叉車結構件自動化焊接生產線

衛 兵，趙 蕾，朱鵬濤，王浩君

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著機器人在各個領域中的廣泛應用，焊接機器人在工業領域中的應用越來越廣泛。焊接機器人具有自動化程度高、生產效率高、勞動強度小、焊接質量穩定、可持續作業等優點，在工程機械、煤礦機械、軌道交通、航天航空和新能源等行業中得到了廣泛應用。目前，在叉車結構件焊接中應用機器人焊接較為普遍，但技術應用較為單一，主要以機器人自動化工作單元為主，解決了機器人焊接方面的問題，在智能化、信息化等方面都不完善，存在一定的局限性。本文主要介紹了叉車結構件自動化焊接生產線，包括整個生產線的工藝布局、主要組成、關鍵技術等內容。

1 總體工藝要求

本文介紹的叉車結構件自動化焊接生產線主要包括機器人技術、自動化物流、機器視覺、數據采集分析、信息化等多技術融合，是完成對工件焊接的全自動化焊接生產線，總體要求是將工件按照圖紙要求進行焊接的系統設備（包括安全防護系統），依據工藝技術要求，工件通過搬運機器人抓取的物流形式實現從掃碼暫存區放置在相應焊接工作站變位機上，由兩臺機器人協同焊接工件，焊接完成后再由搬運機器人自動抓取，通過物流系統送至補焊及校正工位。

生產線工藝流程如下：零部件組對→安裝工件信息碼→工件吊運至上線輸送區→信息確認（自動掃碼）→工件型號識別（機器視覺系統）→工件自動輸送至上件區→機器人自動搬運工件至機器人焊接工作站進行焊接→機器人自動搬運工件至輸送線→工件自動輸送→人工補焊、校正→工件下線。

2 生產線主要內容

本生產線主要內容包括：機器人系統（包括焊接機器人和搬運機器人）、機器人移動軌道、搬運機器人手爪、自動變位機及工裝夾具、焊接系統、總控制系統、信息化系統、機器視覺系統、輸送系統、安全防護系統等，總體布局圖如圖1所示。

圖1 生產線總體布局

2.1 機器人系統

2.1.1 焊接機器人

采用焊接專用機器人，機器人有六個自由度，采用交流伺服驅動，手臂動作自如、穩定、精度高，可方便的與焊接電源、自動送絲機、變位機等協調工作，保證焊接動作的穩定可靠。具有較完善的防碰撞等安全防護功能，在示教和焊接時，若焊槍與焊件或周圍物體偶然發生碰撞，碰撞傳感器會向機器人控制器發出信號，使機器人運動急停，防止損壞機器人、焊槍和周邊設備。系統配置強大的焊接工藝程序軟件包，與焊機系統進行網絡通訊，并與總控制系統進行交互。其主要性能指標如下：

1）負載：16kg

2）運動軸數：6

3）安裝位置：地面

4）重復精度：±0.05mm

2.1.2 搬運機器人

為了適應重工件的搬運，采用特殊的重負載搬運機器人，機器人有六個自由度，采用交流伺服驅動，機器人移動導軌采用機器人外部軸驅動，手臂動作自如、穩定、精度高，可方便與手爪，行走電機等協調工作，保證動作的穩定可靠，同時配置專用手爪，實現工件的搬運。其主要性能指標如下：

5）負載：1000kg

6）運動軸數：6

7）安裝位置：地面

8）重復精度：±0.1mm

9）環境溫度：+10°C至+55°C

10）機器人防護等級：IP65

2.2 變位機及自動夾具

本系統設計雙軸變位機以適應工件的焊接姿態，可根據不同工件型號進行自由編程，外部伺服驅動系統，通過齒輪嚙合傳動，帶動回轉軸承旋轉，變位機做回轉運動。變位機的驅動伺服電機采用機器人外部軸，由系統集中控制，運行平穩、準確、可靠。變位機的整體結構保證剛性和運動的穩定以及定位精確，能夠使焊接機器人工作范圍覆蓋多種規格工件的焊接，適用性廣泛，并能夠配合機器人動作姿態使焊槍達到與工件之間理想的焊接角度，從而得到滿意的焊接效果。

工裝夾具設計可兼容三十多種工件的柔性夾具，采用氣動快速夾緊工裝，實現工件定位夾緊，氣缸夾緊為自鎖式結構，采用進口氣缸并配有傳感器進行位置檢測。夾具定位基準準確、可靠，使用安全快捷。

