基于机器人的充气机柜焊接系统

林晓东，刘华中，肖立军

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

1 焊接系统概述

本系统是为适应SF6充气机柜的自动焊接而设计，采用了专用焊接机器人、CMT冷金属过渡焊接等先进技术，实现了充气机柜的大批量、多品种的连续焊接；焊接后的工件焊道均匀、平整、美观，经检测满足其技术要求。

1.1 系统组成

1）焊接机器人；

2）数字化CMT焊机；

3）控制系统；

4）监控系统。

1.2 系统配置

系统的总控采用内置Profibus DP接口的PLC；专用焊接机器人操作系统具有良好的开放性，与其他外部设备连接方便；由于充气机柜对焊机的性能要求比较高，因此采用了全数字化控制的逆变式焊机，具有CMT/MIG/MAG等多种焊接方式。

图1 系统配置

2 系统工作过程

机器人采用正立安装的形式，两侧各安装有一台变位机；变位机上安装有卡具，方便工件的安装定位。

系统设置两个工位，A工位为机柜的壳体焊接，B工位为机柜的封板焊接，A工位焊接完之后的工件进行内部器件安装，完成后经检验合格，进入B工位进行封箱焊接；机器人在焊接一个工件时完成另一个工件的卸下和装卡，实现了工件的连续焊接。

3 系统各部件的配置及连接

3.1 数字化焊机工作方式

机器人与焊机的通讯有多种连接方式可选，在满足要求、不增加成本的前提下，采用机器人内置的Devicenet协议方式通讯，具有可靠性高，信号扩展方便等优点。

焊机采用JOB工作方式，在焊接工艺确定后，将此工艺参数以JOB号的方式存储到焊机中；机器人焊接时，以JOG号的方式调用相对应的焊接参数。此种方式操作简单，工艺稳定，适合多条焊道多种焊接参数的连续焊接。

3.2 焊接机器人与PLC的连接及焊机信号的传递

PLC与焊接机器人采用Profibus DP总线方式连接，通过触摸屏设置焊接的工件类型，监测焊机的工作状态及焊接时的电压、电流；当焊机出现故障时，机器人立即暂停焊接，并在触摸屏上显示出焊机的故障代码，发出报警信号，提醒操作员注意。

焊机与机器人的连接使用Devicenet协议，机器人与PLC间的通讯使用的是Profibus DP协议，因此如果想在触摸屏上显示焊接的电压电流，需要在机器人内部进行信号的链接，详细见机器人配置EIO文件。

3.3 机器人与PLC连接方法

3.3.1 PLC硬件组态

将焊接机器人厂家提供的GSD文件加入PLC元件库，在硬件配置中调用，这样就可以完成基于Profibus协议的连接，但在DP总线上机器人只能作为从站来使用。

3.3.2 机器人侧配置方法

EIO配置文件：

EIO:CFG_1.0:5:0::

EIO_UNIT_TYPE:

……

-Name ＂DP_SLAVE_FA＂ -BusType ＂PBUS＂-VendorName ＂ABB Robotics＂

-ProductName ＂Profibus-DP Fieldbus Adapter Slave＂ -InternalSlave

-PB_ProductId 6161 -PB_InputSize 8 -PB_OutputSize 8

EIO_SIGNAL:

-Name ＂Prog_No＂ -SignalType＂GI＂ -Unit ＂Profibus＂ -UnitMap ＂32-47＂

……EIO_COMMAND_TYPE:

-Name ＂LinkAddr＂ -UnitType＂d350A＂ -DefValue ＂1＂ -OrderNr 1

-DN_Path ＂6,20 64 24 01 30 01,C6,1＂ -DN_Service 16

……

EIO_ACCESS:

-Name ＂ALL＂ -Rapid -LocalManual-LocalAuto -RemoteManual -RemoteAuto

……

3.3.3 焊机的机器人侧EIO文件配置方法

EIO:CFG_1.0:5:0::

EIO_BUS:

-Name ＂DeviceNet1＂ -BusType ＂DNET＂-ConnectorID ＂PCI1＂

-ConnectorLabel ＂First DeviceNet＂EIO_UNIT_TYPE:

