王 琳，趙金東，潘艷飛，劉 新

江蘇長江智能制造研究院有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213000

0 前言

目前在機器人自動焊接的應(yīng)用中，大多數(shù)屬于示教再現(xiàn)的工作模式，也有少量用到離線編程。通過示教或者離線編程的方式在一定程度上滿足生產(chǎn)的需要，但是也存在局限性，這些方式的作業(yè)條件和焊接參數(shù)都是預(yù)先設(shè)定的，在焊接過程中缺少實時調(diào)整的功能，外部工作環(huán)境一旦變化，焊接機器人就不能滿足工作需求。在實際生產(chǎn)中，不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝要求往往不同，此時通常要對機器人進(jìn)行重新示教，這無疑加大了工作量，增加了生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，降低了企業(yè)的生產(chǎn)效能。在此情況下，尋求新的技術(shù)手段以滿足焊接的自動化需求成為近年來研究的熱點。

目前國內(nèi)對免示教焊接技術(shù)的研究不是很多。李海周［1］對基于BIM 的免示教焊接機器人進(jìn)行研究，采用BIM 構(gòu)造三維虛擬環(huán)境，通過數(shù)值仿真對機器人焊接路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，并融合激光定位技術(shù)對焊接路徑進(jìn)行跟蹤和偏差補償；陳浩［2］等將免示教六軸塔腳焊接機器人應(yīng)用在了輸電線路鐵塔塔腳焊接中，并進(jìn)行了應(yīng)用試驗，相較于頻繁示教盒傳統(tǒng)手工焊接具有極大的優(yōu)勢；劉古文［3］等進(jìn)行了鋼構(gòu)件焊接機器人免示教技術(shù)的嘗試性研究，嘗試采用立體視覺結(jié)合CAD模型數(shù)據(jù)，快速掃描鋼構(gòu)件自動識別焊縫，離線定義焊接方向和角焊高度，并使用發(fā)那科機器人驗證了技術(shù)可行性。近年來，國內(nèi)對基于主動視覺的焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究逐漸增加。周躍龍［4］等基于焊接機器人構(gòu)建激光視覺焊縫檢測跟蹤系統(tǒng)，提出基于目標(biāo)估計準(zhǔn)則的焊縫跟蹤算法，實時跟蹤焊縫中心點三維位置變化。魏文鋒［5］運用激光視覺焊縫跟蹤技術(shù)設(shè)計了焊接智能產(chǎn)線，很好地解決了因工件擺放位置誤差、工裝誤差等造成的工業(yè)機器人加工軌跡偏差。

本文研制的超長工件自動化焊接工作站將視覺、力、觸角等傳感器與機器人融合，根據(jù)傳感器的信息反饋，實時調(diào)整機器人的運動決策，極大地提高機器人的智能化、自動化程度。拓展了機器人在超長鋼結(jié)構(gòu)、多點數(shù)、小角度焊接中的應(yīng)用。主要研究內(nèi)容如下：

（1）研究一種超長工件自動化一體輸送機，工件能夠?qū)崿F(xiàn)自動傳輸、焊接、下料，盡可能減少作業(yè)人員數(shù)量，減少工件吊運，提高生產(chǎn)效率。

（2）研究一種超長工件焊接分離式壓緊工裝，工件完成焊接冷卻后會變形收縮，需要解決收縮變形造成工件不易取出的問題。

（3）研究免示教六軸焊接機器人在超長鋼結(jié)構(gòu)、多點數(shù)、小角度焊接中的應(yīng)用。

1 方案設(shè)計

1.1 超長工件免示教焊接工作站

圖1 中的超長工件目前采用人工焊接，焊接前先將料件放置在簡易的焊接工裝上進(jìn)行人工點焊，完成后再將點焊好的工件從工裝上取下放在地面進(jìn)行滿焊。由于工件比較長，焊接工作量非常大，需要進(jìn)行多次吊裝、翻面，占用大量場地、工人勞動強度大、工作效率低。

