連接撐桿焊接機(jī)器人工作站的開發(fā)應(yīng)用

梁來航，張金東，張澤澤，王 燾，宋 超

（陜西建設(shè)鋼構(gòu)有限公司，陜西西安 710608）

塔機(jī)附墻桿實現(xiàn)塔身與建筑物間的有效連接，保證塔機(jī)的作業(yè)安全。陜西建設(shè)鋼構(gòu)有限公司自主設(shè)計制造了組合式塔機(jī)附墻桿。其中，連接撐桿作為組合式塔機(jī)附墻桿的主要受力結(jié)構(gòu)，焊接質(zhì)量要求高，產(chǎn)品型號多，在生產(chǎn)制造方面存在一定程度的困難。

目前，連接撐桿的焊接制造采用依托固定式焊接工裝的人工焊接方式，生產(chǎn)節(jié)拍長，焊接質(zhì)量受工人技能操作水平的影響較大，制造成本升高。焊接工裝為剛性工裝，無法適應(yīng)不同型號連接撐桿的焊接。

以連接撐桿為代表的塔機(jī)組成構(gòu)件均在不同程度上存在著品種型號多、生產(chǎn)自動化程度低、拼配和焊接工序分離等問題。文章針對連接撐桿的實際制造需求，對連接撐桿的柔性智能制造進(jìn)行深入研究，設(shè)計開發(fā)了一種焊接機(jī)器人工作站，該工作站可適應(yīng)4種不同型號連接撐桿的拼焊一體化生產(chǎn)制造，具有一定的柔性和智能化特質(zhì)。

1 總體要求及技術(shù)難點分析

1.1 總體制造要求

連接撐桿主要由連接板、方管和加強(qiáng)肋組成，如圖1所示，為連接撐桿的三維模型，所有的連接方式均為焊接。不同型號的連接撐桿，其連接板和加強(qiáng)肋相同，只是方管的長度不同，長度變化范圍幅度達(dá)到1500 mm，因此要求該工作站能夠同時滿足不同長度連接撐桿的拼配和焊接。連接撐桿組成部件的材質(zhì)均為Q355B，焊縫形式為角焊縫，要求焊接飛濺少，焊縫成形美觀。

圖1 連接撐桿三維模型

1.2 技術(shù)難點分析

（1）零部件的識別與定位。機(jī)器人作為一種程序控制的自動化設(shè)備，其運(yùn)動定位精度為10-2毫米級，因此傳統(tǒng)的焊接工作站對零部件的上料精度要求極高，需針對性的設(shè)計復(fù)雜的定位夾緊工裝[1]?？紤]到連接撐桿的組成部件均為鋼結(jié)構(gòu)件，依托工裝夾具進(jìn)行識別定位會導(dǎo)致效率低下，過程繁瑣。因此要求工作站對零部件在上料以后的位置和姿態(tài)精度要求不能太高，僅需滿足一定的空間范圍即可。

（2）精確拼配。連接板和方管間的嵌套拼配是連接撐桿制造的關(guān)鍵工序。方管端口需嵌入連接板6 mm，二者間的實際間隙僅為1～2 mm，且實際的來料不可避免的存在毛刺、飛邊等制造缺陷。人工拼配方式依賴機(jī)械工裝完成該工序。若通過多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)完成該工序，則需獲取二者精確的實時空間位置坐標(biāo)，否則會導(dǎo)致拼配失敗甚至撞機(jī)等事故。

（3）焊接及其變形控制。連接撐桿焊縫軌跡變化多、分布不集中。人工焊接時起弧、收弧次數(shù)較多，飛濺大，焊縫分布分散，方向一致性差。

2 工作站總體設(shè)計

2.1 工作站系統(tǒng)組成

文章設(shè)計開發(fā)的焊接機(jī)器人工作站采用3臺機(jī)器人以多機(jī)聯(lián)動的方式進(jìn)行工作，完成拼配和焊接的連續(xù)作業(yè)。如圖2所示，在SolidWorks 軟件中，對工作站進(jìn)行建模，3臺機(jī)器人呈品字形三角布置，以實現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè)。主要包括機(jī)器人系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、夾具和上下料系統(tǒng)[2]。

