組成機(jī)器人自動(dòng)電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)的路徑淺析

余正富

（長(zhǎng)沙安萊德汽車零部件有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

前言

制造一臺(tái)車需要用到點(diǎn)焊、鉚接、弧焊等眾多連接工藝，連接工藝越精巧，越嫻熟，那么設(shè)備的強(qiáng)度、抗腐蝕性、可靠性、安全性就會(huì)大大提高，點(diǎn)焊工藝是連接工藝中的常用工藝，也是主要工藝，研究點(diǎn)焊工藝對(duì)于工業(yè)設(shè)備的成本、能耗、效率還有安全等方面有很大的促進(jìn)作用。

1 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)的組成

機(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，日本的FANUC 株式會(huì)社研發(fā)的“FANUC 2000iB210F”全電動(dòng)型工業(yè)機(jī)器人銷量遍布全球，被廣泛應(yīng)用于弧焊、點(diǎn)焊、處理、裝配、噴漆等工業(yè)制造的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)。機(jī)器人系統(tǒng)的引入打破了傳統(tǒng)焊接那種勞動(dòng)力密集型的工作模式，讓焊接質(zhì)量的波動(dòng)得到控制，生產(chǎn)效率可以維持在一個(gè)較為平穩(wěn)的范圍內(nèi)。機(jī)器人的電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)由七個(gè)部分組成，我們需要先解析這七個(gè)組成部分，然后再探討電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案：

1.1 系統(tǒng)組成

在機(jī)器人自動(dòng)點(diǎn)焊系統(tǒng)中，PLC、機(jī)器人、焊機(jī)、焊鉗是幾個(gè)比較主要的組成部分，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、電極修磨器、配電系統(tǒng)等是電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)中的重要輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)分成兩層網(wǎng)絡(luò)。PLC 是機(jī)器人自動(dòng)電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)中第一層網(wǎng)絡(luò)的主控制單元，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的信號(hào)輸出輸入，整個(gè)工位的運(yùn)轉(zhuǎn)需要由PLC 負(fù)責(zé)。PLC 的控制設(shè)備包括工位夾具、機(jī)器人、轉(zhuǎn)臺(tái)、滾床、輸送鏈、光幕、光柵、掃描儀等。電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)的第二層網(wǎng)絡(luò)以機(jī)器人作為主控制單元，負(fù)責(zé)焊機(jī)焊槍、涂膠設(shè)備、抓手、鉚接設(shè)備等部件的運(yùn)作。

1.2 機(jī)器人構(gòu)成

機(jī)器人的組成分成三個(gè)部分，控制系統(tǒng)、手持操作編程器還有最關(guān)鍵的機(jī)器手，整個(gè)組件由六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，這使得機(jī)器人沿XYZ 向和XYZ 向進(jìn)行六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的空間運(yùn)動(dòng)，機(jī)器手的動(dòng)能由控制系統(tǒng)操作機(jī)器人的伺服電機(jī)提供。機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)軸有很高的定位精度以及運(yùn)動(dòng)速度，重復(fù)定位可控制在±0.08 mm 內(nèi)，且能按照2～3 m/s 的速度移動(dòng)，通過(guò)編程，機(jī)器人可以高效靈活的完成點(diǎn)焊工作中的復(fù)雜作業(yè)[1]。

1.3 焊機(jī)/焊接控制器

焊接使用梅達(dá)MID-05A-IC-PNET 焊接，基于WinCC 操作系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)控制，采用的架構(gòu)為WinCC7.4 SP1 CS，通過(guò)V1456WinCC 進(jìn)行圖形運(yùn)行，最大可連接4 個(gè)客戶機(jī)，配備鈦合金錫池、鈦合金泵、免維護(hù)微滴噴涂助焊劑系統(tǒng)。

1.4 冷卻循環(huán)水控制單元

水氣供給單元需要具備過(guò)濾、檢測(cè)、控制等功能，單元面板包括進(jìn)氣回路、進(jìn)水回路、回水回路等三個(gè)部分；除此之外單元面板外設(shè)置有安全圍欄，回路組成包括過(guò)濾減壓閥、油霧分離器、殘壓釋放閥、數(shù)顯壓力開關(guān)、電氣比例閥以及快換接頭，閥門處連接消聲器。水源接入黃銅球閥后通過(guò)鍍鋅管依次連接水過(guò)濾器、電磁閥接入快換接頭[2]。電控夾具采取供應(yīng)硅碳棒不銹鋼夾具，夾連接帶使用硅碳棒夾具對(duì)其進(jìn)行固定，接觸元件的連接導(dǎo)線采用鋁紡織帶或多層鋁箔，導(dǎo)線的末端與母線聯(lián)結(jié)。

2 機(jī)器人電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

如前文所提，點(diǎn)焊系統(tǒng)是一個(gè)大系統(tǒng)方案囊括各個(gè)小系統(tǒng)方案，我們分析了電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)中的系統(tǒng)組成、機(jī)器人構(gòu)成、焊機(jī)/焊接控制器、冷卻循環(huán)水控制單元四個(gè)組成部分，那么為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，我們就要規(guī)劃配電配網(wǎng)方案、安全方案、焊接通電時(shí)序控制方案、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)方案等幾個(gè)實(shí)現(xiàn)方案，如此才能保證機(jī)器人電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)的有效運(yùn)行。