……

-Name ＂BK5250＂ -BusType ＂DNET＂-VendorName ＂BECKHOFF＂

-ProductName ＂BECKHOFF＂ -DN_VendorId 108 -DN_ProductCode 5250

-DN_DeviceType 12 -DN_C1Interval 30 -DN_C1OutputSize -1 -DN_C1InputSize -1

EIO_UNIT:

-Name ＂ioFronius1＂ -UnitType ＂BK5200＂-Bus ＂DeviceNet1＂ -DN_Address 20

-Name ＂ioFroniusSim1＂ -UnitType ＂Virtual＂-Bus ＂Virtual1＂

-UnitLabel ＂RWArc Simulated welder＂

……

EIO_CROSS:

-Res ＂siFr1WelderOK＂ -Act1 ＂soFr1WelderOK＂

……

4 工件点焊及装卡过程产生偏差的解决

由于待焊工件在装卡及点焊过程中的误差累计会造成和标准件（机器人示教的首个工件）的偏差，偏差过大则会造成焊接质量的下降，因此有必要在焊接前对工件进行检测；焊接机器人采用SmarTac进行焊前检测，根据计算出来的偏移值自动补偿，使工件的偏差量降到焊接可以接受的范围内。

4.1 标准SmarTac的检测方法

在对工件进行安装后，定义起始搜索点和终止搜索点 (此时起始搜索点和终止搜索点是同一个点)，当以后所安装的工件发生偏移后，机器人从起始搜索点沿着终止点的方向直线搜索，直到找到终止搜索点,因此就可以计算出前后两次终止搜索点的偏移距离，就可以得出焊缝的相对偏移距离。

4.2 SmarTac检测信号

机器人内部集成有焊机配置文件，SmarTac需要用到标准配置文件中的以下信号：

1）两个输出信号：

doSE1_SEL: 用于使能SmarTac寻找功能。

doSE1_REF: 设置寻找工件时的电压。

2）两个输入信号：

diSE_DET：工件检测的反馈信号，diSE_DET=1表示工件检测成功，diSE_DET=0表示没有检测到工件。

diSE_VALID: 表示检测的电平变化信号是否有效，通常不用。

在实际检测过程中，系统将doSE1_SEL和doSE1_REF设置为高电平，系统开始寻找工件，如果探测到工件，diSE_DET会被设置为高电平，此时机器人停止移动并记录此时的机器人坐标点，然后计算出工件的偏移。通过使用坐标偏移语句，如PdispSet等语句系统会自动将偏移量加载到以后的路径上。

通过上述方法，实现了通过焊丝的接触来检测工件的偏差，抵消了待焊件与标准件的偏差，减少了偏差造成的工件补焊，降低了工件的废品率。

5 结束语

本设备针对箱柜焊接而开发，既可以作为单台设备来使用；也可以通过DP或DEVICENET与外部设备进行通讯，作为生产线上一个模块来使用；通过更改卡具，可以焊接其它类型的工件。具有可靠性高，工艺稳定等诸多优点，自交付使用以来，提高了生产效率，客户反应良好。

[1] 崔坚, 李佳, 杨光. 西门子工业网络通讯指南[M]. 北京:机械工业出版社, 2005.Cui Jian. Li Jia. Yang Guang. Siemens Industrial network communication guidelines [M]. Beijing. Machinery Industry Press, 2005.

[2] 西门子(中国)有限公司. SIEMENS STEP7 5.4编程手册,2008.Siemens (China) Limited. SIEMENS STEP7 5.4 Programming Guide, 2008.

[3] ABB(中国)有限公司. SMARTAC手册.ABB (China) Co., Ltd. SMARTAC Manual, 2005.

[4] ABB(中国)有限公司, 机器人编程手册, 2005.ABB (China) Co., Ltd. Robot Programming Manual, 2005.

[5] 福尼斯(中国)有限公司.TPS5000焊机操作手册, 2005.Fronius (China) Co., Ltd. TPS5000 welder manual, 2005.