2.3 總控制系統

總控制系統是整個焊接生產線系統的核心系統，本系統選用西門子的S7-1500系列PLC 作為控制核心單元，采用總站加遠程I/O的方式，現場總線進行擴展。網絡通訊采用工業以太網協議貫穿整個生產線系統，實現設備的互聯互通，人機交互配合上位機系統、識別系統、信息處理系統、遠程I/O 模塊等。總控制系統負責整個自動化焊接生產線的系統總體控制、數據采集與處理、信息互通與協調，主要包括有物流輸送控制、焊接夾具自動控制、機器人系統、識別系統、信息化系統管理以及安全系統處理的協同控制。

整個焊接生產線總控系統采用三層架構設計：第一層為基礎自動化級，主要負責底層傳感器的數據采集上傳、執行機構的控制運行；第二層為過程控制級，采用工控機系統和上位控制軟件，進行工藝數據的輸入、設定主要參數和數據傳輸，完成系統各個生產單元運行的監控、信息采集、網絡通訊、信息跟蹤等，通過圖形化技術對生產線狀態進行顯示；第三層為生產管理級，主要是生產線數據與用戶數據互通，實現全車間或全廠的生產管控。同時預留接口也可與廠級的生產管理系統進行對接，實現互聯互通。

該總控制系統具備有自動、手動以及調試模式多種運行模式之間的切換功能，整個系統主要包括以下功能模塊。

1）機器人系統控制功能

機器人系統與總控系統采用工業以太網現場總線EtherCAT通訊，能夠實施交互信號，監控機器人系統狀態、控制信號傳輸、各機器人協同控制等。

2）物流輸送控制功能

物流輥道采用變頻器+交流電機的控制模式，配合位置檢測傳感器，變頻器通過現場總線與PLC系統進行交互實現調速和電機的啟停控制。變頻器選擇西門子控制變頻器，調速性能好，節能效果好。

3）焊接變位機自動夾具控制功能

夾具采用氣動控制，該夾具上對應的傳感器和電磁閥采用分布式遠程I/O模塊與總控系統連接，大大減少了布線時間和更換夾具的時間，為實現柔性化生產打下良好的基礎。

4）人機交互功能

人機交互系統采用了西門子觸摸屏系統和工控機系統，通過觸摸屏的人機界面和工控機的系統，監控整個生產線的控制系統、各工裝裝置及其輔助設施的運行狀態。

5）條碼管理系統

條碼管理系統用于對工件的標識，通過與生產管理系統的交互可生成工件條碼，每臺工件條碼唯一，通過打印機打印計劃生產工件的條碼。本焊接生產線配置兩套條碼打印及自動條碼掃描系統，工件到位后自動掃描條碼，工件信息自動傳入總控系統，條碼信息保存到總控系統中，并傳送至搬運機器人，由搬運機器人自動抓取工件并送至變位機上。

6）安全功能

通過完善的安全輸入開關、安全信號處理模塊構建全生產線的安全系統，達到對應的安全標準要求，對于運動部件設置可靠的安全互鎖保護和啟動聲光預警功能，在易操作部位設置可靠的急停輸入以及設置安全光柵防止人員一萬進入機器人工作區域。

2.4 信息化系統

信息化系統作為整個焊接生產線中的過程控制部分，主要采用主流的OPC技術與機器人系統、PLC系統、視覺識別系統、輸送系統等進行互聯互通，采集生產線中各類數據信息，通過可視化設備進行顯示，該系統預留網絡通訊接口，可以與工廠級的生產信息化管理系統、產品生命周期管理系統等進行對接，實現數據實時交互。系統主要功能包括以下幾方面：