圖2 連接撐桿焊接機(jī)器人工作站三維模型

（1）機(jī)器人系統(tǒng)。主要設(shè)備包括3臺ABB 機(jī)器人（型號分別為IRB6700、IRB4600、IRB2600）、示教器、機(jī)器人控制器。IRB2600機(jī)器人為焊接機(jī)器人，IRB4600機(jī)器人為抓取機(jī)器人，IRB6700機(jī)器人為抓取機(jī)器人。示教器可對機(jī)器人進(jìn)行手動操縱和參數(shù)配置。3臺機(jī)器人控制器均為IRC5型控制器。

（2）焊接系統(tǒng)。包括焊接電源、送絲機(jī)、焊槍、清槍裝置。焊接電源采用肯倍FastMig X450型數(shù)字焊接電源。送絲機(jī)選用肯倍WFX300型送絲機(jī)。IRB2600機(jī)器人末端加裝賓采兒ABIROBW500液冷式焊槍。清槍裝置采用賓采兒BRS 集成式清槍站。

（3）中央控制系統(tǒng)。主要設(shè)備為中央控制柜。中央控制系統(tǒng)采用西門子PLC，實現(xiàn)整個工作站主要組成元件的組網(wǎng)通信。HMI 人機(jī)交互界面可實現(xiàn)操作人員對運(yùn)行程序的自主選擇。

（4）視覺系統(tǒng)。主要設(shè)備包括3D 結(jié)構(gòu)光相機(jī)、3D 激光傳感器，視覺控制柜。IRB4600機(jī)器人末端夾具安裝有視明銳ECCO95.200 型3D 激光傳感器，生成高精度3D 圖像。IRB6700機(jī)器人末端夾具安裝有TrueD2305Md 型結(jié)構(gòu)光相機(jī)。視覺控制柜包含有高性能計算機(jī)，運(yùn)行圖像處理算法獲取所需信息。

（5）夾具及上下料系統(tǒng)。主要設(shè)備包括夾具、載具和控制盒。IRB4600末端夾具可實現(xiàn)對加強(qiáng)肋和連接板的抓取與松放。IRB6700機(jī)器人末端夾具可進(jìn)行方管的抓取和松放。載具分別為方管載具、連接板載具和加強(qiáng)肋載具?？刂坪锌蓪崿F(xiàn)對上料和下料期間機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)的控制。

2.2 生產(chǎn)工藝流程

生產(chǎn)工藝流程為：①方管、連接板和加強(qiáng)肋上料，該過程只需將載具移動至指定的空間范圍內(nèi)即可。②機(jī)器人返回HOME 點，打開焊機(jī)和空壓機(jī)。③打開自動模式檔，在HMI 人機(jī)交互界面選擇對應(yīng)程序。④開始自動程序，3D 結(jié)構(gòu)光相機(jī)引導(dǎo)IRB6700機(jī)器人抓取方管并移動至指定空間位置[3]；3D 激光傳感器引導(dǎo)IRB4600機(jī)器人抓取連接板并移動至指定空間位置。⑤3D 激光傳感器引導(dǎo)IRB4600機(jī)器人進(jìn)行連接板與方管的嵌套[4]；3臺機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，焊槍進(jìn)行方管和連接板的焊接；方管和連接板的嵌套和焊接循環(huán)兩遍。⑥3D 激光傳感器引導(dǎo)IRB4600機(jī)器人抓取兩個加強(qiáng)肋，并將加強(qiáng)肋移動至拼配位置；IRB2600機(jī)器人與IRB6700機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，焊槍進(jìn)行加強(qiáng)肋的焊接；加強(qiáng)肋的焊接循環(huán)8遍。⑦單根連接撐桿制造完成，IRB6700機(jī)器人下料。上述步驟依次循環(huán)，即可進(jìn)行連接撐桿的連續(xù)生產(chǎn)。

