潘福祿 唐廣輝 劉澤博 李磊 王彥濤 呂春龍

摘要：通過對(duì)雙機(jī)新型協(xié)調(diào)機(jī)器人帶變位機(jī)CMT弧焊工作站進(jìn)行調(diào)查研究，分析了工作站規(guī)劃布局、設(shè)備組成、工藝流程及應(yīng)用前景，結(jié)合新興技術(shù)弧焊質(zhì)量追溯系統(tǒng)、弧焊視覺引導(dǎo)系統(tǒng)在弧焊工藝上的應(yīng)用說明，闡述了如何解決傳統(tǒng)弧焊工作站機(jī)器人利用率低、焊接效率低以及焊縫質(zhì)量不好控制的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)弧焊工藝改善優(yōu)化、深入研發(fā)的目的，提升了弧焊工作站效率及智能化水平。

關(guān)鍵詞：弧焊 質(zhì)量追溯 視覺引導(dǎo) 協(xié)同運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP278? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220199

Abstract： This paper introduced the planning layout， equipment composition， process flow and application prospect of the workstation through survey and research on the CMT arc welding workstation of the new dual-machine coordinated robot with positioner. In combination with the application description of the emerging technology of arc welding quality tracing system and arc welding visual guidance system in arc welding process， this paper expounded how to solve the problems of low robot utilization rate， low welding efficiency and poor control of weld quality of traditional arc welding workstation. The purpose of improving and optimizing of arc welding process， in-depth research and development has been realized， and the efficiency and intelligence of arc welding workstation have been improved.

Key words： Arc welding， Quality traceability， Visual guidance， Synergetic movement

1 前言

機(jī)器人自動(dòng)弧焊工藝是工業(yè)機(jī)器人焊接領(lǐng)域重要的技術(shù)之一，以其焊接質(zhì)量好、穩(wěn)定性高、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在汽車制造行業(yè)內(nèi)，尤其是各類汽車零部件的加工生產(chǎn)，如汽車底盤類的副車架、后橋、懸架以及新能源電池殼體類連接件的焊接。

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，焊接自動(dòng)化技術(shù)也在不斷進(jìn)步，機(jī)器人自動(dòng)弧焊焊接零件的位置復(fù)雜程度也日趨加大，所以單體弧焊機(jī)器人操作已經(jīng)逐漸不滿足復(fù)雜的工作任務(wù)需求，協(xié)調(diào)機(jī)器人帶變位機(jī)焊接操作已經(jīng)成為弧焊制造行業(yè)的發(fā)展趨勢，協(xié)調(diào)機(jī)器人帶變位機(jī)相比單體焊接機(jī)器人最大的優(yōu)勢就是焊接過程中工件的位置可變，工件位置變化可以讓機(jī)器人獲得更大的操作空間范圍，也拓展了機(jī)器人型號(hào)選取，一些小型機(jī)器人也可以滿足功能要求，同時(shí)工件位置的變化可以使焊接機(jī)器人一直保持最佳的焊接姿態(tài)，保證焊縫焊接質(zhì)量。

2 雙機(jī)雙位新型協(xié)調(diào)機(jī)器人弧焊工作站

2.1 工作站工藝布局

圖1為弧焊工作站平面圖。工作站長9 m，寬6 m，包含弧焊工作站防護(hù)房、物料存儲(chǔ)區(qū)、人工上件區(qū)以及必要的維修空間。安全防護(hù)房采用鋼板折彎式安全欄，工作站采用機(jī)器人上置式。圖2所示為2臺(tái)弧焊機(jī)器人安裝在變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)骨架梁上，這樣能節(jié)省整體空間布局，機(jī)器人與變位機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作，并且無論變位機(jī)水平回轉(zhuǎn)軸如何動(dòng)作，弧焊機(jī)器人相對(duì)變位機(jī)的位置都不會(huì)發(fā)生變化，機(jī)器人可以在變位機(jī)回轉(zhuǎn)的時(shí)候同時(shí)進(jìn)行焊接，工位切換時(shí)沒有機(jī)器人焊接節(jié)拍浪費(fèi)，相比傳統(tǒng)弧焊工作站在成本、空間和效率上都有優(yōu)勢。

