行焊接作業。之所以選用兩臺機器人，是因為平面拼板及立體組件均需要使用雙面焊接工藝，由兩臺焊接機器人協同作業完成相關工作。焊接機器人控制器連接主控制柜內的PLC并與可視化操作界面、各類傳感器、編碼器以及焊接尋位、焊縫跟蹤等其他物聯設備進行數據交換和控制應用。同時機器人與門架系統通過通訊數據交互組成一套完整的系統設備，該系統中焊接機器人的六軸與門架各機構的外部軸聯動進行精準的焊接作業。

1.3 物聯系統

不同于標準化設備的焊接工藝，實現船體部件及組立進行精準定位焊接要復雜許多，物聯設備對此起到了舉足輕重的作用。其系統包括焊接前的部件識別系統、部件放置到位后視覺定位系統、焊接運行前機器人焊槍尋位系統以及焊接運行時的焊縫跟蹤系統這五個部分組成。

1.4 軟件系統

機器人軟件系統由控制系統和人機界面、SQL數據庫以及MES和ERP系統三個部分組成。操作人員通過可視化人機界面讀取物聯設備參數，并將需要設定的焊接各參數值寫入到機器人控制要求當中，當機器人進行焊接工作時實時反饋的參數寫入到SQL的數據庫當中。操作人員可通過人機界面隨時調用數據庫并查看相關的焊接和系統運行數據.建立一套完整的工廠自動化系統,船廠可選用一套合適的MES系統調用SQL數據庫形成一整套的生產信息化數據，并且使用ERP系統進行數據分析，可用于船廠部件焊接資源管理調用。

2 關鍵技術實現及組態應用

2.1 門架系統關鍵技術

為了保證門架系統大車及小車行走機構移動位置的精確性，兩個機構均采用齒輪驅動、齒條傳動以帶動導向輪行走的機械運動模式。該運動模式采用了門架兩邊雙電機伺服同步驅動，電控方面采用西門子S7-1500系列PLC通過V90伺服驅動系統驅動伺服電機可實現其精準位移功能。

焊接機器人的選型及網絡組態的實現:焊接機器人分為點焊、弧焊及激光焊三大類。船廠部件需要通過連續的焊接軌跡運動進行作業，因此選用弧焊機器人最為通用。如果船廠需要對復雜的曲線焊縫及大型焊件進行自動化焊接時也可考慮采用激光焊接機器人。方案對于機器人本身的選型并無特別偏好要求，KUKA（庫卡）、ABB、FANUC（發那科）和YASKAWA（安川）四大品牌均在船舶及其他行業焊接生產線上得到了廣泛的應用，設計選用KUKA KR30系列機器人配備KRC4機器人控制柜，并通過PROFINET協議與西門子S7-1500 PLC及焊機進行通訊。機器人可通過KUKA.PLC mxAutomation與西門子S7-1500PLC所使用的TIA Portal軟件無縫協同實現軟件控制。

圖2 KUKA機器人連接S7-1500 PLC通訊網絡圖

2.2 物聯技術

2.2.1 物料識別技術

物料進入機器人焊接生產線前需要自動識別其規格，以便在半自動化焊接前操作人員進行相應參數設定。通常物料識別可采用掃碼或近場無線射頻識別（RFID）技術，方案設計時該功能的實現盡可能采用全自動方式。如使用掃碼技術，掃碼槍及編碼位置需要彼此固定，這對于多規格的船用鋼板來說顯然難以實現。而采用有源高頻無線射頻設備，則可將有源電磁耦合標簽貼在物料鋼板上，當鋼板靠近固定于生產線的收發閱讀裝置時，收發裝置發射高頻電磁信號進行讀寫，即使在有物料遮擋的情況下也可順利的讀取相關信息，因此工況中近場無線射頻識別技術更加易實現。設計采用RF380R系列讀寫器配備RF320T或350T電子標簽識別進入進料區域的鋼板物料。

2.2.2 視覺系統技術

實現半自動化焊接，物聯定位可采用帶有十字光標的視覺設備。該設備通過通訊數據交互，將設備中十字光標的交叉中心點與門架伺服電機所反饋的精確位置匹配，嵌入并顯示于人機界面的對話窗內。操作人員通過移動操作臺上的操作桿，設定焊接起始及終點位置參數后，焊接機器人即可按照設定軌跡進行自動焊接。

實現全自動化焊接，仍需此視覺系統人工校驗鋼板端部坐標點后，再根據預先錄入的焊接路徑信息進行視校及焊接工作。

2.2.3 尋位及焊縫跟蹤系統技術

尋位及焊縫跟蹤均可采用焊槍接觸式或激光反射式兩種方法。

焊槍接觸式尋位原理為焊槍端部傳感器與工件兩端點進行觸碰形成電壓反饋，以便尋找焊縫坐標。焊縫跟蹤則是在焊接時，焊槍根據焊接電流值的反饋進行位移修正和補償的。當焊槍沿焊縫工作時，焊槍端頭與拼板焊縫相對位置會因抖動而產生偏移，此時電弧電流與給定電流出現偏差，程序會根據偏差值調整焊槍位置，使電流反饋值趨向于未偏差時數值。設計可采用KUKA自帶的TouchSense（焊槍尋位矯正）軟件技術實現此功能，并在KR C4中進行矯正速度設定。

激光反射式焊縫尋位原理是在焊槍上安裝激光尋位傳感器，傳感器發射點狀或線狀激光形成漫反射反饋來判斷焊縫的位置。激光反射技術速度及準確率都具有良好的效果，特別是應用于曲線焊縫焊接。如設計加裝激光反射設備，可通過使用KUKA KR C4自帶KUKA.SeamTech（激光焊縫尋位、跟蹤、矯正）軟件技術實現此功能。