2.3 工作站技術(shù)應(yīng)用

（1）基于機(jī)器視覺的零件識別、定位與拼配。針對上料后，零部件位置姿態(tài)在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變動的特點，文章利用機(jī)器視覺對機(jī)器人進(jìn)行引導(dǎo)和校正。通過3D 結(jié)構(gòu)光相機(jī)獲取方管的三維點云信息，通過3D 激光傳感器獲取方管端面、連接板部分區(qū)域和加強(qiáng)肋部分區(qū)域的三維點云信息。上述點云信息經(jīng)數(shù)字圖像處理后，得到相應(yīng)的空間位置姿態(tài)及坐標(biāo)數(shù)據(jù)，傳遞給機(jī)器人，從而引導(dǎo)機(jī)器人完成識別、定位、抓取和拼配，實現(xiàn)對零部件的精準(zhǔn)識別、精確定位。

（2）多機(jī)協(xié)同運(yùn)動。文章應(yīng)用了ABB 機(jī)器人的MultiMove（多機(jī)聯(lián)動）功能。通過3臺機(jī)器人間的協(xié)同運(yùn)動作業(yè)，實現(xiàn)連接撐桿的高效拼配與焊接。拼配過程中，方管、連接板和加強(qiáng)肋全部由機(jī)器人進(jìn)行抓取、控制并按照正確的邏輯關(guān)系進(jìn)行并行式拼配，無需定位工裝；焊接過程中，兩臺機(jī)器人進(jìn)行復(fù)雜的多自由度空間聯(lián)動，使得焊槍與待焊構(gòu)件按照焊縫軌跡邏輯進(jìn)行相對運(yùn)動，實現(xiàn)空間復(fù)雜曲線軌跡的連續(xù)焊接，如圖3所示，為多機(jī)協(xié)同焊接作業(yè)過程。

（3）焊接工藝優(yōu)化。文章在肯倍數(shù)字焊機(jī)基礎(chǔ)上，查閱理論文獻(xiàn)[5]，并通過大量的工藝試驗測試，選用脈沖MIG 焊接工藝。該焊接過程中的熔滴過渡形式為射滴過渡。熔滴電弧熱量小，焊后的變形小，飛濺極少，焊縫均勻美觀。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

文章控制系統(tǒng)使用西門子S7-1200PLC 及其擴(kuò)展模塊SM1223，并配備了西門子KTP700Basic 型HMI觸摸屏，方便產(chǎn)品型號的切換及程序調(diào)用。通過ProfiNet 總線通訊協(xié)議，實現(xiàn)主控制器PLC 與HMI人機(jī)交互界面、3臺ABB 機(jī)器人的IRC5控制系統(tǒng)間的交互通訊，其中IRB4600和IRB2600機(jī)器人接收來自IRB6700機(jī)器人發(fā)送的位置坐標(biāo)，IRB2600機(jī)器人與肯倍焊接電源間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。3D 結(jié)構(gòu)光相機(jī)與、3D 激光傳感器等視覺系統(tǒng)與機(jī)器人間通過Socket 通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過PLC，實現(xiàn)電機(jī)上下電、程序運(yùn)行、停止、急停等I/O 信號配置。通過DSQC1030板卡，實現(xiàn)夾具氣缸、清槍器等執(zhí)行動作的I/O 信號配置[6]。

3 結(jié)束語

文章通過系統(tǒng)集成的總思路，以機(jī)器視覺和多機(jī)協(xié)同運(yùn)動為支撐，設(shè)計開發(fā)了連接撐桿焊接機(jī)器人工作站。通過機(jī)器視覺的引導(dǎo)和校正作用，使得機(jī)器人在無定位工裝協(xié)助下，具備自主找尋、辨別、定位、抓取和拼配等高智能化屬性；通過多機(jī)協(xié)同控制，3臺機(jī)器人面向作業(yè)對象進(jìn)行有機(jī)聯(lián)動，大幅提升工作效率。在未來的應(yīng)用升級中，該工作站可快速實現(xiàn)對新產(chǎn)品的拼配及空間復(fù)雜曲線軌跡的焊接、切割與噴涂作業(yè)，響應(yīng)快、效率高，具有巨大的應(yīng)用擴(kuò)展和提升潛力。