圖1 焊接工件示意Fig.1 Schematic diagram of welding parts

本文研制的超長工件免示教焊接工作站的主要組成部分包括：自動化傳輸焊接工作站、超長工件焊接分離式壓緊工裝、免示教六軸焊接機器人，能實現(xiàn)焊接技術(shù)的智能化、柔性化、自動化。

圖2 為工作站作業(yè)流程，包括：（1）將需要焊接的工件擺放到流轉(zhuǎn)焊接工裝上；（2）輸送機自動抬升并將焊接工裝輸送到焊接位置并定位；（3）焊接工裝定位后壓緊工裝下壓將工件壓緊定位；（4）相機移動并掃描需要焊接的區(qū)域；（5）圖像處理后生成焊接路線并控制機器人進(jìn)行焊接；（6）焊接完成后焊接工裝流轉(zhuǎn)到下料工位；（7）下料后空的焊接工裝返回到上料區(qū)輸送機。該套工作站利用3套焊接工裝實現(xiàn)全工位不間斷作業(yè)。

圖2 作業(yè)流程Fig.2 Work flow

1.2 自動化傳輸焊接工作站

焊接工作站主要分為3個工位：上料工位、焊接工位及下料工位。設(shè)備主體傳動部分的輸送機傳動方式采用滾筒輸送機+減速機+鏈條傳動；滾筒上加工V 型槽與焊接工裝配合使用，起到限位作用；上料和下料輸送機通過液壓缸可以升降作業(yè)。焊接工位采用一軸滑臺，滑臺運動電機采用機器人外部軸電機，確保機器人的聯(lián)動性，一組滑臺配2臺焊接機器人，焊接時2臺機器人同時作業(yè)，提高焊接效率。總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure

1.2.1 上下料自動化輸送機構(gòu)

上下料工位自動輸送機構(gòu)采用剪叉式升降機構(gòu)，從驅(qū)動方式上，剪叉式升降機構(gòu)可分為液壓式、氣壓式和電動式三種，其優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 不同驅(qū)動方式的優(yōu)缺點對比Table 1 Advantages and disadvantages of different driving modes

剪叉式升降機構(gòu)的主要作用是實現(xiàn)焊接工件的運輸和高度方向上的升降運動，這要求升降機構(gòu)承載自身輸送機構(gòu)的重量、移動工裝的重量以及焊接工件的重量，需要其舉升高度足夠高、承載能力足夠大。因此選用液壓式剪叉升降機構(gòu)。

上下料工位自動輸送機構(gòu)采用兩組剪叉升降傳動機構(gòu)，如圖4 所示。兩組輸送機構(gòu)為滿足同步升降采用連接片連接，升降機構(gòu)采用液壓同步缸模式，可以快速平穩(wěn)的升降；滾輪采用鏈條傳動，滾輪加工V型槽，與焊接工裝配合，確保傳輸、焊接時焊接工件位置準(zhǔn)確。上下料自動化輸送機構(gòu)沿焊接工裝方向可以正反輸送，機構(gòu)的一端安裝有限位機構(gòu)。

圖4 上下料自動化輸送機構(gòu)Fig.4 Automatic loading and unloading conveying mechanism

1.2.2 焊接工位自動化設(shè)備

焊接工位自動化設(shè)備分為焊接工裝輸送機構(gòu)、焊接機器人輸送機構(gòu)和分離式壓緊機構(gòu)，如圖5、圖6 所示。焊接工裝輸送機構(gòu)分為上下兩層，上層是將裝有工件的焊接工裝運輸?shù)焦潭ㄎ恢貌⑦M(jìn)行定位的輸送機構(gòu)，下層是將空的焊接工裝回流到上料工位的輸送機構(gòu)。

圖5 焊接工位自動化設(shè)備Fig.5 Automatic equipments on welding station

圖6 焊接工位Fig.6 Welding station

焊接機器人輸送機構(gòu)由兩組單軌雙機器人組成，單軌上有2 組滑臺，滑臺上載有2 臺焊接機器人、焊機、送絲桶和焊接電源等。焊接機器人輸送機構(gòu)位于焊接工裝輸送機構(gòu)的兩側(cè)，焊接時4 臺機器人同時作業(yè)。

