工業機器人工作站系統集成研究與實踐

李占林 李彥鑫 陳 艷 谷興文

（遼寧理工職業大學，錦州 121007）

機器人是衡量科技創新和制造業水平的標志。“機器人革命”有望成為“第三次工業革命”的切入點和重要增長點，影響全球制造業格局。機器人是“制造業皇冠頂端的明珠”，其研發、制造和應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。錦州立德減振器有限公司專業從事汽車減振器及零件研發、制造、銷售，為了適應減震器規模化生產，解決單調、重復的體力勞動和提高生產質量，計劃用一套焊接機器人代替人工作業。隨著現代科技的不斷前進，工業機器人融合了機械、控制、傳感檢測等多門學科，對于傳統的生產企業來說是一個新技術[1]。錦州立德減振器有限公司與遼寧理工職業學院合作對機器人進行配置、安裝與調試，將機器人投入生產線，代替單調的、重復的體力勞動，提高了生產效率和現代化生產水平。

該項目在松下焊接工業機器人的基礎上，通過示教編程實現了焊接作業。將焊槍移至生產設備實施焊接，提高了生產效率，減輕了操作者繁重的體力勞動。一個完整的工業機器人弧焊系統由工業機器人、焊槍、焊機、送絲機、焊絲及焊絲盤等組成[2]。要想使焊接機器人完成焊接作業適用于生產，必須解決存在的難題。

1 工作站系統組成及各單元間的連接

1.1 工作站系統組成

本工作站采用Panasonic 弧焊工業機器人，配有控制柜和示教編程器。如圖1 所示，通過控制柜連接示教盒和機器人。控制柜內置可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），可以控制一定的輸入輸出。示教盒是機器人的人機界面。通過示教盒，操作員可以查看機器人的工作狀態，修改運行參數，編輯運動程序等[3]。

為了滿足不同的作業要求，機器人工作站的外圍設備十分豐富和復雜。這些外圍設備是根據作業內容、工件類型及質量要求等參數配備的。外圍設備配備的好壞很大程度上影響著機器人的工作效率，是工作站系統設計中不可或缺的部分。

本工作站系統中弧焊系統是各外圍設備中最重要的部分，包括焊接專用電源、送絲機構、焊槍、剪絲器、焊槍清理裝置以及保護氣裝置[4]。在機器人控制柜的控制下，這些設備與機器人系統配合完成弧焊任務。

（1）焊接電源。焊接電源是弧焊系統的重要設備，因為焊接電源的性能直接影響焊接質量。一臺能夠精確控制電壓電流的焊接電源，才能更好地控制焊接質量。系統采用Panasonic YD-350GL 機器人專用焊接電源，能與機器人控制柜通過I/O 通信，并將焊接信號和焊接參數通過控制柜傳遞給焊接電源。

（2）送絲機構。在焊接過程中，送絲機構保證不斷均勻地送入焊絲，以補充焊絲的消耗。在送絲過程中，送絲機應保證送絲的穩定均勻，否則容易卡住送絲機造成送絲困難，影響焊接質量。送絲機綁定在機器人上，其大小和質量對機器人的空間運動有一定的影響。太大和太重的送絲機往往會增大機器人的負荷和運動慣性，進而降低機器人運動時的穩定性和精確性。在焊槍工作一段時間后，焊槍內部可能存在一些飛濺。為了保證焊接質量，需要定期清理飛濺。

（3）焊接保護氣。目前，使用較多的焊接保護氣是二氧化碳保護氣和氬保護氣，兩者各有優缺點。由于二氧化碳氣體熱物理性質的特殊影響，在使用常規焊接電源時，焊絲末端的熔融金屬無法形成平衡的軸向自由過渡，通常需要采用短路和液滴頸縮與爆裂，因此與半自動焊焊接的自由過渡相比，飛濺更多。但是，如果使用高質量的焊機并選擇適當參數，則可以獲得非常穩定的焊接工藝，以最大限度地減少飛濺。由于保護氣體價格低廉，采用短路過渡時焊縫成形良好，使用含脫氧劑的焊絲可獲得無內部缺陷的優質焊接接頭。因此，這種焊接方法已成為黑色金屬材料最重要的焊接方法之一。當使用氬保護氣體時，惰性保護氣體不參與熔池的冶金反應，適用于不銹鋼、鋁、鈦以及位錯等質量要求高或易氧化的各種金屬材料的焊接，但成本高。氬氣也是主要的保護氣體，可添加適量的二氧化碳（15%～30%）或氧氣（0.5%～5.0%）。與二氧化碳氣體保護焊相比，這種保護焊具有更寬的焊接規范、更好的成形性和更好的質量。與半自動焊接相比，這種保護焊熔池更活躍，冶金反應更好。

1.2 各單元間的連接

弧焊機器人各單元間的連接包括焊機和送絲機、焊機和焊接工作臺、焊機和加熱器、送絲機和機器人控制柜、焊槍和送絲機、氣瓶和送絲機氣管等。完成上述工作后，連接焊機電源接入焊絲和保護氣體，即可進行焊接。完整焊接系統的接線，如圖2 所示。

