乔帅 师福强
沈阳远大智能高科机器人有限公司 辽宁 沈阳110000
摘要：为提升焊接过程的质量，灵活性和安全性，本文以位移传感技术，机器人技术和现场总线技术为基础，开发出了模块化柔性机器人自动化防错凸焊系统，并深入分析了系统的总体架构，焊件加持系统，凸焊系统和PLC控制系统，对于该领域的从业人员具有重要的指导意义。
关键字： 模块化，机器人，防错凸焊系统
在汽车加工过程中应用自动凸焊系统能够提升螺栓的安全性，降低劳动强度，提升加工制造效率，是近年来汽车制造业中大量应用的自动化系统之一。随着机器人技术的迅速发展，该技术以其集成度高，柔性好，作业范围大等优势，很大程度上解决了手工作业带来的误差大，质量难以控制等问题。但是也应注意到现阶段针对于自动化凸焊系统中应用模块化柔性机器人的研究相对较少。本文研究以kuka机器人为研究主体，构建模块化的柔性机器人防错凸焊系统。
1 系统总体架构分析
本次构建的自动化防错凸焊系统主要包括机器人焊件加持、凸焊检测和PLC控制三个子系统，系统总体架构图如下所示。其中PLC控制系统作为整个系统的核心，负责协调各子系统之间的配合工作；凸焊检测主要完成自动化运输，防错防漏，成品检测等功能；机器人焊件加持系统主要包括搬运，加持，上架三个部分。
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系统总体架构图
2 焊件加持系统分析
2.1 焊件加持系统架构
焊件加持系统主要包括控制终端和夹具部分，机器人控制系统借助于变频电机实现高精度的焊接过程轨迹控制；夹具终端主要包括气缸，固定骨架和加持压块，通过位于两端的气缸可实现六轴端面的固定，提升了焊件加持系统的整体刚度和稳定性。终端夹具如下图所示。
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终端夹具示意图
2.2 机器人控制系统
借助于离线编程软件，对机器人控制系统生成焊接程序，由机器人系统携带终端夹具运动指焊接部位并完成焊接、焊接定位等命令。本次使用的柔性机器人工作原理分析如下：（1）根据全局坐标系和局部坐标系之间的相对位置关系，分别建立全局坐标系、机器人运动平台坐标系和终端夹具坐标系，通过运动结构模型和齐次坐标变换理论，可得全局坐标系下各坐标系的复合坐标变换矩阵。（2）在采集并建立现场位置坐标后，机器人系统通过仿真软件进行动作、移动速度、位置信息的控制。（3）机器人控制系统在工作过程中可通过自动凸焊控制系统，对运行指令和关键节点进行控制。值得注意的是，在控制过程中包含大量的非直线运动，为保证定位的精度和运行稳定性，要求在搬运过程中不可与定位销碰撞，在接近定位销位置时应降低速度，或者调低cnt运行数值。
具体来看，在自动化防错凸焊系统中，机器人搬运的工艺分析如下：首先机器人完成初始化，根据焊件特性不同加载不同的程序模块，在初始位置等待控制系统的指令；然后，PLC控制单元传输指令，搬运部件接收后确定抓取路径，并移动终端夹具，机器人驱动气缸保持夹紧状态，将焊件搬运至待焊位置；螺母、螺栓输送机输送螺母螺栓开始焊接作业，机器人根据焊接过程的参数信息，判断焊接是否完成，并将焊接后的部件送至检测单元；如果焊接全部完成，质量达到预期要求，则完成一次搬运作业，机器人回到初始位置待命。
本文中构建的机器人加持系统具有较为完善的功能，能够便捷的与工业机器人进行集成，实现了柔性化，数字化和模块化，大大提升了装备加工过程的效率。
3 凸焊检测系统
3.1 螺母/螺栓运输
由手工方式将螺母螺栓和焊件接入凸焊机后完成焊接工作，此种工作的效率较低，同时危险性较大。本次设计的自动化凸焊系统使用sism12B螺母传输机完成螺母和螺栓的自动化输送。在工作过程中将位置节点信息提前发送给机器人搬运系统，PLC控制器在接收位置节点信息后进行及时处理，螺母螺栓的运输由气动供给头完成。再将螺母螺栓运送到指定位置后，凸焊机接收完成信号，压紧电极等待下一工作指令。