1.3 分離式壓緊工裝

由于工件長13 m，兩端有安裝孔，工件需要與其他部件進(jìn)行組裝，焊接時需控制工件變形量，防止兩端的安裝孔偏差過大而無法與其他部件進(jìn)行配套安裝，故采用分離式壓緊工裝，焊接完成后工裝抬起，工件可以方便取出。

如圖7所示，壓緊工裝采用分段式安裝，整條焊接線采用4個壓緊工裝。工件通過限位塊固定在焊接工裝上，當(dāng)焊接工裝移動到焊接工位固定位置后，壓緊工裝的氣缸動作向下壓緊，通過彈簧進(jìn)行緩沖，焊接完成后壓緊工裝抬起，與工件分離。

圖7 分離式壓緊工裝Fig.7 Separate pressing fixture

2 免示教焊接機器人在超長工件焊接中的應(yīng)用

目前焊接機器人在焊接前必須進(jìn)行機器人示教作業(yè)，即由操作者引導(dǎo)焊接機器人一步一步按實際任務(wù)操作一遍，焊接機器人在引導(dǎo)過程中自動記憶示教的每個動作位置、姿態(tài)、運動參數(shù)和工藝參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行程序，在完成示教后，啟動焊接程序，焊接機器人將精準(zhǔn)地按示教動作逐步完成操作。但焊接過程中產(chǎn)生的高熱可能導(dǎo)致工件變形，這就要求機器人具有一定的自適應(yīng)能力，實時修偏來完成高質(zhì)量焊接［6-7］，本研究的免示教焊接機器人在超長工件焊接中的應(yīng)用，免去了繁瑣的示教過程，可以大幅度提升工件焊接的生產(chǎn)效率。免示教自動焊接流程如圖8所示。

圖8 免示教過程示意Fig.8 Schematic diagram of the process of teaching free

2.1 數(shù)模圖像導(dǎo)入

將需要焊接工件的三維數(shù)模導(dǎo)入到免示教軟件中，在軟件的操作界面對工件焊接位置進(jìn)行標(biāo)識，軟件根據(jù)標(biāo)識有焊縫的數(shù)模進(jìn)行圖像處理，生成帶有焊縫識別的參照模型。

2.2 焊接工件掃描

將工件放在焊接工位，軟件進(jìn)入離線編程平臺，通過3D相機掃描到工件焊接的區(qū)域；3D相機開始掃描，多次從不同角度識別，以便提高準(zhǔn)確性。掃描識別后后臺軟件自動計算出工件的位置參數(shù)，并向平臺導(dǎo)入工件模型。

2.3 焊接路徑規(guī)劃

系統(tǒng)軟件對導(dǎo)入的工件模型與參照模型進(jìn)行對比，對焊接路徑圖像進(jìn)行處理，獲取焊接路徑的特征點坐標(biāo)并擬合出實際焊接路徑的方程，對機器人進(jìn)行運動軌跡規(guī)劃。相機位置如圖9 所示，相機通過直線導(dǎo)軌、齒輪齒條和伺服電機進(jìn)行運動，運動方向如圖10所示。

圖9 視覺相機位置Fig.9 Position of visual camera

圖10 視覺相機移動方向Fig.10 Visual camera movement direction

2.4 焊接程序模擬

軟件對機器人進(jìn)行運動學(xué)建模，并對其正逆運動學(xué)進(jìn)行求解。構(gòu)建焊槍中心的偏差控制模型，采用比例控制規(guī)律控制機器人的運動量，控制焊接機器人生成焊槍起始位，并對焊接過程進(jìn)行軌跡規(guī)劃，系統(tǒng)軟件還可以模擬焊接工藝和焊槍姿態(tài)，手動調(diào)整機器人位置，使其處于合理的運動模式，生成機器人控制程序，視覺相機工作流程見圖11。

圖11 視覺相機工作原理Fig.11 Working principle of visual camera

2.5 焊接程序傳輸

基于TCP/IP 的通信技術(shù)實現(xiàn)計算機與機器人控制器之間的通訊，將生成的機器人控制程序傳輸?shù)綑C器人控制系統(tǒng)中，控制機器人實現(xiàn)焊接作業(yè)。