2.1 PLC 設(shè)計(jì)方案

PLC 選用西門子的西門子CPU319F-3PN/DP，系統(tǒng)以WinCC 進(jìn)行外部通訊連接以及指令傳輸，系統(tǒng)具備自然語(yǔ)言理解，通過(guò)對(duì)代碼指令的編寫和圖像分辨率，PLC 可以實(shí)現(xiàn)“人”“機(jī)”之間的信息交流。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后，接收來(lái)自LOCO的生產(chǎn)指令。同時(shí)也適時(shí)將過(guò)程數(shù)據(jù)（如產(chǎn)量、濕度、溫度、壓力等）進(jìn)行上傳與采集，同時(shí)采集的數(shù)據(jù)能幫助使用者進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用于改善產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)計(jì)劃等。CPU319F-3PN/DP 的性能非常良好，得益于西門子的全新架構(gòu)，該CPU的性能相對(duì)之前的版本提升了 50%以上，通過(guò)集成PROFINET 接口，CPU319F-3PN/DP 可以連接分布式站中的安全I(xiàn)/O 模塊，同時(shí)也能連接安裝在中央機(jī)架中的ET200M故障安全I(xiàn)/O 模塊，從而形成集中或者分布式操作標(biāo)準(zhǔn)模塊，并集成Web 服務(wù)器，用于組建的CBA 系統(tǒng)自動(dòng)化，保證PROFIBUS DP 智能設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 斷路器設(shè)計(jì)

斷路器動(dòng)觸頭結(jié)構(gòu)包括觸頭框架1，所述觸頭框架1 設(shè)有轉(zhuǎn)軸103，所述觸頭框架1 內(nèi)安裝有并聯(lián)導(dǎo)體、觸頭彈簧，其特征在于：所述并聯(lián)導(dǎo)體包括一組主觸頭2 和一組弧觸頭3，所述主觸頭2 和弧觸頭3 均設(shè)有用于穿過(guò)轉(zhuǎn)軸103 的轉(zhuǎn)軸孔，所述主觸頭2 的觸點(diǎn)位置4 與轉(zhuǎn)軸孔之間的距離大于或小于弧觸頭的觸點(diǎn)位置4 與轉(zhuǎn)軸孔之間的距離。現(xiàn)有的斷路器動(dòng)觸頭只設(shè)有一組主觸頭，導(dǎo)體數(shù)量依據(jù)不同的使用要求而不盡相同，少至三個(gè)，多至十幾個(gè)甚至更多，在原來(lái)并聯(lián)導(dǎo)體數(shù)量、寬度不變的情況下，設(shè)置一組弧觸頭，觸點(diǎn)與轉(zhuǎn)軸孔之間的距離變小時(shí)，觸頭電動(dòng)斥力中的補(bǔ)償力得到提高，各動(dòng)觸頭片所受電動(dòng)斥力會(huì)減小；反之，各動(dòng)觸頭片所受電動(dòng)斥力會(huì)增大。主、弧觸頭在受到電磁斥力時(shí)作用力與力臂不同，在短時(shí)耐受電流時(shí)，主、弧觸頭之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)輪番斥開現(xiàn)象，而當(dāng)其中一組觸頭斥開時(shí)，另一組觸頭在觸頭彈簧反力的作用下，又與靜觸頭接觸，這樣在同一時(shí)間，總有一組觸頭在通電，因此，在產(chǎn)品承受短時(shí)耐受電流時(shí)，動(dòng)、靜觸頭之間不會(huì)完全斥開，因而提高了產(chǎn)品的短時(shí)耐受電流能力。

2.3 焊機(jī)/焊接控制器

設(shè)計(jì)師需要借助虛擬操作迅速發(fā)展焊接期間存在的主要缺陷問(wèn)題，明確導(dǎo)致性能受到影響的主要因素，使焊接系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)下啟動(dòng)機(jī)器人焊接后，通過(guò)NNC-ANNS inversedynamics 模型學(xué)習(xí)裝置組成一般比例-積分-微分控制裝置反饋控制器，進(jìn)而確保ANNS 控制系統(tǒng)全局處于穩(wěn)定狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上起到參考模型作用，同時(shí)給出NNC -ANNS 的誤差信號(hào)，使NNC -ANNS 實(shí)現(xiàn)同步控制，讓焊接系統(tǒng)在控制開始及系統(tǒng)系數(shù)出現(xiàn)改變時(shí)，可以依靠逆動(dòng)態(tài)特性時(shí)對(duì)系統(tǒng)予以控制，并通過(guò)訊號(hào)指示完成焊鉗夾緊、加壓、通電、加壓釋放等工序，而為實(shí)現(xiàn)焊接工藝效益的最大化，我們要進(jìn)行機(jī)架結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)、焊接機(jī)整體移位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。

2.4 冷卻循環(huán)水控制方案

冷卻循環(huán)水通過(guò)水氣電橋架對(duì)焊接設(shè)備進(jìn)行冷卻，水冷系統(tǒng)是保證電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)能否持續(xù)自動(dòng)焊接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，冷卻水控制單元依靠信號(hào)進(jìn)行設(shè)備控制，循環(huán)水回路的進(jìn)水回路開關(guān)由系統(tǒng)的電磁閥控制，利用單向閥導(dǎo)通冷卻水回路，讓水流循環(huán)經(jīng)過(guò)單向閥完成系統(tǒng)的冷卻效果，關(guān)閉單向閥，則冷卻水回路斷開，這樣便能阻止出水回路的冷卻水在設(shè)備停轉(zhuǎn)之后繼續(xù)回流的情況發(fā)生。

控制單元的信號(hào)為電子脈沖流量計(jì)，通過(guò)導(dǎo)通流量值高低起到公差帶的作用，如果水流量發(fā)生異常，電子脈沖流量計(jì)的信號(hào)反饋會(huì)轉(zhuǎn)變成低電平，工作人員便會(huì)知道出現(xiàn)循環(huán)水異常的問(wèn)題。