3.2 凸焊检测
在车身焊接过程中，自动输送方式和手工送料方式，都可能会出现漏焊、错焊问题，如不能及时发现漏焊、错焊并进行修正，对于后续组装工序影响较大，严重时导致车身质量不达标甚至报废。为此，本次系统设计基于位移传感器完成了防错凸焊系统。相比于现有的定位销位移偏移测量系统，基于位移传感器的防漏检测系统，可将测量精度提升至0.1毫米，与此同时，电机与传感器的探测装置联动可及时准确的获取状态信号和位置信号，并发送给PLC控制器。PLC控制器接收并处理线性位移数据，判断是否准确焊接。
自动化防错凸焊系统选用wdb250主机，属于固定式直流凸焊机，在保证响应速度和功率的条件下，节能效果较优。检测过程分析如下：首先测试系统完成初始化，确定焊接的类型和焊接技术规范，Kuka机器人将需焊接的部件搬运至焊接位置并发送位置信息给PLC控制器，PLC控制器完成运输机操控将螺母放置规定位置，伺服液压机驱动电极压紧螺母；位移传感器可监测螺母的状态信息如发现螺母的位移量较大，可将该信息传送给数据处理中心，并通知PLC控制器进行误差分析，生成相应的控制指令，在此基础上，如果位置信息仍然超过设定范围，则停止焊接作业并发出告警；如果检测结果表明该处无螺母，则PLC控制器向螺母输送机发出指令，补充螺母；如果检测结果表明螺母不匹配，则停止焊接，等待操作人员处理直至报警解除。在螺母焊接完成后，PLC控制单元发出位移指令，定位至下一个焊接孔位，直至所有的孔位都被焊接完成，机器人回到初始待命位置直至下一个焊接作业循环。
4 PLC控制系统分析
为了保证焊接作业的集成度和智能化，本次PLC控制系统采用工业以太网现场总线技术，该技术具有高同步性和高实时性，能够有效的对焊接现场进行监控和管理。在此基础上，机器人自动化防错凸焊系统，采用一主多从模式。搭建高性能的控制系统。PLC控制系统的方案设计如下图所示。
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PLC控制系统方案设计图
本次PLC控制系统的主控站选用S71200PLC，从控站包括螺栓输送控制机，机器人控制器，螺母输送控制器和凸焊机控制器等。主控站和从控站之间，通过总线进行连接以方便数据的传输，数据总线一方面可从子系统完成数据的采集，并从主控站完成动作控制相关信息的传输，数据传输采用报文形式。在上述控制系统外，还包括输入输出设备，信号变送器，位移传感器等，共同构成模块化柔性机器人自动化防错凸焊系统的网络运行部分。
该系统的开发平台选用TIA集成软件，其中PLC控制器可完成坐标信息的收发，输入输出设备控制，逻辑控制程序编码，运行轨迹控制等，通过人机交互界面完成控制系统的界面显示。数据采集及监控状态的显示等。各子系统之间的数据读写和交换可通过以太网专用通信接口完成。机器人控制系统和PLC控制系统，均可接收终端夹具状态信息和螺母的位置信息，并计算运动参数并向机器人控制器发出指令，机器人控制器在接受指令后，以脉冲的形式向驱动轴的驱动器传输驱动信息，最终完成伺服转动轴速度、角度、加速度等运动参数的调节。更进一步的，借助于强大的数据计算能力，PLC控制系统可对路径进行预前规划，基于现有的站点布局，得到最为简单快捷，同时易于实现的路径方案。
5 结语
本次研究构建的柔性机器人自动化防错凸焊系统，以kuka机器人和位移传感器为基础，包含了自动搬运，自动传输，自动检测等流程，具有较好的适应性和应用效果，极大提升了凸焊过程的灵活性，安全性及工作效率。
参考文献：
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