機器人焊接過程柔性控制系統(tǒng)研制

周坤，趙寶，楊戰(zhàn)利，劉福海，付傲，李洪濤，王海波，闞盈

1.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

2.北京星和機器人自動化技術(shù)有限公司 北京 100176

3.中國科學(xué)院金屬研究所 遼寧沈陽 110016

1 序言

國內(nèi)航空航天、軌道交通等高端裝備制造領(lǐng)域小批量專用零部件焊接需要高度柔性化，在焊接過程中需實時調(diào)整焊接軌跡和焊接參數(shù)[1]。機器人是高柔性化的機電一體化產(chǎn)品，目前國內(nèi)機器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用量占其整體行業(yè)應(yīng)用量的42%，且逐年遞增[2]。但目前國內(nèi)的機器人焊接生產(chǎn)應(yīng)用只能在焊前規(guī)劃焊接路徑和焊接參數(shù)，很少能夠?qū)C器人自動化運行過程中的相關(guān)焊接信息進(jìn)行適應(yīng)性干預(yù)[3]，這就需要對其進(jìn)行二次開發(fā)。由于焊接過程中不可避免地存在材料收縮導(dǎo)致的外形輪廓誤差，以及由此引發(fā)的填充金屬量增大或減少問題，因此，該項技術(shù)的研究對高效自動化焊接設(shè)備的研發(fā)具有十分重要的意義，也是智能制造的重要一環(huán)[4]。

2 設(shè)備控制系統(tǒng)組成

質(zhì)量控制技術(shù)的實現(xiàn)依托于機器人工作站（見圖1），由6軸機器人本體和L形變位機組成，配置TIG焊機及外圍PLC控制系統(tǒng)。

圖1 設(shè)備系統(tǒng)組成

設(shè)備控制系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)、焊接控制系統(tǒng)組成，PLC與機器人之間為雙向PROFINET通信，機器人與焊接系統(tǒng)為雙向ETHERCAT通信，控制指令在上位機設(shè)定，通過PLC傳遞給機器人，由機器人執(zhí)行相應(yīng)焊接動作，焊接程序過程為初始化程序，打開機器人數(shù)據(jù)流接口RSI，焊接開始后啟動電弧跟蹤，系統(tǒng)會將實際的電弧電壓傳回機器人與設(shè)定值做比較來實時調(diào)整焊接高度，焊接結(jié)束關(guān)閉焊縫跟蹤。水平對中依靠電弧攝像來手動實時調(diào)節(jié)焊縫中心。焊接過程中可以實時調(diào)整焊接電流、電弧電壓、送絲速度和送氣流量等參數(shù)，并通過專有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和記錄。在焊接過程中對焊接軌跡與焊接參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整，有效地提高了焊接質(zhì)量，提升了焊接系統(tǒng)的柔性。

圖2所示為系統(tǒng)運行的流程，通過二次開發(fā)機器人底層系統(tǒng)實現(xiàn)實時的電弧跟蹤和軌跡干預(yù)等功能。

圖2 軟件工作流程

3 系統(tǒng)運行程序與控制流程

3.1 基礎(chǔ)流程控制

機器人世界坐標(biāo)系下，根據(jù)右手定則確定X、Y、Z分別為笛卡爾坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)方向（X為垂直運動方向，Z為高度運動方向）[5]。PLC與機器人的信號流交互通過RSIVISUAL軟件編制，圖3所示為RSI程序，機器人基坐標(biāo)的X、Y、Z值通過與PLC的信號流實時改變基座標(biāo)值，從而改變焊接路徑。

圖3 RSI流程控制圖

普通電弧跟蹤需要進(jìn)行擺動焊接采集坡口兩端焊接電流和電弧電壓，通過計算實現(xiàn)焊縫的實時跟蹤。本系統(tǒng)在焊接過程中，由于需要控制焊縫寬度和成形，所以焊接過程不進(jìn)行擺動，焊接水平方向通過高動態(tài)電弧攝像來觀察焊縫中心（見圖4），PLC主控系統(tǒng)通過RSI信號流實時改變焊槍與焊縫中心相對位置，從而實現(xiàn)焊縫的對中。焊縫高度方向調(diào)整通過電弧的反饋值與設(shè)定值差值的整定值來實現(xiàn)高度的實時跟蹤。

圖4 電弧攝像焊縫中心

3.2 機器人執(zhí)行過程程序

機器人KRL程序代碼：

3.3 起始點尋位功能

焊前通過相機對焊縫始端進(jìn)行拍照，將焊縫輪廓提取后計算出焊縫中心X位置，將X坐標(biāo)傳遞給機器人進(jìn)行起始點糾偏。圖5所示為焊縫通過提取輪廓后的邊緣圖像，經(jīng)過數(shù)據(jù)提取后將相機坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機器人世界坐標(biāo)確定起始焊接位置。

圖5 經(jīng)過 SOBEL算子處理的焊縫圖像

3.4 系統(tǒng)軟件界面功能

焊接電流、電弧電壓、焊縫X、Y、Z方向可通過人機界面實時干預(yù)調(diào)整，當(dāng)關(guān)閉電弧跟蹤時，Z方向可以通過外部給定進(jìn)行手動調(diào)整，圖6所示為實時參數(shù)調(diào)整界面。焊接程序共分為7段，可以在焊接過程中實時調(diào)用分段工藝來改變焊接段參數(shù)，圖7所示為分段參數(shù)設(shè)置界面。在焊接時可以通過示教器實時調(diào)整焊接的軌跡，圖8所示為焊接路徑實時調(diào)整界面。

圖6 實時參數(shù)調(diào)整界面

圖7 分段參數(shù)設(shè)置界面

圖8 焊接路徑實時調(diào)整界面

4 試驗結(jié)果

針對不同焊縫形式和工況設(shè)計了響應(yīng)的5級靈敏度，在靈敏度1和靈敏度2的條件下每隔100ms將機器人當(dāng)前位置Z值$POS_ACT.Z的增量ΔZ與焊機當(dāng)前反饋電壓V的增量ΔV同時存在二位數(shù)組MEASURE[ ,]中（見表1、表2），記錄的數(shù)據(jù)曲線如圖9所示，從圖9可以看出，位置增量與電壓增量基本呈線性變化，控制精度可以達(dá)到0.1mm。

表1 靈敏度1下機器人高度變化與電壓的關(guān)系

表2 靈敏度2下機器人高度變化與電壓的關(guān)系

圖9 位置與電壓變化關(guān)系曲線

5 結(jié)束語

該柔性控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，界面簡潔，具有實時調(diào)整焊接參數(shù)、焊接軌跡修正起始點尋位和電弧跟蹤等功能，在焊接過程中有著很好的柔性，焊接跟蹤精度可以達(dá)到0.1mm，目前已在復(fù)雜航空發(fā)動機等零部件的焊接中應(yīng)用，使用效果得到了用戶的肯定。

高柔性、高可靠機器人焊接技術(shù)代表未來高端制造業(yè)的發(fā)展方向，該柔性焊接技術(shù)突破了機器人焊接工作站（線）難以適應(yīng)關(guān)鍵復(fù)雜結(jié)構(gòu)件焊接的困局，可實現(xiàn)人機結(jié)合下的高柔性、高可靠個性化焊接，使焊接產(chǎn)品的質(zhì)量得到了更好的保障。