汽车点焊机器人控制系统的设计

2012-12-23梁文祯

汽车零部件 2012年3期

梁文祯

(广东水利电力职业技术学院，广东广州510635)

0 引言

随着国内汽车行业的迅猛发展，工业机器人的应用越来越广泛。焊接技术是汽车制造业中的重要环节。随着现代高技术产品的发展和对焊接产品质量、数量的需求不断提高，以焊接机器人为核心的焊接自动化技术已有了长足的发展［1］。汽车工业是点焊机器人系统一个典型的应用领域，在装配每台汽车本体时，大约60%的焊点是由机器人完成［2］。焊接机器人的自主化和智能化对于减轻工人的劳动强度和提高机器人的焊接质量具有重要意义。因此，汽车点焊机器人控制系统的研发显得尤为重要。笔者设计了一套汽车点焊机器人控制系统。

1 系统总体方案

汽车点焊机器人控制系统由控制器、人机界面、焊接机器人、电极研磨器、焊接控制器、操作台、夹具以及安全保护装置组成，如图1 所示。

2 系统硬件设计

2.1 控制器

控制器选用OMRON CS1 PLC，具有快速的扫描时间，较大的I/O 吞吐量，足够大的内部RAM，支持DEVICENET 总线技术通讯，中、大规模的程序存储容量和数据结构，对二进制和浮点运算具有较高的处理能力的特点。

2.2 焊接机器人

为了满足生产要求，点焊机器人选用关节式工业机器人，一般具有六个自由度:腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。其驱动方式有液压驱动和电气驱动，其中电气驱动具有保养维修简单、能耗低、速度快、精度高、安全性好等优点。汽车点焊机器人要求动力强劲，结实可靠，焊枪定位精度在±0.4 mm 以下。本系统选用KUKA KR2000 机器人，具有最大负荷200 kg，焊枪定位精度为±0.1 mm，工作稳定，运动速度快等特点，能够满足系统需求［3-4］。

2.3 焊接控制器

焊接控制器选用Rexroth Bosch 焊接控制器，能够对电极压力(预压、加压、维持、休止)时间和电极电流(预热、焊接、热处理脉冲)时间进行任意编程，具有电极焊接计数、自动报警、提示修磨电极更换的功能。

2.4 电极研磨器

电极研磨器选用ORARA 的V 型电极研磨器，具有防止上下电极的对中偏差，短时间内进行切削，低噪音的电动马达加齿轮驱动，内置能减缓对焊枪和研磨器造成冲击的平衡器的特点。

2.5 安全保护装置

为防止机器人作业时造成伤人事故，采用多重安全防护技术。安全防护包括急停控制回路和安全控制回路。常用的安全保护装置有安全光栅、安全锁、安全继电器、光电开关、安全地毯、安全激光扫描仪等。安全保护的设计采用双通道结构的安全回路，严重的安全信号能令机器人急停，较低的安全信号令机器人暂停。

2.6 夹具

在焊接过程中，合理的夹具结构有利于合理安排流水线生产，便于平衡工位，降低非生产用时。汽车焊接材料主要是薄钢板，刚性差、易变形。在结构上，焊接散件大多数是具有空间曲面的冲压成形件，形状和结构复杂。有些型腔很深的冲压件，除存在因刚性差而引起的变形外，还存在回弹变形。因此，在焊装过程中必须使用多点定位的专用焊装夹具，以保证部件整体的焊接精度［5］。

3 系统软件设计

3.1 控制系统主程序的设计

点焊机器人控制系统经过一系列的初始化设备后，进入主循环。主循环主要是判断故障，处理操作台和人机界面，控制夹具、点焊机器人和焊接控制器。采用OMRON 公司的软件包CX-Programmer 软件，支持语句表(STL)、梯形图(LAD)和控制系统流程(CSF)。控制系统主程序包括:(1)MAIN 子程序负责操作台上的按钮，选择开关，急停开关等状态的读取，判定操作者在此操作台上设定的操作模式;(2)DISPLAY 子程序负责相关功能界面的选择，完成触摸屏的显示、触摸屏上对各设备的操作;(3)JIG1 和JIG2 子程序负责夹具上接近开关，行程开关，气缸上磁性开关等状态的读取，完成夹具的时序控制;(4)ROBOT 子程序完成机器人初始化，实现机器人的各种动作时序的控制以及机器人的状态报警等等;(5)TIMER_TIPDRESS 子程序负责监视当前生产数，控制修磨时间以及电极更换。

3.2 操作台和人机界面程序的设计

控制系统的人机接口包括操作面板、触摸屏和机器人示教盒。在操作面板上，可实现系统运行方式的切换、作业程序号选择、故障复位、工件装夹、夹具调试、急停和系统状态显示等功能。触摸屏显示系统各部分的工作状态，并且完成一些手动操作、参数输入、查看报警信息等。示教盒完成机器人的示教编程及机器人工作状态参数的设置和显示。

3.3 焊接机器人控制程序的设计

机器人动作控制和作业信号处理是焊接机器人的主要任务。机器人动作控制采用示教再现或离线编程法(OLP)实现。机器人对系统状态信号进行动态实时监控和响应，并且具程序中断、断点数据自动记录和从断点恢复执行的功能。PLC采用DEVICENET 总线与KUKA 机器人进行通讯，控制机器人完成各个生产工艺。KUKA 机器人拥有128 个中断，但同时运行的中断不能超过32 个。中断用于异常情况或刹车等紧急情况，并且直至问题被排除才退出中断服务，回到程序继续执行。

3.4 焊接控制器参数的设计

系统使用BOSCH 6000 系列中频逆变焊接控制器。利用该控制器配置焊接过程的参数(包括预压延迟时间、预压时间、预热时间、预热热量、冷却时间1、上升加热时间、上升加热热量、焊接时间、焊接热量、下降热量时间、下降热量结束值、冷却时间2、冷却时间3、回火时间、回火热量、保持时间以及休止时间)。控制器与焊接机器人进行通讯，根据上面配置的焊接参数以及相应的焊接规范进行焊接，最终完成机器人的指令。