使用較低成本的焊槍尋位技術還是激光反射技術，取決于焊接效率要求及焊縫的復雜程度。

2.4 軟件技術應用

自動化焊接系統的實現離不開智能化控制軟件的開發，其開發分為以下幾方面。

2.4.1 人機界面、控制系統及通信協議的開發

人機界面的開發是操作人員為焊接機器人設定參數、實現控制和讀取數據的窗口。通常在自動化行業里使用工控標準視窗監控及控制軟件（如西門子WINCC，三菱的Soft GOT 2000）作為主系統，系統內嵌入C#控制界面子程序，同時調用OPC 服務器用于與各設備的通訊連接。

本設計使用西門子品牌PLC作為控制硬件，因此使用WINCC作為標準視窗軟件。其軟件模塊包括人員和權限數據、設備運行及焊接狀態的監控日志、數據讀寫、焊接數據報表、狀態故障報警等。

如圖3、圖4所示，焊機參數設定以及半自動焊接視教功能則是由C#編寫的套嵌于WINCC的執行程序處理，操作人員將各個焊接設定參數及通過視覺定位確定的焊接起止位置數據下發給機器控制系統后，機器人通過2.3節中介紹的物聯技術校準并執行焊接工藝。在半自動焊接系統構建應用成熟后，除了進行預先錄入的焊接路徑方式進行全自動焊接外，還可通過機器光學識別技術設備掃描焊接部件，并且比對導入數據庫的圖紙數據，執行全自動化焊接。

2.4.2 數據庫的應用

WINCC開發的人機界面、C#開發調用的子程序以及用于生產線整體管理的MES和ERP系統均需調用微軟SQL server數據庫。

本方案數據庫主要應用于三個方面：1）半自動化焊接前用于存儲操作人員輸入的焊接資料供焊接程序調用執行。2）焊接過程中存儲焊接電流、電壓、送絲速度等相關數據并顯示于人機界面相關頁面上。3）焊接完成后相關人員可調用焊接數據以及日志數據生成的報表，當焊接出現故障時相關人員還可調用故障報警記錄。

圖3 焊接參數設定及執行程序畫面

圖4 視覺定位參數設定及焊接命令執行畫面

當廠區整個焊接部件生產線的物聯及控制系統搭建完善后，數據庫可被SAP、Oracle等公司所定制的MES及ERP系統進行調用。

2.4.3 調用WINCC及套嵌C#程序通訊及主要相關命令解析

工控主機與PLC、機器人組網后，使用WINCC及C#執行程序并通過PLC給機器人下達工作指令及讀取機器人相關狀態。WINCC可以通過自身的軟件配置將PLC的IO地址與機器人相應地址進行匹配，而C#的執行程序則需要調用相關編程語句實現其通訊及給機器人下達命令的功能。

1）C#通訊功能實現：

實現此功能C#套嵌程序需要調用OPCServer中西門子S7連接方式與PLC進行通訊，并通過調用設定的DB塊與機器人建立數據執行連接

conststring OpcServer = “S7:[S7 connection_1]”;//C#執行程序使用OPC服務器S7方式建立連接

staticstring StackerReadFromPlc = “DB11,”;

staticstring StackerReadToPlc = “DB10,”; //C#執行程序通過PLC DB10和DB11塊與機器人通訊

2）如圖4所示，C#如想調用視覺系統輸入的焊接位置（既伺服電機編碼器輸入給PLC的值）并作存儲，可調用以下節選關鍵執行命令：

staticreadstring StartXFromPlc = OpcServer +StackerReadFromPlc + “DINT0”;

//從PLC獲取X坐標起點位置的DB塊地址

staticwritestring StartXToPlc = OpcServer +StackerWriteToPlc + “DINT0”;

//確認視覺系統輸入的起點位置發送給PLC的DB塊

privatevoid btGetStartLocation_Click(object sender,EventArgs e)

var values = OPCHelper.OPCRead(opcReadStartItem);tbStartX.Text = values[0].ToString();

//將獲取起點位置顯示于WINCC界面

privatevoid btWriteLocation_Click(object sender,EventArgs e)

var opcValues = newList＜Object＞()；float.Parse(tbStartX.Text)

//將始端值發送給PLC

privatevoid btStartWelding_Click(object sender,EventArgs e)

if (OPCHelper.OPCWritePoint(StartWorkToPlc,true))

MessageBox.Show(“啟動焊接成功！");

//啟動半自動焊接程序

3 電控系統組態

方案使用西門子S7-1500 PLC作為控制機器人及門架系統的主控制設備，通過SCALANCE X-200IRT交換機并采用西門子PROFINET IRT協議與V90系列伺服控制器、SIMATIC RF380R無線射頻等物聯設備以及裝有WINCC及嵌入C#程序的電腦工作站連接。并連接機器人及門架操作臺。系統運行過程中，機器人焊接工作指令及門架運動指令的數據包傳遞可通過IRT通道進行傳送，其他數據庫調用的報文傳送可通過標準TCP/IP報文進行傳遞。已達到運動控制和數據查看最優配置效果。

圖5 焊接機器人控制系統網絡拓撲圖

4 結束語

機器人在船廠焊接中的應用承載了多項跨領域技術，將各項技術整合是一項巨大的工程。因此深入的學習、理解和掌握其中的關鍵技術是將可實施方案應用于船廠自動化焊接機器人生產線的核心，并且該技術在每一步的搭建、實驗及實施的過程中都會產生延伸和擴展。例如通過無線射頻技術識別工件，人工手動輸入起止點的半自動化焊接應用成熟后，使用視覺自動識別技術對比及調用CAD圖紙轉化出的計算機識別圖形數據，并根據數據中提供的焊接信息參數，利用AI技術實行全自動化的焊機將成為下一步的發展方向。