2.2 工作站設(shè)備組成

如圖3所示，該工作站主要由弧焊安全防護(hù)房、電氣控制及軟件系統(tǒng)、排煙除塵系統(tǒng)等組成。

三軸水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)是由一臺(tái)水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)及2臺(tái)垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)組成，如圖4所示，水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)可以帶動(dòng)著機(jī)器人及弧焊夾具整體水平轉(zhuǎn)動(dòng)，變位機(jī)水平回轉(zhuǎn)軸采用功率為3.7 kW電機(jī)聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，額定轉(zhuǎn)速不小于3.25 r/min，動(dòng)作范圍±180°，2臺(tái)垂直變位機(jī)可以帶動(dòng)著弧焊夾具整體沿著垂直方向翻轉(zhuǎn)，變位機(jī)垂直回轉(zhuǎn)軸采用功率為1.3 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，額定轉(zhuǎn)速不小于8.55 r/min，動(dòng)作范圍±200°，回轉(zhuǎn)軸包含伺服放大器、伺服電機(jī)、減速機(jī)以及連接電纜，其各軸均由機(jī)器人外部軸電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)，控制伺服算法包含在機(jī)器人的控制算法當(dāng)中，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作與變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

冷金屬過渡焊接（CMT）屬于弧焊的一種，主要用于解決薄板、鋼鋁混合焊接等熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Melt Inert Gas Welding，MIG）和熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊（Metal Active Gas Arc Welding，MAG）解決不了的問題，相比MIG和MAG，CMT具有快速引弧無飛濺、焊接速度更快、熱輸入量更低、變形小、弧長控制更精確、電弧更穩(wěn)定的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)低至0.3 mm的超薄鋁板焊接，圖5所示為鋁件CMT焊接效果圖。

CMT系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。目前機(jī)器人CMT弧焊直線焊接速度可以達(dá)到1 m/min以上，圓弧過渡速度可達(dá)到0.8 m/min以上。焊機(jī)可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)兼容，同時(shí)聯(lián)接焊槍系統(tǒng)。送絲系統(tǒng)中的送絲管采用石墨管，保證焊絲在送絲過程中通暢。

2.3 工藝流程及應(yīng)用前景

該工作站配備2臺(tái)弧焊機(jī)器人，一臺(tái)回轉(zhuǎn)變位機(jī)帶2臺(tái)垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)，兩臺(tái)垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)上分別帶有一套焊接夾具。機(jī)器人焊接夾具、變位機(jī)上均設(shè)有快換通用標(biāo)準(zhǔn)接口，電、氣接口也須選用快速插接式，能夠?qū)崿F(xiàn)夾具快速更換，單個(gè)工作站換型時(shí)間不超過30 min，切換重復(fù)位置精度在±0.2 mm以內(nèi)。通過切換夾具，滿足多種產(chǎn)品弧焊的功能，提高了工作站的柔性，并根據(jù)不同工件自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的控制程序和焊接程序，2臺(tái)機(jī)器人在回轉(zhuǎn)變位機(jī)上完成焊接工作，以某車型后地板左右縱梁總成弧焊為例介紹工作站工藝流程。

a.人工將后地板左縱梁分總成以及螺栓件放到工作站內(nèi)上件工位夾具A上，工人離開上件區(qū)并拍復(fù)位按鈕，夾具夾緊卷簾門關(guān)閉。

b.水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，此時(shí)協(xié)同機(jī)器人可以開始焊接，可以在旋轉(zhuǎn)的過程中同時(shí)進(jìn)行焊接，節(jié)省輔助回轉(zhuǎn)節(jié)拍。

c.當(dāng)水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)旋轉(zhuǎn)180°后另一側(cè)夾具B工位轉(zhuǎn)到人工上件工位，卷簾門自動(dòng)打開，人工將后地板右縱梁分總成以及螺栓件放到上件工位夾具B上，工人離開上件區(qū)，卷簾門關(guān)閉，此過程A在焊接區(qū)進(jìn)行焊接。

d.A完成焊接后，水平變位機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，夾具A轉(zhuǎn)出，卷簾門自動(dòng)打開，人工下件，完成一個(gè)工作循環(huán)。

