自卸車廂板機器人焊接參數化編程控制系統設計

方友 熊小飛

摘 要：本文主要介紹基于機器人參數化編程在車廂板焊接控制系統設計。目前自卸車廂板的多樣化，品種多、批量小的非標定制化生產模式，大部分車廂板焊接主要依靠人工完成。傳統的機器人焊接采用現場示教及離線編程技術，難以滿足車廂板的生產焊接需求。結合機器人靈活運動與編程語言，采用機器人參數化編程焊接控制系統，無需編程示教、無需人工精準定位，結合實際客戶需求，開發具有經濟性、高效率和智能化的參數化控制系統，可以很好的解決商用車車廂板的非標定制化生產模式。隨著網絡技術和信息技術飛速發展，傳統制造業及制造技術發生了革命性變化。專用汽車生產逐漸呈現數字化、信息化的發展趨勢。

關鍵詞：車廂板;機器人;參數化編程

1 引言

自卸車作為工程車輛其中一種，大多應用于民用工程施工、礦山開采交通運輸中，在工農業生產中起到重要作用。車廂板又是自卸車的重要部件之一，對其的生產過程也越來越重視。隨著物質水平日益豐富，人們對工業產品安全性、使用壽命、外觀等要求也越來越高，車廂的焊接已直接影響產品的市場競爭力。但是目前大部分車廂板焊接主要依靠人工完成。人工焊接造成焊接質量參差不齊，人工點焊組對容易引起二次積累誤差。

2 系統方案及控制流程

2.1 硬件組成

本系統硬件由焊接機器人系統是由2套FANUC M-10iD/8L型焊接機器人、R-30iB Plus控制系統、麥格米勒焊接電源、機器人專用焊槍、清槍剪絲裝置、機器人行走系統（FAUNC聯動）、觸摸式參數化編程系統、PLC電氣控制系統、人機界面等部分組成。

2.2 控制方式和操作流程

系統主要采用工業以太網連接方式進行數據傳輸，人機界面、主控PLC系統、機器人控制器都是通過交換機進行以太網連接，機器人控制器與焊接電源采用DeviceNet通訊。

正常生產時操作人員無需對機器人做任何操作，只需要在觸摸屏界面中正確的填寫要焊接工件的尺寸，在操作面板上按一下啟動按鈕，機器人將會自動生成程序，按照既定的焊接順序完成工件的焊接。當焊接工件有變化時，對應的焊接參數有相應的調整，機器人自動調取相應的數據庫，焊接參數會根據相關界面中設置的板厚和焊腳大小要求，自動在數據庫中調用相應的參數。

3 機器人行走系統

FANUC機器人行走系統主要采用機器人外部軸在導軌上行走來實現，由于行走導軌運動采用的伺服電機和伺服驅動和機器人屬于同一系列，同時受機器人控制器控制，因此可以實現倒掛行走機機構和機器人的聯動。 機器人安裝行走地軌的成本比直接安裝幾臺機器人的成本更低，投入到生產線上可以提升生產效率，機器人行走地軌可隨意與其他設備組成生產線工作，適用大小批量生產應用，對操作人員要求低，安全效率高，實現快速生產;此外提高生產過程的自動化程度，提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現工業生產自動化，工廠可更準確地控制生產的節拍，安排生產計劃;伺服電機驅動減速機，通過獨有的齒輪齒條無間隙傳動技術，齒輪在轉動過程中始終與齒條嚙合，驅動溜板直線導軌上滑行。

4 系統主要使用功能介紹

4.1 基本弧焊指令功能包

通過加載弧焊功能包，示教器可以直接顯示并控制焊接參數，快速設定焊槍的常用動作。弧焊功能包具有如下特點：

1）模塊化的焊接程序邏輯關系，使得軟件編程簡單易懂。機器人具有控制器的軟PLC功能，能夠輕松完成多周邊設備及復雜焊縫的焊接。

2）機器人工具坐標系可將導電嘴前端的焊絲尖點定義為坐標原點，方便調節焊槍空間位置以及所需要的焊接角度。

3）當機器人檢測到起弧時發生了斷弧，會自動重新起弧。

4）機器人焊槍與外部物體相碰撞時可讓機器人立即停機，保護焊槍和機器人本體。

5）焊接過程中發生氣流量異常、焊絲用完和暫時停止時，排除故障后可直接調用“繼續上次焊接”命令，機器人可從任意位置自動到暫停的位置繼續進行焊接。

6）機器人通過示教器可以顯示整個機器人系統的運行狀態，包括程序運行狀態、焊接過程參數變化、系統參數變化、機器人當前位置、執行歷史記錄、安全信號、報警記錄等，由此客戶可以及時了解機器人系統的狀態，做到提前預防機器人系統出現問題。

