工業機器人點焊工藝系統探析

陳綿鵬 李其偉 龐成才 張軍

基金項目：面向汽車行業的國產高性能焊接機器人技術攻關項目（無編號）

第一作者簡介：陳綿鵬（1995-），男，碩士。研究方向為工業機器人運動控制。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.046

摘? 要：點焊機器人主要由工業機器人本體、點焊鉗、點焊機和點焊工藝控制系統組成，點焊工藝控制系統作為點焊機器人的核心總控單元控制點焊機器人、點焊鉗，點焊機協同動作進行點焊自動作業。系統軟件主要由運動控制單元、參數配置單元、指令集和點焊工藝功能單元等多個部分組成，承擔著機器人/電焊鉗運動控制、點焊機邏輯控制和其他配套設備邏輯控制等重要任務，系統的工藝參數也是通過控制系統的人機交互界面進行設置。控制系統把參數、運動節拍、IO信號通過執行程序有機地執行和調度起來后，點焊機器人就帶著電焊鉗執行各種指定的動作完成對工件的點焊加工。

關鍵詞：點焊工藝；控制系統；工業機器人；指令；硬件設備

中圖分類號：TP242.2? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0193-04

Abstract： The spot welding robot is mainly composed of industrial robot body， spot welding pliers， spot welding machine and spot welding process control system. As the core control unit of spot welding robot， spot welding process control system controls spot welding robot and spot welding pliers. Spot welding machine cooperates to carry out spot welding automatic operation. The system software is mainly composed of motion control unit， parameter configuration unit， instruction set and spot welding process function unit， which undertakes important tasks such as robot / welding clamp motion control， spot welding machine logic control and other supporting equipment logic control. The process parameters of the system are also set through the man-machine interface of the control system. After the parameters， motion beat and IO signals are organically executed and scheduled by the control system， the spot welding robot carries out various specified actions with electric welding pliers to complete the spot welding of the workpiece.

Keywords： spot welding process; control system; industrial robot; instruction; hardware equipment

點焊機器人早在二十世紀六十年代中期就已經正式運用到工業生產當中，到如今已經廣泛運用到各行各業的制造生產當中。尤其在汽車加工制造領域，點焊機器人已經是生產線上必不可少的終端設備。據統計，汽車行業中點焊機器人的使用比例已經超過弧焊機器人，比例達到3∶2。隨著工人成本不斷增長及制造業的全面轉型升級，我國制造業的點焊機器人的應用會越來越多。日益增長的點焊機器人巨大的市場潛力對國外很多成名已久的點焊機器人生產廠商具備很強的吸引力，同時對國產的點焊機器人帶來很多新的機遇與挑戰。

目前點焊機器人主要品牌基本是ABB、庫卡、FANUC和安川等國外老牌機器人廠商，其依托汽配生產等產業體系，牢牢占領了市場。并經過多年的市場打磨，已經具備穩定的性能和很強的用戶黏性。因此，研究工業機器人點焊工藝控制系統構成和控制邏輯，對提高國產點焊機器人點焊系統的安全性、可靠性、靈活性，對國產工業機器人點焊系統優化焊接質量，與國外機器人對標競爭，讓工業機器人點焊系統更為廣泛地普及有重要的參考意義。本文從點焊工藝控制系統出發，詳細解析機器人點焊系統的通用總體架構，部件和軟硬件模塊等相關知識，詳細梳理了點焊控制系統的控制交互邏輯。為工業機器人點焊工藝控制系統的開發設計和點焊機器人的配置使用提供參考。

1? 點焊工藝控制系統總體架構

點焊工藝控制系統可分為硬件設備和軟件工藝2個部分，如圖1所示，硬件設備包括執行端和控制端，執行端是直接參與點焊作業的執行單元設備組合，是被控對象，包含工業機器人本體、點焊鉗、水氣單元及修磨器等設備。控制端是執行端的控制中樞，點焊鉗控制器主要是實現點焊鉗接過程和工藝控制，通過總線或者IO直連的方式和機械臂控制器作數據交互，驅動是機械的本體驅動單元，通過總線接收機械臂控制器的命令進行控制機械臂運動。機械臂控制器為總控制單元，機械臂控制器不僅實現點焊鉗和機械臂的運動控制，還是軟件點焊工藝包的載體，所有的控制指令和邏輯命令都在此處產生，通過示教器實現人機交互，操作者通過示教器進行點焊機器人運動位置和動作程序的示教，并設定運動速度、焊接參數等。點焊工藝控制系統按照示教程序規定的動作、順序和參數控制機械臂/點焊鉗控制器和其他設備進行點焊作業，其過程是完全自動化的。并且具有與外部設備通信的接口，可以通過這一接口接受上一級主控與管理計算機的控制命令進行工作。