由于工作站配備了三軸水平翻轉(zhuǎn)變位機(jī)，機(jī)器人可以在水平變位機(jī)旋轉(zhuǎn)的過程中進(jìn)行焊接，并且同時(shí)配置了AB面上件夾具，機(jī)器人在一側(cè)焊接的過程中，另一側(cè)上件位可以進(jìn)行人員上件操作，保證機(jī)器人最大的利用時(shí)間，提高了焊接效率，所以可以適用于高節(jié)拍要求的弧焊工藝。并且?guī)?dòng)2套AB面夾具的垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)可以對(duì)夾具進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，這樣機(jī)器人可以對(duì)產(chǎn)品正反2面進(jìn)行焊接，2臺(tái)機(jī)器人可以同時(shí)操作，雙機(jī)雙位大大拓展了焊接操作位置空間，基本規(guī)避了因焊接姿態(tài)不好而軌跡達(dá)不到的情況，所以只要產(chǎn)品尺寸在該工作站的范圍內(nèi)，基本均可適用。

3 協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是在機(jī)器人六軸控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上拓展而成[1]，機(jī)器人控制柜內(nèi)集成了外部軸聯(lián)動(dòng)伺服電機(jī)配套的伺服放大器、整流器以及控制外部軸運(yùn)動(dòng)的通訊基板，不需要配備額外的供電裝置，直接由機(jī)器人內(nèi)部供電驅(qū)動(dòng)，此工作站使用了3個(gè)外部軸，即1套水平翻轉(zhuǎn)變位機(jī)和2套垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)，3個(gè)外部軸配備了合適的聯(lián)動(dòng)伺服電機(jī)硬件。通過專用線纜連接3個(gè)外部軸的聯(lián)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制外部軸聯(lián)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到2臺(tái)機(jī)器人本體12個(gè)軸與外部軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)，共計(jì)實(shí)現(xiàn)15個(gè)軸聯(lián)動(dòng)。通過機(jī)器人編程，此工作站具備對(duì)2臺(tái)6六軸工業(yè)機(jī)器人本體與第13、14、15共3個(gè)外部軸聯(lián)動(dòng)控制能力，15個(gè)軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)同時(shí)由協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制，運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合操作，在擴(kuò)大了機(jī)器人焊接空間的同時(shí)，也大大提高了工作站工作效率。

通過機(jī)器人示教編程，可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)2臺(tái)機(jī)器人本體12個(gè)軸和外部軸第13、第14、第15共3個(gè)軸運(yùn)動(dòng)控制。這樣機(jī)器人本體和變位機(jī)之間可以根據(jù)實(shí)際工作需求設(shè)置多種運(yùn)動(dòng)組合形式。

a.機(jī)器人本體6個(gè)軸與水平翻轉(zhuǎn)變位機(jī)和垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)同時(shí)運(yùn)動(dòng)；

b.機(jī)器人本體6個(gè)軸與水平翻轉(zhuǎn)變位機(jī)同時(shí)運(yùn)動(dòng)；

c.機(jī)器人本體6個(gè)軸與垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)同時(shí)運(yùn)動(dòng)；

d.機(jī)器人本體6個(gè)軸單獨(dú)運(yùn)動(dòng)；

e.水平翻轉(zhuǎn)變位機(jī)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)；

f.垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)。

相比于PLC控制變位機(jī)運(yùn)動(dòng)，通過協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制變位機(jī)與機(jī)器人本體12個(gè)軸能夠協(xié)同運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人示教器即可進(jìn)行編程控制，避免機(jī)器人本體6軸與外部軸由于PLC編程程序出錯(cuò)而發(fā)生干涉，安全便捷。

4 焊接質(zhì)量追溯系統(tǒng)

弧焊相比于其它焊接工藝更為復(fù)雜多變，所以弧焊的焊接參數(shù)（電流、電壓、時(shí)間）的非預(yù)期變化對(duì)焊縫質(zhì)量影響非常大。目前汽車行業(yè)零部件的弧焊焊縫質(zhì)量監(jiān)控往往采用抽檢局部焊縫的質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，可能會(huì)批量報(bào)廢零件，該弧焊工作站通過使用質(zhì)量追溯系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫質(zhì)量智能監(jiān)控，系統(tǒng)能夠通過零件上的追溯碼查詢到此零件上所有焊縫的工藝參數(shù)記錄，這樣能精準(zhǔn)追溯到歷史焊接時(shí)生產(chǎn)批次以及焊接機(jī)器人信息，有力保障了零件批量焊縫質(zhì)量，為后續(xù)零件產(chǎn)品焊縫質(zhì)量評(píng)估提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫。