7）機器人系統中的系統文件以及示教程序文件等可以存儲到機器人控制柜內部的存儲卡，也可以提取到外部設備，通過離線編程軟件編寫的程序也可以載入到控制柜內部，由此客戶可以定期備份系統文件，一旦機器人系統出現問題后可以將系統文件還原來解決機器人的相關問題。

4.2 機器人焊接專家數據庫

這一功能方便了編程操作人員的參數設定，操作人員可以根據工件的母材材質，板厚，焊絲直徑，保護氣體選擇，焊縫形式和焊角高度進行選擇，自動生成焊接參數，因此減少了編程操作人員參數試驗工作。

4.3 焊縫尋位功能

焊縫尋位是指根據焊縫的實際位置與示教位置的偏差判斷出焊縫起始點。機器人的絕對位置編碼器能夠實時記憶TCP的空間位置，當機器人按設定的程序將帶電焊絲接觸工件時，焊絲和工件之間產生電壓降，機器人控制系統收此信號時，通過比較實際位置與示教時的位置參數，進行數據修正，得到合適的焊接軌跡，此功能可通過一至兩個接觸點確定焊縫起始位置。也可以通過1D.2D.3D和3D旋轉等模式根據工件誤差程度的不同選擇需要的尋位模式，見圖1。

4.4 程序位移功能

位移功能根據已經示教的程序全部或者某一范圍的動作，使示教位置位移并變換到別的位置。因此減少了大量的編程操作人員編程工作。位移功能有如下幾類：

4.4.1 平行旋轉位移

就已經示教的程序的某一范圍的動作語句，使示教位置平行或平行旋轉位移變換到別的位置。

4.4.2 位置數據的對稱位移

就已經示教的程序的某一范圍的動作語句，使示教位置以面對稱的方式位移到別的位置。

4.4.3 角度位移功能

通過3個或4個代表點以及旋轉角的直接輸入而執行程序位移操作。此外，通過指定反復次數，可以一次性指定相同圓周上等間隔的多次位移。

4.5 擺動功能

擺動是一款預防在焊接中左右或者前后擺動焊槍的功能，可以有效的控制熱輸入量及焊接表面成型更加美觀。此功能有4種標準擺動形式，還可以根據焊接工的經驗，自定義多種擺動方法，見圖2。

4.6 焊接微調功能

在機器人焊接過程中需要實時調整焊接指令值時可以調用“焊接微調功能”實現。編程操作人員在試焊過程中實時調整的各種焊接參數可即時保存，在實際生產過程中可直接選擇調用。

5 人機界面設計

為了滿足大多數工作人員能夠簡便快速的學會該工作站的操作，采用表達直接的觸摸屏設計操作界面，免除普通工人對機器人的使用困難問題，對工作人員的技術要求低。操作人員無需對機器人做任何操作，只需要在觸摸屏界面中正確的填寫要焊接工件的尺寸，在操作面板上按一下啟動按鈕，機器人將會自動生成程序，按照既定的焊接順序完成工件的焊接。

6 參數化編程設計

針對專用車側板多品種小批量尺寸變更的示教工作冗繁問題，采用獨創的多循環交叉嵌套程序結構，結合FANUC 機器人靈活運動與編程語言，復雜的程序留給開發者，簡單的操作與使用方法留給客戶。鑒于工件的組對誤差較大，必須通過搜索確定立向下與斜向下的焊縫，從而在完成這些焊縫的焊接后，對整個工件建立起縱橫筋板的網路結點，繼而完成梁間焊接以及梁板之間的焊接。

此處采用的碰觸傳感功能，采用直流高電壓碰觸傳感器，和最新研究算法進行多維搜索與計算，以及坐標系的網點分布策略，提高了焊接的效率，并成為工件加工誤差帶來焊接軌跡的精度問題的優秀解決方案，最新的多維搜尋算法對于非垂直線條的圖形的焊接軌跡問題非常有效，也是平行四邊形以及其他圖形焊接問題的解決方法，此方法不僅效果優秀，并且無需額外增加設備的硬件成本，同時提高搜尋效率的同時無需顧慮工件的加工誤差。通過實驗數據分析顯示整個工件的焊接過程中，對于不同的板厚焊接參數不同，尋位與空運行的時間比例約30%，根據實際工件的焊接量比較大的情況以及設備中焊槍等附件的使用特點，加之程序空運行軌跡的優化，進行焊接工藝優化計算生產節拍，將進一步提高效率。

7 總結

隨著工業技術的發展，通過對機器人參數化的控制設計， 將機器人弧焊控制技術充分發揮出來。通過應用研究和二次開發，實現技術創新和關鍵設備的產業化，對機器人的使用更加智能化。

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