圖1? 點焊工藝控制系統架構圖

2? 硬件設備

2.1? 機械臂

點焊機器人的機械臂（圖2）本體一般需要選用六自由度串聯機械臂，必要時配合變位機等外部設備使用才能滿足生產過程中焊點位置的空間變化需求。一般點焊機器人要求動力強勁，結實可靠，一般要求負載在210 kg以上，運動范圍2.7 m以上；若是鋁合金材質點焊則需求大電流、高壓力，普遍焊鉗較大，一般要求負載在300 kg以上；同時，也要求工業機器人具備定位精度高、工作穩定、運動速度快等特點。

圖2? 工業機械臂及電控柜

2.2? 點焊控制器

點焊控制器（圖3）一方面通過管線包與點焊鉗直接連接，在焊接過程中把工頻三相電源轉換為穩定的中頻單相電源，再通過焊接變壓器轉換和整流，變成需要的直流電流供點焊焊鉗的焊接使用；另一方面，控制器不會主動執行焊接動作，而是開放接口與機器人控制器或PLC連接，通過接收機器人控制器或PLC的相關控制信號控制點焊電流的輸出和其他邏輯的執行。

圖3? 點焊控制器

2.3? 點焊鉗

點焊鉗（圖4）是和工件直接接觸的焊接執行機構，根據結構的不同，分為C型焊鉗和X型焊鉗。C型焊鉗用于點焊垂直及近于垂直傾斜位置的焊點，X型焊鉗則主要用于點焊水平及近于水平傾斜位置的焊點；根據驅動源的不同，分為氣動焊鉗和伺服焊鉗，氣動焊鉗在加壓過程中，無法控制電極移動速度，對工件沖擊較大，容易導致工件變形，氣動焊鉗壓力無法精準控制，容易產生大飛濺，對焊點指令產生影響；伺服焊鉗電極壓力可控，根據板厚的不同，每個焊點都可以自由調節壓力或單點多段壓力； 電極接觸到工件后，再緩慢加壓，避免電極對工件產生沖擊；高效率，機器人在點與點的移動過程中即可控制電極的開合，無需等待機器人到位后再閉合電極，所以具備競爭優勢。

2.4? 其他設備

點焊機器人控制系統除了上述主要設備之外，還有一些外圍的輔助設備主要包括水/氣單元、修磨機、管線包等設備。一般情況下自動電極修磨器、水氣單元和這些外設在機器人出廠前都會經過裝配、安裝和測試。

尤其是自動電極修磨器，承擔了點焊鉗電機修磨的重要任務。主要由固定支架、修磨刀具、吹氣裝置及收納裝置等組成。機器人把焊鉗的電極固定到修磨器指定位置，修磨器通過刀具和浮動裝置可以自動調節完成修磨。修磨完成后還可以進行修磨補償檢查。這一系列過程一般會有固定的程序和指令對應。點焊機器人需要修磨時，配合修磨器模塊化調用即可。

（a）? C型點焊鉗? ? ?（b）? X型點焊鉗

圖4? 點焊鉗

3? 工藝軟件

點焊機器人軟件工藝包是針對點焊作業過程中控制需求、補償需求、信號交互需求、過程監控需求的專用功能模塊。軟件工藝都集成在機械臂控制器中，ABB、FANUC、庫卡等機器人廠商均有專門的點焊工藝包供點焊機器人使用，機械臂控制器作為主控單元需要集成整個點焊工藝包，并分別與各個被控設備建立通訊，主要通過人機交互界面、程序指令集、運動控制模塊和其他工藝模塊等模塊功能實現點焊機器人的本體運動和焊接過程控制。本體控制部分主要是實現機器人本體的運動控制；焊接控制部分則負責對點焊控制器進行自動控制，發出焊接開始指令，自動控制和調整焊接參數（如電壓、電流、施加壓力及時間/周波等），控制點焊鉗的大小行程及夾緊/松開動作控制及外圍設備信號控制。

