組成機器人自動電阻點焊系統(tǒng)的路徑淺析

余正富

（長沙安萊德汽車零部件有限公司，湖南 長沙 410100）

前言

制造一臺車需要用到點焊、鉚接、弧焊等眾多連接工藝，連接工藝越精巧，越嫻熟，那么設(shè)備的強度、抗腐蝕性、可靠性、安全性就會大大提高，點焊工藝是連接工藝中的常用工藝，也是主要工藝，研究點焊工藝對于工業(yè)設(shè)備的成本、能耗、效率還有安全等方面有很大的促進作用。

1 機器人點焊系統(tǒng)的組成

機器人的技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，日本的FANUC 株式會社研發(fā)的“FANUC 2000iB210F”全電動型工業(yè)機器人銷量遍布全球，被廣泛應(yīng)用于弧焊、點焊、處理、裝配、噴漆等工業(yè)制造的過程中，實現(xiàn)全自動化的工業(yè)生產(chǎn)。機器人系統(tǒng)的引入打破了傳統(tǒng)焊接那種勞動力密集型的工作模式，讓焊接質(zhì)量的波動得到控制，生產(chǎn)效率可以維持在一個較為平穩(wěn)的范圍內(nèi)。機器人的電阻點焊系統(tǒng)由七個部分組成，我們需要先解析這七個組成部分，然后再探討電阻點焊系統(tǒng)的實現(xiàn)方案：

1.1 系統(tǒng)組成

在機器人自動點焊系統(tǒng)中，PLC、機器人、焊機、焊鉗是幾個比較主要的組成部分，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、電極修磨器、配電系統(tǒng)等是電阻點焊系統(tǒng)中的重要輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)分成兩層網(wǎng)絡(luò)。PLC 是機器人自動電阻點焊系統(tǒng)中第一層網(wǎng)絡(luò)的主控制單元，負責系統(tǒng)的信號輸出輸入，整個工位的運轉(zhuǎn)需要由PLC 負責。PLC 的控制設(shè)備包括工位夾具、機器人、轉(zhuǎn)臺、滾床、輸送鏈、光幕、光柵、掃描儀等。電阻點焊系統(tǒng)的第二層網(wǎng)絡(luò)以機器人作為主控制單元，負責焊機焊槍、涂膠設(shè)備、抓手、鉚接設(shè)備等部件的運作。

1.2 機器人構(gòu)成

機器人的組成分成三個部分，控制系統(tǒng)、手持操作編程器還有最關(guān)鍵的機器手，整個組件由六個轉(zhuǎn)動軸連接，這使得機器人沿XYZ 向和XYZ 向進行六個轉(zhuǎn)動自由度的空間運動，機器手的動能由控制系統(tǒng)操作機器人的伺服電機提供。機器人轉(zhuǎn)動軸有很高的定位精度以及運動速度，重復(fù)定位可控制在±0.08 mm 內(nèi)，且能按照2～3 m/s 的速度移動，通過編程，機器人可以高效靈活的完成點焊工作中的復(fù)雜作業(yè)[1]。

1.3 焊機/焊接控制器

焊接使用梅達MID-05A-IC-PNET 焊接，基于WinCC 操作系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)控制，采用的架構(gòu)為WinCC7.4 SP1 CS，通過V1456WinCC 進行圖形運行，最大可連接4 個客戶機，配備鈦合金錫池、鈦合金泵、免維護微滴噴涂助焊劑系統(tǒng)。

1.4 冷卻循環(huán)水控制單元

水氣供給單元需要具備過濾、檢測、控制等功能，單元面板包括進氣回路、進水回路、回水回路等三個部分；除此之外單元面板外設(shè)置有安全圍欄，回路組成包括過濾減壓閥、油霧分離器、殘壓釋放閥、數(shù)顯壓力開關(guān)、電氣比例閥以及快換接頭，閥門處連接消聲器。水源接入黃銅球閥后通過鍍鋅管依次連接水過濾器、電磁閥接入快換接頭[2]。電控夾具采取供應(yīng)硅碳棒不銹鋼夾具，夾連接帶使用硅碳棒夾具對其進行固定，接觸元件的連接導線采用鋁紡織帶或多層鋁箔，導線的末端與母線聯(lián)結(jié)。

2 機器人電阻點焊系統(tǒng)實現(xiàn)方案

如前文所提，點焊系統(tǒng)是一個大系統(tǒng)方案囊括各個小系統(tǒng)方案，我們分析了電阻點焊系統(tǒng)中的系統(tǒng)組成、機器人構(gòu)成、焊機/焊接控制器、冷卻循環(huán)水控制單元四個組成部分，那么為了實現(xiàn)自動化，我們就要規(guī)劃配電配網(wǎng)方案、安全方案、焊接通電時序控制方案、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)方案等幾個實現(xiàn)方案，如此才能保證機器人電阻點焊系統(tǒng)的有效運行。