2.6 焊縫自動跟蹤及糾偏

經(jīng)過2.1～2.5小節(jié)的工序流程，完成第一件工件的免示教焊接模板創(chuàng)建。在此基礎(chǔ)上，在第二件到第N 件超長工件的焊接過程中，采用焊縫跟蹤技術(shù)［8-9］，在焊接機器人末端加裝全視激光跟蹤傳感器，采用多點尋位的方法，自動尋找焊縫的起始點和結(jié)束點，引導(dǎo)焊接機器人進(jìn)行焊接作業(yè)，有效解決了產(chǎn)品一致性差和焊接中引起的熱變形等問題。

本系統(tǒng)在焊前焊縫識別、自動引導(dǎo)焊槍對中、焊接過程中的焊縫跟蹤以及引導(dǎo)焊槍在正確位置焊接等方面有較好的應(yīng)用，并且能夠和其他部件或系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同工作，最終實現(xiàn)全自動、無人化焊接。

2.6.1 焊縫跟蹤系統(tǒng)原理

采用三角測量技術(shù)［10］，將激光照射在目標(biāo)焊縫上，通過視覺傳感器采集圖像，經(jīng)軟件處理，得到激光掃描區(qū)域內(nèi)各個點的三維空間位置信息。

系統(tǒng)通過計算檢測到的焊縫與焊槍之間的偏差，結(jié)合焊槍與激光視覺傳感器之間的相對位置關(guān)系，通過軟件運算，將焊槍當(dāng)前位置的焊縫偏差量發(fā)送給運動執(zhí)行機構(gòu)對焊槍位置進(jìn)行運動補償，從而實現(xiàn)焊接過程中對焊縫的跟蹤，如圖12所示。

圖12 焊縫自動跟蹤原理Fig.12 Principle of automatic weld seam tracking

2.6.2 系統(tǒng)試驗分析

機器人末端加裝激光傳感器實時掃描焊縫位置，監(jiān)控畫面中生成位置圖像，見圖13。折角位置距離0 刻線的位置值即為焊縫偏移量，通過通訊將偏移量值以可識別的信息傳遞給機器人，機器人對焊接進(jìn)行糾偏。實際情況中，當(dāng)焊縫處于水平垂直狀態(tài)下時只需掃描一個點的位置；當(dāng)焊縫處于傾斜有角度狀態(tài)下需掃描2個點的位置。

圖13 焊縫跟蹤現(xiàn)場圖及監(jiān)控畫面Fig.13 Field pictures of weld seam tracking and the monitoring screen

如圖14 所示，相較于傳統(tǒng)人工焊接，采用機器視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)的機器人自動焊接得到的焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性、一致性更高，形狀也更美觀。

圖14 人工焊接與自動焊接對比圖Fig.14 Comparison between manual welding and automatic welding

3 結(jié)論

基于長工件的焊接要求，設(shè)計的自動輸送機能夠滿足自動傳輸、自動焊接、自動下料的功能。研究的超長工件自動化一體輸送機采用液壓式剪叉升降機構(gòu)，利用滾輪輸送焊接工裝，整線采用閉環(huán)模式，工裝可以循環(huán)流轉(zhuǎn)，沒有吊裝運轉(zhuǎn)；超長工件焊接分離式壓緊工裝，能有效地壓緊工裝，使整線焊接過程實現(xiàn)自動化裝卸；通過3D 視覺相機對焊縫進(jìn)行實時拍攝，系統(tǒng)對圖像處理后生成程序傳輸給焊接機器人實現(xiàn)免示教自動焊接，通過全視激光焊縫跟蹤傳感器采集焊縫特征信息，形成焊縫采集點，并將其和實時焊接狀態(tài)等信息傳輸給焊接機器人，焊接機器人根據(jù)反饋的信息進(jìn)行實際焊縫焊接，實現(xiàn)視覺焊縫自動跟蹤。本研究一定程度上解決了傳統(tǒng)手工焊接生產(chǎn)效率低、焊接人員技術(shù)要求高、產(chǎn)品質(zhì)量一致性差等問題，未來會有很大的市場空間。