4.1 追溯系統(tǒng)構(gòu)成

該追溯系統(tǒng)以機(jī)器人焊接生產(chǎn)線為硬件基礎(chǔ)，由PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，服務(wù)器（或工控機(jī)）和數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)生產(chǎn)線各工位的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、歷史查詢。硬件部分包括掃碼槍、打印機(jī)、服務(wù)器（或工控機(jī)）以及流量計(jì)組成，再通過軟件與PLC進(jìn)行通訊連接以及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。圖7為系統(tǒng)框架圖。

4.2 追溯系統(tǒng)功能

該追溯系統(tǒng)具備生產(chǎn)線工位信息配置、焊接參數(shù)實(shí)時(shí)顯示以及焊接工藝參數(shù)查詢和物料查詢功能。通過生產(chǎn)線配置模塊，可以設(shè)置系統(tǒng)名稱，生產(chǎn)線信息，各工作站工位名稱以及各工作站焊機(jī)名，PLC類型，可以自動(dòng)建立數(shù)據(jù)庫里所有的數(shù)據(jù)表，自動(dòng)建立與PLC通訊的各點(diǎn)位名。在焊接工藝參數(shù)查詢界面，在畫面上方可以輸入鋼印碼或追溯碼，也可以輸入生產(chǎn)時(shí)間段，對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行查詢。通過左側(cè)選擇框，可以切換不同工位符合查詢條件歷史數(shù)據(jù)，并以圖形和列表的形式顯示出來。所有查詢結(jié)果可以生成表格，方便管理。圖8為焊接工藝參數(shù)查詢畫面。

5 弧焊視覺引導(dǎo)系統(tǒng)

在汽車工業(yè)弧焊批量生產(chǎn)過程中，由于產(chǎn)品單件本身板材的剪切誤差、多個(gè)單件拼合而成的總成累積誤差、工件工裝誤差以及機(jī)器人定位精度的綜合影響，機(jī)器人弧焊的焊接質(zhì)量或多或少會(huì)受到些影響，視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的引入很好地解決了這一問題，圖9為弧焊視覺引導(dǎo)集成效果圖，激光視覺是一種基于光學(xué)三角測量原理的視覺傳感技術(shù)[2]。在弧焊機(jī)器人弧焊的過程中，用視覺傳感器采集工件焊縫的原始圖像，圖像經(jīng)過計(jì)算機(jī)分析處理，并提取所需信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控被測目標(biāo)對(duì)象，通過比對(duì)被測目標(biāo)與理論目標(biāo)坐標(biāo)的差異，經(jīng)過信息轉(zhuǎn)換傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)和焊接軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程精準(zhǔn)控制和焊縫軌跡跟蹤。由于弧焊的特殊工況，在焊接機(jī)器人工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高亮度弧光，造成采集的焊縫圖像不清晰，影響焊縫質(zhì)量，這時(shí)需要借助額外光源或者增加濾光片來幫助相機(jī)采集目標(biāo)圖像，濾光片一般是在玻璃片中加入某些特定的顏色，它的作用主要是使相機(jī)鏡頭過濾掉一些額外波段光，讓鏡頭只通過所需波段光，從而能夠有效地過濾掉干擾弧光和自然光。視覺傳感器以其不與工件直接接觸、動(dòng)態(tài)性能好、獲取信息豐富的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在焊接領(lǐng)域，在弧焊視覺引導(dǎo)應(yīng)用上，可以用于焊縫識(shí)別、焊接位置引導(dǎo)、焊縫實(shí)時(shí)跟蹤以及焊接熔池質(zhì)量控制。

6 結(jié)束語

雙機(jī)雙位弧焊機(jī)器人結(jié)合三軸變位機(jī)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)應(yīng)用提高了弧焊機(jī)器人效率及柔性，拓展了機(jī)器人弧焊的空間范圍。通過引入焊接質(zhì)量追溯系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分段焊縫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及精準(zhǔn)追溯，而弧焊視覺引導(dǎo)系統(tǒng)可以滿足焊縫實(shí)時(shí)追蹤及軌跡誤差補(bǔ)償，有力地保障了焊縫質(zhì)量，這種弧焊工作站系統(tǒng)模式可以推廣至批量生產(chǎn)中，能夠避免大規(guī)模不良產(chǎn)品召回，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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