多機(jī)器人協(xié)同焊接在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

周冰科，高黨尋，姚啟明，王龍兵，徐江波，黃吉才

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

0 引言

近年來焊接機(jī)器人技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、醫(yī)學(xué)、深海探索、軍事等領(lǐng)域。隨著生產(chǎn)量和作業(yè)環(huán)境的不斷變化，有些工作僅靠單機(jī)器人難以承擔(dān)，需要通過多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)才能夠完成。多機(jī)器人系統(tǒng)相比于單機(jī)器人系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn)，如多機(jī)器人系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，環(huán)境發(fā)生變化時(shí)能自我調(diào)節(jié)；多機(jī)器人系統(tǒng)空間分布廣，同時(shí)具有較好的時(shí)間分布性。通過多機(jī)器人之間的協(xié)同作業(yè)，多機(jī)器人系統(tǒng)可以可靠地完成單機(jī)器人無法完成的復(fù)雜任務(wù)，提高生產(chǎn)效率，因此多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)越來越受到關(guān)注。

清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心是清華大學(xué)進(jìn)行工程訓(xùn)練教學(xué)的重要場所，在增強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、提高綜合素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力方面開展了多項(xiàng)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。成形制造實(shí)驗(yàn)室焊接分室是其重要組成部分。為了開闊學(xué)生眼界、掌握多種焊接工藝方法和體驗(yàn)先進(jìn)焊接設(shè)備的魅力，2014 年實(shí)驗(yàn)室先后引進(jìn)3 臺(tái)庫卡弧焊機(jī)器人建設(shè)多機(jī)器人弧焊工作站。

1 課程背景

焊接機(jī)器人是一種工業(yè)機(jī)器人，從事包括焊接和切割等焊割工作，主要由機(jī)器人和焊接設(shè)備組成。傳統(tǒng)的焊接機(jī)器人工作站在實(shí)踐教學(xué)中是通過學(xué)生人工輸入焊點(diǎn)數(shù)據(jù)以及人工規(guī)劃機(jī)器人焊接路徑，焊接完成后需要學(xué)生人工更換焊件，無法實(shí)現(xiàn)焊接路徑的重復(fù)性和均一性，也無法實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器人焊接聯(lián)動(dòng)的效率最大化。要實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)同工作，不僅僅是機(jī)器人數(shù)量和功能上的增加，也要與PLC 控制系統(tǒng)等相匹配，才能實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)同工作。

多機(jī)器人工作站的建設(shè)主要是給學(xué)生一個(gè)更加真實(shí)的工程背景。通過完成一個(gè)典型結(jié)構(gòu)件的焊接，可在實(shí)踐教學(xué)過程中營造突出先進(jìn)性、創(chuàng)新性和綜合性為特點(diǎn)的工程實(shí)踐特色，進(jìn)而拓寬學(xué)生對焊接技術(shù)在自動(dòng)化、機(jī)器人化發(fā)展方面的了解以及對數(shù)字化制造的認(rèn)知。

2 課程建設(shè)和技術(shù)方案

2.1 課程建設(shè)

弧焊機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室所采用的設(shè)備是工業(yè)級(jí)弧焊機(jī)器人，具有工業(yè)實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能。為了滿足課程建設(shè)需求及工業(yè)級(jí)設(shè)備功能要求，在原有的雙弧焊機(jī)器人工作站基礎(chǔ)上再配置一臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人來完成自動(dòng)上下料功能，組成多機(jī)器人工作站，再加裝PLC 控制柜實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人聯(lián)動(dòng)協(xié)同作業(yè)，滿足工程實(shí)踐教學(xué)條件。此外，還需解決多機(jī)器人系統(tǒng)集成與焊接程序的編寫與運(yùn)行，開發(fā)適用于本科生實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的程序。在實(shí)踐教學(xué)中主要通過現(xiàn)場演示管板焊接過程進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。

2.2 多機(jī)器人工作站布局設(shè)計(jì)

