多機器人協同焊接在實踐教學中的應用

周冰科，高黨尋，姚啟明，王龍兵，徐江波，黃吉才

（清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

0 引言

近年來焊接機器人技術得到了迅猛發展，在各行各業得到廣泛的應用，如工業生產、航空航天、醫學、深海探索、軍事等領域。隨著生產量和作業環境的不斷變化，有些工作僅靠單機器人難以承擔，需要通過多臺機器人協同作業才能夠完成。多機器人系統相比于單機器人系統有諸多優點，如多機器人系統適應環境能力強，環境發生變化時能自我調節；多機器人系統空間分布廣，同時具有較好的時間分布性。通過多機器人之間的協同作業，多機器人系統可以可靠地完成單機器人無法完成的復雜任務，提高生產效率，因此多機器人協同作業越來越受到關注。

清華大學基礎工業訓練中心是清華大學進行工程訓練教學的重要場所，在增強學生工程實踐能力、提高綜合素質、培養創新精神和創新能力方面開展了多項實踐教學活動。成形制造實驗室焊接分室是其重要組成部分。為了開闊學生眼界、掌握多種焊接工藝方法和體驗先進焊接設備的魅力，2014 年實驗室先后引進3 臺庫卡弧焊機器人建設多機器人弧焊工作站。

1 課程背景

焊接機器人是一種工業機器人，從事包括焊接和切割等焊割工作，主要由機器人和焊接設備組成。傳統的焊接機器人工作站在實踐教學中是通過學生人工輸入焊點數據以及人工規劃機器人焊接路徑，焊接完成后需要學生人工更換焊件，無法實現焊接路徑的重復性和均一性，也無法實現多臺機器人焊接聯動的效率最大化。要實現多機器人協同工作，不僅僅是機器人數量和功能上的增加，也要與PLC 控制系統等相匹配，才能實現多機器人協同工作。

多機器人工作站的建設主要是給學生一個更加真實的工程背景。通過完成一個典型結構件的焊接，可在實踐教學過程中營造突出先進性、創新性和綜合性為特點的工程實踐特色，進而拓寬學生對焊接技術在自動化、機器人化發展方面的了解以及對數字化制造的認知。

2 課程建設和技術方案

2.1 課程建設

弧焊機器人實驗室所采用的設備是工業級弧焊機器人，具有工業實現的各項功能。為了滿足課程建設需求及工業級設備功能要求，在原有的雙弧焊機器人工作站基礎上再配置一臺搬運機器人來完成自動上下料功能，組成多機器人工作站，再加裝PLC 控制柜實現多機器人聯動協同作業，滿足工程實踐教學條件。此外，還需解決多機器人系統集成與焊接程序的編寫與運行，開發適用于本科生實踐教學環節的程序。在實踐教學中主要通過現場演示管板焊接過程進行教學活動。

2.2 多機器人工作站布局設計

多機器人工作站主要任務是對同一焊接區域采用兩臺或兩臺以上的焊接機器人進行協同焊接。實驗室加購的搬運機器人與原有的雙弧焊機器人在實驗室內成倒“品”字形排列，左上為焊接機器人1（簡稱R1），右上為焊接機器人2（簡稱R2），下中為搬運機器人（簡稱R3）（圖1）。

圖1 多機器人工作站布局

2.3 多機器人協同作業控制程序設計

R3 為搬運機器人，它具有系統活動的所有信息（包括任務信息、環境信息、受控機器人信息等），可以對任務進行分解與分配，向各個受控機器人發布命令，組合多個機器人協作完成任務。受控機器人為兩臺焊接機器人R1、R2，它只與主控機器人進行信息交換，接收命令、完成任務。整個過程中的信號通信通過PLC 控制柜傳輸。

R3 在作業過程中只負責搬運和發布命令，首先它將焊接原料板和管分別從原料區搬運到工作臺上，工作臺上有氣動夾緊裝置。到位之后向R1、R2 兩臺焊接機器人發送信號，命令它們去焊接定位，R1、R2 點焊完成之后，將信號反饋給R3，R3 接收到信號后將工件搬運到空中（這一步的目的：一方面避開障礙物方便施焊，另一方面是工作臺電磁閥為不銹鋼材料，如果在電磁閥上施焊，過程中會有電流通過，可能導致電磁閥與工件連接或電磁閥損壞失效）就位后向R1、R2 發送焊接信號，R1、R2 接收到信號后進行自動焊接，完成后將信號反饋給R3，R3 收到信號后將焊完的工件搬運到原料區，R3 歸位，完成管板焊接過程。運行路徑如圖2 所示。

圖2 多機器人協同作業運行路徑及真實焊接場景

3 實踐內容

3.1 材料及工藝參數

根據實踐教學需要與平臺支持，提供材料與工藝參考（表1）。

表1 材料及工藝參數

3.2 實施焊接

按照預先設定的程序和準備好的材料實施多機器人協同作業全自動焊接，經實驗指導教師和學生實踐操作使用后，與傳統單機器人焊接對比有以下優勢：

（1）焊接過程得到大量簡化，不用頻繁的人工定位與上、下料，提高了焊接效率。

（2）全自動焊接使得焊接質量得到顯著提高，對實踐教學效果有很大提升。

多機器人系統焊接效果如圖3 所示。對于參加工程實踐的學生來說，該系統更容易上手操作，有助于他們對焊接自動化技術有深刻的認識，得到學生的廣泛好評。

圖3 管板焊接效果

4 結語

多機器人協同作業顯著提高了弧焊機器人實踐教學水準，體現了焊接技術在自動化和智能化發展的前沿狀態，為弧焊機器人特色化實踐教學提供了一個重要的硬件平臺，提高了實踐教學的前沿性和真實性，為培養本科生的工程實踐能力及創新意識起到了積極作用。