2.1 PLC 設(shè)計方案

PLC 選用西門子的西門子CPU319F-3PN/DP，系統(tǒng)以WinCC 進行外部通訊連接以及指令傳輸，系統(tǒng)具備自然語言理解，通過對代碼指令的編寫和圖像分辨率，PLC 可以實現(xiàn)“人”“機”之間的信息交流。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后，接收來自LOCO的生產(chǎn)指令。同時也適時將過程數(shù)據(jù)（如產(chǎn)量、濕度、溫度、壓力等）進行上傳與采集，同時采集的數(shù)據(jù)能幫助使用者進行數(shù)據(jù)分析，用于改善產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)計劃等。CPU319F-3PN/DP 的性能非常良好，得益于西門子的全新架構(gòu)，該CPU的性能相對之前的版本提升了 50%以上，通過集成PROFINET 接口，CPU319F-3PN/DP 可以連接分布式站中的安全I/O 模塊，同時也能連接安裝在中央機架中的ET200M故障安全I/O 模塊，從而形成集中或者分布式操作標準模塊，并集成Web 服務(wù)器，用于組建的CBA 系統(tǒng)自動化，保證PROFIBUS DP 智能設(shè)備的運轉(zhuǎn)。

2.2 斷路器設(shè)計

斷路器動觸頭結(jié)構(gòu)包括觸頭框架1，所述觸頭框架1 設(shè)有轉(zhuǎn)軸103，所述觸頭框架1 內(nèi)安裝有并聯(lián)導體、觸頭彈簧，其特征在于：所述并聯(lián)導體包括一組主觸頭2 和一組弧觸頭3，所述主觸頭2 和弧觸頭3 均設(shè)有用于穿過轉(zhuǎn)軸103 的轉(zhuǎn)軸孔，所述主觸頭2 的觸點位置4 與轉(zhuǎn)軸孔之間的距離大于或小于弧觸頭的觸點位置4 與轉(zhuǎn)軸孔之間的距離。現(xiàn)有的斷路器動觸頭只設(shè)有一組主觸頭，導體數(shù)量依據(jù)不同的使用要求而不盡相同，少至三個，多至十幾個甚至更多，在原來并聯(lián)導體數(shù)量、寬度不變的情況下，設(shè)置一組弧觸頭，觸點與轉(zhuǎn)軸孔之間的距離變小時，觸頭電動斥力中的補償力得到提高，各動觸頭片所受電動斥力會減小；反之，各動觸頭片所受電動斥力會增大。主、弧觸頭在受到電磁斥力時作用力與力臂不同，在短時耐受電流時，主、弧觸頭之間會出現(xiàn)一個輪番斥開現(xiàn)象，而當其中一組觸頭斥開時，另一組觸頭在觸頭彈簧反力的作用下，又與靜觸頭接觸，這樣在同一時間，總有一組觸頭在通電，因此，在產(chǎn)品承受短時耐受電流時，動、靜觸頭之間不會完全斥開，因而提高了產(chǎn)品的短時耐受電流能力。

2.3 焊機/焊接控制器

設(shè)計師需要借助虛擬操作迅速發(fā)展焊接期間存在的主要缺陷問題，明確導致性能受到影響的主要因素，使焊接系統(tǒng)在自動狀態(tài)下啟動機器人焊接后，通過NNC-ANNS inversedynamics 模型學習裝置組成一般比例-積分-微分控制裝置反饋控制器，進而確保ANNS 控制系統(tǒng)全局處于穩(wěn)定狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上起到參考模型作用，同時給出NNC -ANNS 的誤差信號，使NNC -ANNS 實現(xiàn)同步控制，讓焊接系統(tǒng)在控制開始及系統(tǒng)系數(shù)出現(xiàn)改變時，可以依靠逆動態(tài)特性時對系統(tǒng)予以控制，并通過訊號指示完成焊鉗夾緊、加壓、通電、加壓釋放等工序，而為實現(xiàn)焊接工藝效益的最大化，我們要進行機架結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)動、焊接機整體移位機構(gòu)的設(shè)計工作。

2.4 冷卻循環(huán)水控制方案

冷卻循環(huán)水通過水氣電橋架對焊接設(shè)備進行冷卻，水冷系統(tǒng)是保證電阻點焊系統(tǒng)能否持續(xù)自動焊接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，冷卻水控制單元依靠信號進行設(shè)備控制，循環(huán)水回路的進水回路開關(guān)由系統(tǒng)的電磁閥控制，利用單向閥導通冷卻水回路，讓水流循環(huán)經(jīng)過單向閥完成系統(tǒng)的冷卻效果，關(guān)閉單向閥，則冷卻水回路斷開，這樣便能阻止出水回路的冷卻水在設(shè)備停轉(zhuǎn)之后繼續(xù)回流的情況發(fā)生。

控制單元的信號為電子脈沖流量計，通過導通流量值高低起到公差帶的作用，如果水流量發(fā)生異常，電子脈沖流量計的信號反饋會轉(zhuǎn)變成低電平，工作人員便會知道出現(xiàn)循環(huán)水異常的問題。