2 弧焊機器人信號設定

通信與I/O 在機器人工作站中十分重要。它可將機器人工作站的各組成部分協調起來，保持工作站有序穩定工作。在機器人工作站的系統編程中，正確處理各I/O 端口的信號是關鍵。機器人控制柜的I/O 端口是進行工作站系統設計時必須了解的內容。在機器人控制柜中，有一個機器人專用的PLC。機器人的內部信號必須通過該PLC 的端口映射到通用輸入輸出端口，與外部設備（包括外部控制器）進行銜接。

本項目中，解決好工業機器人與自動化生產線成套設備之間的交互是生產過程的關鍵。根據生產需求重新定義各個設備接口，統一分配，以滿足通信要求，對整個系統的信息流進行綜合，然后控制各個設備按流程運轉。自動化生產線通過傳感器與機器人連接，每個工位上都裝有傳感器，用于檢測工件位置。當傳感器檢測到某個工位上有信號時，機器人啟動焊接作業。焊接完成后，進行下一工位工件的焊接作業，從而實現自動化生產線與工業機器人之間的信號交互。

為了完成弧焊機器人與生產線的系統集成，必須根據板卡的地址情況分配信號。主要信號有數字輸出信號和數字輸入信號。

3 程序的編制

該項目的焊接機器人屬于示教再現式工業機器人，主要由控制器和示教盒構成[5]。機器人示教編程是操作者與機器人之間的主要通信接口。操作員可通過示教程序對機器人進行操作、示教和編程，并可直接移動機器人。

3.1 規劃機器人的路徑

在編寫程序的過程中，為了避免機器人碰撞和姿態方面的問題，需要規劃機器人的路徑。在選擇機器人的運行軌跡和操作方法時，采用示教點的方法，即在機器人的運行軌跡上設置一些關鍵點，主要包括拾取點Pick、放置點Place、程序起始點Home 以及安全點等。通過這些關鍵點能夠大致確定機器人的運行路線。課程中，操作員通過指示框使用機器人身體將其最終路徑移動到所需軌跡點，記錄該點處每個關節伺服電機的編碼器信息，以及插值模式、速度、精度等。以命令的形式確定，然后機器人控制器搜索這些命令的相應功能代碼，并將其存儲在特定的示教數據區域中。示教時示教盒可以通過幾種坐標系控制機器人的規則運動，從而到達程序登錄點。

常用的坐標系有3 種。第一，關節坐標建立在各運動關節，示教時可以單獨控制各個關節的擺動或回轉，往往用于機器人的快速移動。第二，直角坐標系。使用直角坐標時，可以控制機器人工作點做水平、上下移動和轉動，能夠很好地控制焊槍姿態，因此在示教中應用廣泛。第三，工具坐標建立在工具端點，由于其一軸與工具軸相重合，因此在運動時可以很好地保持工具姿態，是微調作業姿態時常用的一種操作方式。各個坐標系統通過機器人控制柜中的計算器轉換成各個軸運動的脈沖，其運動精度和機器人的伺服電機有很大關系，因此控制系統的運動算法是機器人基礎研究的重要內容。

3.2 運動指令的選擇

在編程機器人時，為了使機器人按照規劃的路徑精確、安全地到達指定位置，必須根據路徑特點擇優選擇機器人的運動指令，主要包括MoveL、MoveJ 和MoveC。示教時，可以使用多種插補方式。最常用的為自由插補MoveJ，機器人能夠根據速度和精度合理安排各個軸的運動方式。直線插補MoveL 也比較常見，往往用于直線上的弧焊。圓弧插補MoveC 比較不常見，多用于焊接一些比較復雜的工件。一般情況下，機器的速度和精度是相互制約的。為了獲得高焊接速度，往往在轉角較大處會由于運動慣性不能獲得高精度。為了獲得高精度，有時不得不犧牲一定的速度。因此，在焊接大轉角焊縫時需要注意速度和精度的均衡。

3.3 程序的結構化設計

為了提高程序的可移植性，采用主程序調用子程序的設計方式，完成搬運機器人所要實現的全部功能，使機器人可以按照預先設置的路徑移動。采用主程序調用子程序的設計方法避免了示教程序過于冗長，同時增加了程序的可讀性。再現時，機器人控制器自動讀取說明書和其他相關數據進行解釋和計算。評估后，相應的控制信號和數據被發送到每個通用伺服系統，以移動機器人，使其準確再現指令動作。該機器人改造集成項目成功實現了減震器生產線的一個工序。機器人投入運行后，將大幅降低了操作者的勞動強度，使操作更為簡便，提高了30%的勞動生產率，同時提高了產品質量，使得合格率由原來的96.0%提高到99.9%。積累相關經驗后，公司逐漸為整條生產增加工業機器人，實現了整個生產線的規范化、科學化和經濟化，減少了單調、重復的體力勞動，提升了公司科學技術水平和生產效率。

4 結語

工業機器人是典型的機電一體化數字化裝備，技術附加值高，應用范圍廣。作為先進制造業的支撐技術和信息化社會的新興產業，工業機器人將對未來生產和社會發展發揮越來越重要的作用。