汽車縱梁點焊機器人工作站設計

李 芳，楊海瀾，華學明，吳毅雄，3，朱 麟

(1.上海交通大學，上海 200240；2.上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海 200240；3.上海交通大學 金屬基復合材料國家重點實驗室，上海 200030；4.上海拖拉機內燃機有限公司，上海 200433)

汽車縱梁點焊機器人工作站設計

李 芳1，2，楊海瀾1，2，華學明1，2，吳毅雄1，2，3，朱 麟4

(1.上海交通大學，上海 200240；2.上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海 200240；3.上海交通大學 金屬基復合材料國家重點實驗室，上海 200030；4.上海拖拉機內燃機有限公司，上海 200433)

針對汽車前縱梁焊接生產線中的點焊工位，設計了基于MOTOMAN ES165型點焊機器人工作站，介紹點焊機器人工作站的工作原理、系統組成和焊接應用。采用離線仿真技術對機器人工作狀態進行模擬，合理有效地分配焊點，優化工位配置。設計了歐姆龍PLC和觸摸屏控制系統，實現機器人工作站自動、手動操作方式，人機對話界面良好，具有報警和指示功能。實際應用表明，焊接系統穩定，焊點質量優良。

點焊；示教；機器人；工作站

0 前言

汽車制造業是焊接機器人最主要的應用領域之一。由于汽車制造需要不斷改進舊車型和研發新車型，能否及時焊接出符合裝車要求的樣件成為汽車零部件制造企業贏取市場先機的關鍵環節。焊接機器人開拓了一種柔性的生產方式，利用機器人的示教再現功能可以進行任務轉換，而不需要改變任何硬件。因此，在一條機器人生產線上可以同時自動生產若干種汽車零件[1]。本研究開發了前縱梁點焊機器人工作站，實現了前縱梁總成件的自動化焊接加工。

1 點焊機器人工作站總體構成

前縱梁總成件如圖1所示，一共由6臺點焊機器人工作站組成焊接流水線。在此以其中一個工作站為例進行介紹。點焊機器人工作站系統一般由點焊機器人本體及機器人控制柜、點焊鉗、點焊控制器、電極修磨機、操作箱和相關電纜、氣／水管路等構成。典型的點焊機器人工作站系統構成如圖2所示。

1.1 點焊機器人選擇

為了滿足焊槍的位置和空間姿態的控制要求，機器人應該具有六個關節，如圖3所示。其中三個自由度(S／L／U)用于控制焊槍端部的空間位置，另外三個自由度(R／B／T)用于控制焊槍的空間姿態。

日本安川公司針對點焊系統開發設計了專門的MOTOMAN-ES系列機器人，將焊鉗電源、控制電纜及氣管水管等藏于機器人本體內臂的內部，機器人手臂結構緊湊，腕部回轉動作范圍±200°①首鋼莫托曼機器人有限公司.點焊專用機器人MOTOMAN-ES系列說明書，2005.，使得機器人可以輕松焊接以往由于形狀約束而難以焊接的工件。采用電纜等內藏式設計有效地解決了電纜的干涉問題。考慮本系統的載重，選擇了ES165型點焊機器人本體，配NX100型控制柜。

圖1 前縱梁總成件

圖2 點焊機器人工作站系統

圖3 點焊機器的六個自由度示意

1.2 點焊機器人工作站布置方案

縱梁零件為左右對稱件。因此，對于每一個工作站分別設計了兩個工位，實現對左件、右件的焊接，工作站的布置示意如圖4所示。

圖4 點焊機器人工作站布置示意

2 點焊機器人工作站控制系統設計

2.1 離線仿真

機器人是多自由度、多連桿的空間機構，其運動學和動力學問題十分復雜，在其設計過程中，首先要對其進行運動學分析和軌跡規劃設計。利用離線編程軟件，對機器人操作臂運動控制以及實際工作環境應用中的障礙避讓和碰撞干涉等諸多問題進行模擬仿真，這樣就可以提高設計效率，使得生產中可以快速、高效地完成生產任務[2]。通過離線編程，可以優化設計方案、確認干涉點、優化焊鉗選型、實現工作節拍平衡，最終確認現場布置圖等。為精確設計提供了依據，縮短了方案設計周期，同時也降低了項目的運行成本。離線編程技術的應用，有效提高了現場調試速度、打點精度，使程序流程和路徑更加優化。離線仿真結果如圖5所示。