3.1? 指令集

點焊指令集是點焊工藝控制系統中實現點焊動作和其他設備動作的指令集合。點焊指令集主要包括點焊動作指令、加壓動作指令、電極修磨指令和零點標定指令等。雖然不同的廠商指令集的形式會有所差異，但基本都涵蓋了點焊動作、焊接條件參數設置、焊接時序設定等多個方面功能，需要根據不同的焊接工藝在程序中進行調整和優化。

3.2? 人機交互界面

點焊工藝從初始化到執行過程中，需要操作者根據實際工況和經驗，設置工藝參數，編寫調試程序都需要通過人機交互界面進行。圖5為廣州數控設備有限公司人機交互界面示意圖，通過人機交互界面可以實現電機型號、齒輪比、最大速度、行程極限、電機旋轉方向、最大壓力、焊鉗關閉方向對應按鍵設定（X+/X-）、焊接IO設定等操作，可編輯修改點焊執行程序。

圖5? 點焊工藝人機交互界面

3.3? 運動控制模塊

點焊工藝的運動控制模塊不僅要實現機械臂再現示教點運行，控制機械臂載著點焊鉗到達指定的焊接位置。還需要通過信號、力矩、脈沖等方式控制點焊鉗，實現定位、預壓、加壓保持和快速回退等整個點焊流程動作。圖6為氣動點焊動作的一般時序，可以看出，每一個點焊過程都需要機器人本體運動、焊鉗運動和各種系統信號配合完成，應對不同的場景往往也有不同的運動參數選擇。

圖6? 點焊時序圖

3.4? 修磨補償功能

為了應對點焊過程中電極帽受熱產生軟化、氧化和形變造成的焊接質量問題，需要定期對點焊鉗兩側的電極頭修磨去除氧化層，同時需要將切削后的電極頭長度變化補償到焊機路徑當中。點焊工藝的修磨補償流程如圖7所示。

圖7? 修磨補償流程示意圖

點焊機器人電極的修磨時機由機器人程序控制，需要事先設定機器人需要完成的焊點數量，從而明確修磨頻次及修磨極限。在機器人編程時，將這些參數輸入到程序中，形成機器人電極帽的修磨程序。當點焊機器人電極工作到設定的焊點數量時，機器人就會停止工作，并調用電極修磨程序。進入修磨程序后，機器人焊鉗自動移行至修磨器所在處，確保上、下電極移行到修磨器的正中心線位置，修磨刀頭兩側與上下電極緊貼，使上下電極與修磨器的刀片同時接觸并壓緊，修磨器刀具旋轉進行電極帽的端面切削研磨，修磨掉少量的碎片或刨花類的銅屑，修出與刀片輪廓一致的上下電極帽端面后即完成電極的修磨程序。修磨完成后一般通過以下2種方式計算補償值。

1）單步法：關閉焊鉗，進行零點標零，根據用戶設置的“磨損率”，將總體的磨損量分配給各個電極頭。

2）兩步法：借用外部夾具，機器人控制焊鉗再次標零后，移動到夾具位置，可動側抵碰夾具進行可動側磨損量測量，再用總磨損量減去可動側磨損量測量得到固定側的磨損量。

計算出來的補償值在執行點焊指令和加壓指令時，直接補償到電極頭前端位置。

3.5? 撓曲補償功能

撓曲補償又稱撓度修正，是對加壓焊接過程中，點焊鉗動極和定極產生的形變補償。如圖8所示，加壓過程中，焊鉗兩極的形變會導致工件變形，影響工件的焊接質量，為此需要通過事項測量的方式，把不同加壓條件下的撓曲變化測試出來，并作為加壓參數保存。在機器人以相應條件執行加壓時，將固定側電極根據撓曲補償參數補償相應的撓曲量，實現工件的平整焊接，保證點焊質量。

（a）? 示教位置? ? ?（b）? 加壓工件? ? ? ?（c）? 撓曲補償

圖8? 撓曲補償原理示意圖

4? 結束語

點焊機器人目前應用廣泛，基于其高效、高質量、高自動化等優點，一定會在未來保持廣闊的市場需求并不斷更新迭代。對工業機器人點焊工藝系統的分析研究，拆解其軟硬件架構和工藝流程，可以明確工業機器人點焊工藝各模塊設備和功能特點；明確不同系統之間的通信對接邏輯。對通用工業機器人實現點焊工藝適配具有參考意義。

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