多機(jī)器人工作站主要任務(wù)是對同一焊接區(qū)域采用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的焊接機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同焊接。實(shí)驗(yàn)室加購的搬運(yùn)機(jī)器人與原有的雙弧焊機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成倒“品”字形排列，左上為焊接機(jī)器人1（簡稱R1），右上為焊接機(jī)器人2（簡稱R2），下中為搬運(yùn)機(jī)器人（簡稱R3）（圖1）。

圖1 多機(jī)器人工作站布局

2.3 多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)控制程序設(shè)計(jì)

R3 為搬運(yùn)機(jī)器人，它具有系統(tǒng)活動(dòng)的所有信息（包括任務(wù)信息、環(huán)境信息、受控機(jī)器人信息等），可以對任務(wù)進(jìn)行分解與分配，向各個(gè)受控機(jī)器人發(fā)布命令，組合多個(gè)機(jī)器人協(xié)作完成任務(wù)。受控機(jī)器人為兩臺(tái)焊接機(jī)器人R1、R2，它只與主控機(jī)器人進(jìn)行信息交換，接收命令、完成任務(wù)。整個(gè)過程中的信號(hào)通信通過PLC 控制柜傳輸。

R3 在作業(yè)過程中只負(fù)責(zé)搬運(yùn)和發(fā)布命令，首先它將焊接原料板和管分別從原料區(qū)搬運(yùn)到工作臺(tái)上，工作臺(tái)上有氣動(dòng)夾緊裝置。到位之后向R1、R2 兩臺(tái)焊接機(jī)器人發(fā)送信號(hào)，命令它們?nèi)ズ附佣ㄎ唬琑1、R2 點(diǎn)焊完成之后，將信號(hào)反饋給R3，R3 接收到信號(hào)后將工件搬運(yùn)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(tái)電磁閥為不銹鋼材料，如果在電磁閥上施焊，過程中會(huì)有電流通過，可能導(dǎo)致電磁閥與工件連接或電磁閥損壞失效）就位后向R1、R2 發(fā)送焊接信號(hào)，R1、R2 接收到信號(hào)后進(jìn)行自動(dòng)焊接，完成后將信號(hào)反饋給R3，R3 收到信號(hào)后將焊完的工件搬運(yùn)到原料區(qū)，R3 歸位，完成管板焊接過程。運(yùn)行路徑如圖2 所示。

圖2 多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)運(yùn)行路徑及真實(shí)焊接場景

3 實(shí)踐內(nèi)容

3.1 材料及工藝參數(shù)

根據(jù)實(shí)踐教學(xué)需要與平臺(tái)支持，提供材料與工藝參考（表1）。

表1 材料及工藝參數(shù)

3.2 實(shí)施焊接

按照預(yù)先設(shè)定的程序和準(zhǔn)備好的材料實(shí)施多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)全自動(dòng)焊接，經(jīng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師和學(xué)生實(shí)踐操作使用后，與傳統(tǒng)單機(jī)器人焊接對比有以下優(yōu)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(dòng)焊接使得焊接質(zhì)量得到顯著提高，對實(shí)踐教學(xué)效果有很大提升。

多機(jī)器人系統(tǒng)焊接效果如圖3 所示。對于參加工程實(shí)踐的學(xué)生來說，該系統(tǒng)更容易上手操作，有助于他們對焊接自動(dòng)化技術(shù)有深刻的認(rèn)識(shí)，得到學(xué)生的廣泛好評(píng)。

圖3 管板焊接效果

4 結(jié)語

多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)顯著提高了弧焊機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)水準(zhǔn)，體現(xiàn)了焊接技術(shù)在自動(dòng)化和智能化發(fā)展的前沿狀態(tài)，為弧焊機(jī)器人特色化實(shí)踐教學(xué)提供了一個(gè)重要的硬件平臺(tái)，提高了實(shí)踐教學(xué)的前沿性和真實(shí)性，為培養(yǎng)本科生的工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新意識(shí)起到了積極作用。