双机器人空间双缝协同焊接工作站的设计

0引言

薄壁零件在焊接过程中会产生较大的内应力，导致较大的变形，当同一零件上具有多道空间焊缝时，该零件的由焊接所产生的变形就非常复杂，不利于分析和控制[1]。在使用常用的减少内应力的方法没有达到满意的效果后，本项目组通过综合分析空间对接焊缝零件焊缝之间热输入量及变形的相互影响，并通过工艺试验论证确定了采用双机器人对该零件进行双缝同步焊接，协同变位机带动焊接零件变位，使焊接位置始终处于最优的状态，以达到保证焊缝成型质量及有效控制焊接变形的目的[2]。

1焊接工艺及流程分析

本方案需将焊缝分为四段焊接。

首先，工件装夹固定完毕后，机械手从长直焊缝一端起弧，根据工艺需要，设定合适的焊接电流、

焊接速度、送丝速度等焊接参数，焊至接近拐角附近位置，如图1（a）所示。

图 1焊接工艺流程图

然后，从拐角附近位置变位机开始旋转，机器人焊枪轨迹点跟随变位机位置变化协调运动，使焊枪始终保持最佳焊接姿态，并选取适当的焊接参数，直到焊过拐角，如图2（b）所示。

接下来，焊过拐角，此时短直焊缝水平向上，变位机停止旋转，机械手夹持焊枪做直线运动，并保持最佳焊枪姿态，完成直线段焊接如图2（c）所示

最后到另一尖角位置，变位机开始旋转，机器人焊枪轨迹点跟随变位机位置协调运动，使焊枪始终保持最佳焊接姿态，并且保持合适的焊接参数。直到焊接完成，如图2（d）所示。

本系统采用人工上料的方式完成工件的装夹与点定，当工人完成装夹后，按启动焊接按钮，系统控制器判断每个气缸是否夹持到位，如果夹持不到位，将给予提示。启动焊接后，机器人按人工示教编程后保存的程序进行焊接，机器人先对直焊缝进行满焊，到直角过度段的时候，机器人控制柜控制协同变位机调整角度，对拐角处的焊缝进行焊接，过完拐角继续焊接另一个平面的直焊缝，最后完成焊接，时效处理后人工下件。流程图如图2所示。

图 2焊接工艺流程图

2系统组成与布局

自动焊接工作站包括机器人分系统、焊接分系统、工装夹具分系统、安全防护分系统和监控分系统。自动焊接工作站采用双缝双弧焊方式，需要两台弧焊机器人；自动化工装夹具通过气缸将工件定位夹紧，在变位机的位姿变换下完成可靠焊接；安全防护分系统用来做工作站的周界防护，避免工人在系统运行时进入工作区域。拟采用的设备有安全光幕、安全门、围栏等；监控分系统控制整个系统的逻辑动作，拟采用PLC来实现各种传感器的控制，并将系统状态信息采集并传输到触摸屏上，操作人员可在工作区域外部清楚地看到整个系统的运行情况，并可通过触摸屏与控制台对系统进行控制。

布局图如图3所示：

1变位机 2滑轨 3机器人 4滑台 5焊接电源 6水冷箱 7拖链 8走线槽

图 3工作站布局图

该工作站设置一个维修门和一个上下料们，技术员可通过维修门进入工作站进行检修和调试，工人通过电动卷帘门进入工作站将工件通过夹具安装到变位机上，适当选取机器人型号以覆盖所有焊缝，该布局方案的优点是上下件安全、方便，各机构在工作中不易产生干涉[3]。

3系统控制

3.1系统控制原理

双机器人自动焊接工作站在控制上分为两个层次：系统主控层和机器人焊接控制层。系统控制原理图如图4所示。

图 4系统控制原理图

系统采用PLC 为主控器，收集各传感器信号，进行逻辑运算，然后输出逻辑动作命令控制机器人、夹具气缸、信号灯等执行结构动作。触摸屏根据需要提取PLC内部寄存器的信号，将工作站的运行状态显示出来。操作盒可实现系统的启动、停止等操作功能。