圖5 系統離線仿真示意

2.2 PLC控制系統設計

PLC控制系統應具備的功能主要有：(1)與機器人保持實時的信息交流；(2)實現對機器人的控制，可以進行自動、手動操作方式；(3)實現對夾具等工裝的控制，滿足工人操作的需要，方便工件的裝卡；(4)采用觸摸屏作為主操作盒，并與PLC控制器進行通信；(5)具有故障檢測和報警指示功能，如圍欄安全門鎖、安全光柵、急停按鈕和夾具汽缸到位磁性檢測開關、工件安裝防錯檢測開關等。針對機器人中不同的工作程序，如主程序、工位1子程序、工位2子程序、電極修磨程序等，通過I／O口設計不同組合的編碼。當按下起動鍵后，機器人根據接收到的編碼，調用不同的子程序，實現對不同工位的動作。機器人集成系統配電信號示意如圖6所示。

機器人工作站的工作順序如下：首先接通機器人變壓器、點焊控制器、系統控制箱、機器人控制箱各部分電源，再開起冷卻水閥、氣閥開關。并要保證調出示教編程器內的主程序，將觸摸屏上的選擇開關旋至“遙控”檔。然后就可以通過各個工位上的操作盒對工作站系統做“傻瓜式”操作。例如，工位1由人工裝件，按1工位操作盒的“夾緊”按鈕，則氣動夾具夾緊工件，按工位操作盒的“起動”按鈕，則機器人根據已經編好的運動程序，自動焊接。同時2工位人工裝件并氣動夾緊后，按“起動”按鈕，2工位“預約”成功，待焊。當機器人焊完1工位工件的焊接任務后，自動移至2工位焊接，同時1工位夾具松開，人工再次進行工件的裝卸，以此類推，重復動作。

考慮到機器人工作時的安全性要求，PLC程序中做了完備的報警指示功能。其中包括：壓縮空氣、冷卻水、安全門、安全光柵以及NX100機器人等報警指示功能，并通過系統觸摸屏及工位三色燈給予相應的指示。如果一旦有故障發生，則機器人控制柜會切斷機器人電源，機器人自動停止運動。待故障排除后再重新開始工作。

圖6 機器人集成系統配電信號示意

3 實際應用

目前所設計的前縱梁總成件點焊機器人流水線系統已經投入使用，與傳統焊接方式相比，操作簡單，大幅度提高了生產效率，降低了勞動強度，焊接質量穩定，焊點成形美觀。

4 結論

(1)設計了PLC及觸摸屏控制系統，實現了機器人工作站自動、手動操作方式，并具有良好的人機對話界面，報警和指示功能明確。

(2)實踐應用表明，焊接系統穩定，焊點質量優良，具有良好的推廣意義。

[1]林尚揚，陳善本，李成桐.焊接機器人及其應用[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]宋玉銀，方明倫，楊洪夫，等.機器人圖形仿真系統的研制[J].機械工業自動化，1994，16(3)：18-20.

Design of spot welding robot workstation for longitudinal beam in automobile

LI Fang1，2，YANG Hai-lan1，2，HUA Xue-ming1，2，WU Yi-xiong1，2，3，ZHU Lin4
(1.School of Materials Science and Eng.，Shanghai Jiaotong Univ.，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification，Shanghai 200240，China；3.State Key Laboratory of Metal Matrix Composites，Shanghai Jiaotong Univ.，Shanghai 200240，China；4.Shanghai Tractor＆Internal Combustion Engine Co.，Ltd.，Shanghai 200433，China)

This paper presents a spot welding robot workstation for before longitudinal beam in automobile.It is introduced the principle，the system composition and the welding application，which has designed based on MOTOMAN ES165 spot welding robot.The research is used the off-line emulation technique to simulate the robot active status in order to make the spots assignment reasonable and effectively.The control system which has realized the operation way automatically or manually，and has the good human-machine interface is designed through OMRON PLC and touch screen.The application indicated that the welding system is stable；excellent production quality.

spot weld；teaching；robot；workstation

TG438.2

A

1001-2303(2011)07-0007-03

2010-07-07；

2011-02-20

李 芳(1978—)，女，河北磁縣人，助理研究員，博士，主要從事數字化焊接電源的研究工作。