1）生產計劃執行、導入、統計功能

系統具有生產計劃執行和導入的功能，預留與工廠信息化系統交互的接口，便于后期讀取工廠、車間等信息系統中的生產計劃等各類數據。

系統通過與生產現場各個工藝段的實時交互，能夠統計當前現場已完成的工作量情況，并進行總的生產統計，同時可對生產數據進行分類、分析。

2）生產線監控功能

系統與現場各采集信號互聯，監控整個生產線的狀態，可監控各個設備的運行情況、參數、故障報警等，便于對設備的各個狀態進行分析、研判。

3）設備運維管理功能

系統具備運維管理的功能，通過數據采集可以對設備進行完工率統計、設備開機率統計，到期保養提醒，提高設備開工率。

4）故障診斷功能

本系統具有的故障報警診斷功能，能夠實施監控各個環節的生產異常情況，并進行顯示、統計、處理。

5）焊接參數采集與處理功能

針對焊接工藝數據，系統將焊接機器人、焊接系統、工裝夾具系統互聯互通，實時采集焊接工藝參數的數據，并進行分析處理，從而確保焊接工藝的穩定性。

6）電子看板功能

通過現場電子看板集中展示生產線總體運行狀況，包括生產狀態、生產報表、故障報警、設備狀態等信息。

2.5 機器視覺系統

本方案采用機器視覺系統，主要是為了完成多品種復雜工件同時上線的識別判斷。由于工件種類繁多，部分產品特征較相似等特點，為了準確快速自動識別上線工件的型號，故采用當前最新技術的智能視覺系統來進行工件特征匹配識別，智能視覺系統通 過前期工件模型對特征點進行訓練，利用深度學習，模板匹配等智能識別技術準確匹配系統中已保存的產品數據庫，進而得到當前上線產品的型號并發送到總控系統進行存儲，隨后在相應工位傳送給對應的焊接機器人進行焊接。

為了保證識別的準確性和可靠性，視覺識別系統可以設置多個匹配條件進行互相驗證，進而既滿足識別成功率，又能滿足識別正確率。當識別到未定義的工件或因其他因素未成功識別時，系統會自動將工件輸送至處理工位，并采用聲光報警提示操作人員進行干預處理。

2.6 輸送系統

本方案輸送系統主要為了工件的上下線，配合整個生產線的物流輸送。本系統采用模塊化的設計，便于生產線的邏輯控制、維修、保養，各模塊相互獨立，控制系統采用分段控制與連鎖控制相結合，一旦某個模塊出現故障可快速更換新模塊。

本輸送系統有著強大的邏輯控制功能，可以根據程序邏輯進行自動的工件傳輸，也可以方便的進行手動啟停，工件輸送與變位機工裝、焊接機器人之間具備完善的互鎖控制，保證設備運行安全。系統能夠配合整個生產線的生產調度，同時也可兼容各類型號產品的輸送要求，并滿足最大工件的承載要求。現場照片如圖2所示。

圖2 現場照片

3 主要關鍵技術

1）結構件焊接質量的控制

機器人自動焊接系統配置自動尋位、焊縫跟蹤，多層多道等多功能的焊接工藝軟件系統，控制系統實時采集焊接工藝參數的動態變化，通過人工智能算法實時調整優化當前焊接工藝參數、位置糾偏算法實時糾正工件位置偏差，實施修正機器人位姿和焊接參數確保結構件的焊接質量穩定可靠。

2）雙機器人協同的自動焊接

為了最大化滿足工件焊縫可達率和生產線的產能要求，提升焊接效率，采用雙機器人協同的焊接模式，完成統一的焊接工作任務，雙機器人系統采用主從控制模式，從底層控制系統就保證了雙機器人的協調與聯鎖，最大限度提升雙機器人的同步率和安全性。在工藝分析規劃和實施中，充分考慮雙機器人的同步率，最大限度的提高機器人的焊接效率。

3）柔性卡具的設計

為了實現三十多種不同型號產品的一次性自動裝夾，專門設計了自動可適應的柔性夾具，每一個夾頭均可單獨動作，通過整線控制系統的協調，不同品種選用不同的夾具動作組合，既保證了產品的安全可靠夾緊，也充分考慮了與機器人的干涉，最大化的提高了焊接可達率，此外夾具上配備多種檢測傳感器，可實時對整個動作流程進行診斷和監測，保證設備運行安全。

5）多品種復雜結構件的視覺檢測

為了滿足多型號產品混線智能化生產，產品型號準確識別至關重要，故開發了基于機器視覺的工件型號識別系統，系統通過高精度圖像采集系統、智能化的圖像處理和識別算法，配合條碼掃描系統的二次糾錯，型號識別正確率幾乎達到100%，也為整條生產線的產品信息跟蹤，生產過程數據采集和保存，全線智能管控奠定了堅實的基礎，極大地保障了整條多品種結構件柔性焊接生產線的穩定可靠運行。

4 結語

隨著現代科學技術的快速發展，機器人焊接應用工程技術逐步提升。本文主要介紹了叉車結構件自動化焊接生產線的解決方案，集成了先進的焊接應用技術，生產線控制系統的智能化和信息化程度高，通過工業網絡互聯，結合先進的檢測技術、感知技術與控制技術，對全流程的工藝控制點、安全監測點和生產環境的監控，有效保證生產的安全性、可靠性。大幅提高了產品的生產效率、提高了產品的質量、減少了線上操作人員。目前該生產線在客戶現場應用穩定、可靠，得到客戶的一致好評。