机器人焊接控制层通过机器人控制柜和焊接电源的信号交互实现对机器人动作、外部轴动作和焊接系统的控制。机器人控制柜是该层的控制器，通过工业现场总线与焊接电源和机器人外部轴进行信号传送，本工作站采用的是ABB弧焊机器人和福尼斯焊接电源，机器人与福尼斯焊接电源采用DEVICENET工业总线进行通讯。两台机器人由一台作为主机器人，另外一台机器人和变位机都作为主机器人的外部扩展轴。两台机器人之间采用机器人协同控制软件和标准工业现场总线进行通讯（该线缆有机器人厂商提供，ABB机器人采用以太网），保证双机器人协同控制。

系统分两种工作模式：手动模式下进行示教编程，机器人各自示教完成后，可通过模拟焊接过程，执行示教焊接程序，通过多次调整各段的示教参数，直到符合要求为止；自动模式下进行自动焊接，如果焊前准备工作完成，确认各参数设置无误，将机器人切换到自动模式进行自动焊接，在自动焊接过程中提供自动保护功能，配合按钮操作盒，操作者实现对工作站的启动停止等控制[4]。

机器人与焊接电源用现场总线DEVICENET模块实现数字化通讯，焊接电流、送丝速度等参数可以在机器人示教器上直接设定，实现不同焊接参数的切换，以适应不同焊缝位置的需要。

本方案将变位机放入到机器人分系统中，充当六自由度机器人的第七轴，由机器人控制柜控制其转动，可以实现机器人和变位机的联动控制，可以保证焊缝为最佳焊接位姿。

3.2手动模式的控制

为了对自动化焊接工作站进行参数设置、调整、排故等工作，工作站除了正常的自动焊接模式外，还需要设计一套手动模式的操作，本工作站在触摸屏上进行手/自动模式的切换，可以将工作模式切换到手动模式。手动控制模式主要在以下操作时使用：

1、零件逐个在夹具上定位夹紧时

考虑现场夹具的操作方便性，在夹具上安装一个夹具控制盒，用于控制夹具的气缸的夹紧与放松，并帮助操作人员保证每一步都夹紧到位。

(1)夹紧按钮：工人手动将零件放到夹具上，按一次，夹紧下一步所对应的气缸，每放好一个零件按一次夹紧按钮，直到夹紧定位好最后一个零件。

(2)放松按钮：当上一步夹紧的零件出现问题时，按放松按钮，放松上一步所对应的气缸，重新摆放零件。

(3)夹具退按钮：当焊接失效处理完成后，需要下件，按一次，放松所有已夹紧的气缸。

(4)单步夹紧指示灯：当单步的所有气缸夹紧到位时，该指示灯会持续亮一秒，然后灭，指示工人可以夹持下一个零件了。如果夹持好零件后该灯没有正常亮起，表示该组气缸有部分没有夹持到位，应该按“夹具退”按钮，排故，重新夹紧。

(5)全部夹紧指示灯：当气缸全部夹紧时，该指示灯会一直亮着，这时候人员可以退出工作站，开始自动模式的焊接。

按钮盒示意图如图5：

图 5夹具控制盒示意图

2、机器人试教编程

在机器人试教编程时，需要将工作站切换到手动模式下，这时候机器人才会将控制的权利交给示教盒。

3、焊接参数的调整

在焊接参数的调整的时候，需要将系统切换成手动模式，焊接电源才允许修改焊接参数。

4、另外说明

在手动模式下，由于人员有可能需要进入工作站区域，所以设定屏蔽光栅报警，检修门关紧不到位报警等报警互锁功能。

3.3自动模式下的控制

本机器人工作站设计了一款T型操作台作为工人进行正常自动化焊接的基本操作平台。该平台具有简洁、方便且安全的特性。该操作台的按钮作用如下：

(1) 启动按钮：双手按下两个按钮，在符合启动条件下，系统将启动，这样有效地防止人员的误操作，提高使用安全性。

(2) 焊接暂停按钮：按下，系统将进入暂停状态，机器人会记录当前焊接位置。

(3) 紧急停止按钮：按下，系统将进入急停，只有当紧急停止按钮撤销后，机器人才能动作。

(4) 程序继续：在急停或暂停取消后，按下程序继续按钮，系统将继续急停或暂停前的工作，为保证焊接质量，机器人控制焊枪往回焊接一小段距离后再往前焊。

T型操作台的按钮分布示意图如图6所示：

图 6 T型操作台

另外，在系统控制上，还有几点需要特别说明：首先，除急停信号外，PLC不对机器人、变位机、焊机系统进行控制，这些都有机器人控制柜进行控制和参数调取；然后，机器人、变位机、焊机系统在手动模式下，可以模拟行走所示教的路径。

4焊接系统故障分析

焊接工艺、机器人的控制以及夹具的合理设计决定了本工作站能否焊接出合格的零件，全面的故障分析及故障处理方法的设计则可提升工作站的可靠性、保障性、安全性和适应性。针对自动化焊接的特点，本工作站对可能出现的故障进行了分析，并设计了工作站遇到这些故障时的逻辑处理方法，并将这些故障显示在人机交互触摸屏上，使技术人员更方便快捷地排故，恢复生产[6]。可能出现的故障如下：

1．夹具气缸夹紧不到位

在自动状态下，当PLC检测到夹具系统中某一个磁感应开关没有导通[5]，表示该位置的气缸夹紧不到位，系统将在自动状态下无法启动或系统暂停，并且触摸屏显示未夹紧的气缸的位置。

2．检修门或者上下料门关闭不到位

在自动状态下，当PLC检测到检修门上的接近开关压紧不到位将触发该报警，系统无法启动；如果在正常焊接中出现该问题，PLC控制系统暂停。

3．光栅报警

在自动状态下，PLC检测光栅没有信号输入，将会触发该报警。此时系统无法启动或焊接暂停。

4. 缺气报警

检测气压开关安装在保护气瓶出口处，可以有效监测气瓶的气量，避免缺气、少气。PLC检测气压开关没有信号输入，将会触发该报警。自动状态下系统无法启动或系统急停，手动状态只报警不限制系统使用

5. 断丝保护

PLC检测到焊丝检测开关没有信号输入，将会触发该报警。自动状态下系统无法启动或系统急停，手动状态只报警不限制系统使用。

6.断弧保护

PLC检测从焊机引出的断弧信号反馈没有信号输入，将会触发该报警。自动状态下系统急停，手动状态只报警不限制系统使用。

7. 机器人碰撞报警

PLC检测到从撞枪传感应器输入的信号，将会触发该报警，此时系统急停。

8. 水流开关报警

水流检测开关安装到冷水箱回流口处，可确保水流经过了焊枪，起到了冷却的效果。PLC检测水流开关没有信号输入，将会触发该报警

系统处理：自动状态下系统急停，手动状态只报警不限制系统使用

9. 机器人报警

PLC检测到机器人报警输入口没有信号输入，将会触发该报警。自动状态下系统急停，手动状态由机器人系统自身判断如何处理

在手动模式下，为了不影响操作，本工作站运行遇到相关报警仍会在触摸屏上显示，但不影响手动操作。

5总结

本自动焊接工作站的焊接参数根据零件的材料特性，结构特性，采取适当的焊接工艺试验得出，将合适的焊接参数通过机器人示教盒存入到机器人控制柜中，在自动焊接过程中，可设定机器人调用，可以设定在不同的焊接位置调用不同的焊接参数。焊接电源、焊枪、送丝机构等焊接系统设备的品牌型号可根据需要自行选定。本焊接工作站的设计思路可推广应用到各种空间焊缝的焊接中。