基于工业机器人自动生产线总体设计与技术应用分析

吕会安

广州数控设备有限公司 广东 广州 510530

引言

自动化生产线作为各项技术运用的融合落脚点，随着各项技术进步也不断更新换代，如机器人从最开始的只用于搬运开始扩展喷涂、焊接、甚至筛选等领域不断延伸；产品识别从手写标签到条形码、二维码、RFID，识别效率越来越快等等。因此，为了能够更好地满足当前社会发展需要，有效减轻人员工作强度，提高制造业加工质量，就需要合理应用先进技术，将先进技术引入到各个生产工作过程中，以提高生产效益。本文以某金属支架连杆焊接加工生产为研究对象，设计自动化生产线，提升其生产效率，改善其品质，为企业发展助力，同时也为后续推广应用提供基础。

1 某金属支架自动焊接中存在的问题

某金属支架连杆焊接可靠性非常重要，但连杆采用自动化焊接从技术和经济性等方面存在两方面的问题：

1.1 程序调用繁复

金属支架本质上是多品种产品，不同型号的产品需要使用机器人焊接，就需要编制不同的程序，支架连杆为格子间类型，焊缝种类多，程序编制复杂。同时，为了保证焊接质量，控制焊接变形，又需要按照特定焊接顺序进行往复多层多道焊接，程序调用较为繁复。在交期越来越短的情况下，机器人工作站往往处于不断编程的状态，设备使用率很低。

1.2 焊接效率低

由于产品设计不断变化，制造厂家无法使用统一工装进行组对，普遍采用人工画线的方式组对。金属支架连杆在焊接过程中必然会产生焊接变形，不仅多层多道的打底轨迹需要寻位纠偏，而且每次的填充轨迹或盖面轨迹也极有可能需要寻位纠偏。导致机器人在焊接程序中需加入大量纠偏寻位程序，在进一步加大编程工作量的同时也导致在实际焊接过程中机器人不断寻位，使之不能持续燃弧且焊接效率较低，生产效率自然也就不高。

2 制造执行系统和激光视觉焊缝跟踪技术的应用

基于以上问题，本文引入以MES系统为核心制造执行系统应用，提炼典型生产过程，并结合激光视觉焊缝跟踪系统等先进技术手段，建立智能制造管控系统。

2.1 制造执行系统

MES系统包括工艺设计模块、排程管理模块、设备管理模块、测量与刀补模块、生产统计模块及系统设置模块。工艺设计模块支持对EBOM的编辑并生成PBOM，基于PBOM进行订单生产。排程管理模块支持手动和自动排程，自动排程可以分为质量优先、数量优先两种模式，在手动模式下，用户可以在系统页面内进行每道加工工艺任务的下发，系统对加工任务进行下发后，机械手按照下发的加工任务自动进行零件的上下料动作[1]。设备管理模块，可以显示自动化平台中加工设备、机械手、料库的显示，并自动对设备的状态进行动态反馈及实时显示。同时系统页面中能进行自动化的启动、停止及复位的操作。

基于该系统可完成制造过程中的工艺设计、排产调度、质量控制、状态监测等过程，建立完整的智能化制造系统。通过数字孪生技术，构建生产过程的复现与交互控制技术体系，完善MES系统人机交互决策方式，降低人的操作失误，提高编程操作效率，提高生产的智能化水平。基于本系统，可检验工程技术人员在CAPP、焊接技术、工业工程等领域的理论知识水平，锻炼PLC编程、焊接机器人操作、排产调度等方面的实际操作能力，掌握金属焊接过程制造信息管理方法，提升理论与实践结合的能力，从而提高生产效率。

2.2 激光视觉焊缝跟踪技术

激光视觉焊缝跟踪系统是应用于机器人焊接的三维视觉传感器系统，与广数RB系列机器人控制系统实现了协议对接，适用于各种焊接情况。

激光视觉焊缝跟踪技术涉及的开发领域为：①工业机器人离线编程相关软件开发，涉及三维CAD内核调用、机器人数据库、工艺库开发、软件界面和工业机器人相关算法；②工业机器人运动学算法和动力学算法、机器人轨迹规划、奇异点规避、轴限位检测和碰撞检测；实现带视觉辅助的三维复杂工件位置在线纠偏补偿技术；③面向复杂三维金属工件的工业机器人激光焊接工艺，激光焊接过程中不同电压、电流、机器人速度和保护气体对焊接效果的影响，MIG/MAG和TIG焊接工艺参数的设置，直线焊与摆动焊焊接参数的设置以及与离线编程软件的结合。

激光视觉焊缝跟踪系统技术路线和工艺流程[2]：①工业机器人虚拟离线编程技术，它由轨迹生成功能、机器人运动学求解、运动学优化、机器人虚拟运动仿真、焊接工艺包以及后置处理机器人代码生成等部分组成。②激光视觉主动补偿。为了解决在激光焊接生产过程中工件位置摆放的误差，采用了激光视觉主动位置补偿的方法。利用肉眼可见的激光线投射到工件表面，并利用相机对激光线进行检测，根据三角测量的方法实现对工件表面坐标的测量。根据对工件特征点的对比，可以得出工件原始工作坐标系和工件实际工作坐标系的转换关系。将该坐标偏移量叠加到利用离线软件生成的程序上，即可实现工件位置的补偿。

3 焊接智能产线设计

在充分考虑工艺节拍的最优选择和保障焊接质量稳定可靠的基础上，结合以上技术和企业提供的车间特点进行智能产线设计。以某型号金属支架连杆焊接工艺流程为例，分析连杆机器人自动化焊接生产线的工艺设计方案。

3.1 连杆焊接工艺

焊接智能产线主要通过制造执行系统MES进行订单下发等任务调度，然后通过PLC来实现设备总控来调度各设备的生产任务执行，本连杆焊接工艺流程如下：

工序1：主筋板与隔板拼装，定位焊；

工序2：将2个连杆框架通过工装进行组对；

工序3：通过自动物流送至机器人工作站进行内焊缝焊接；

工序4：拼接连杆的上、下盖板，并定位焊；

工序5：机器人进行连杆外焊缝打底；

工序6：机器人进去外焊缝填充、盖面焊接；

工序7：物流自动下料后手工焊接修补；

工序8：检验合格后做标识转小工区。

3.2 节拍分析

金属支架连杆机器人焊接生产线主要考虑实现连杆的焊接自动化。根据连杆焊接工艺流程，主要对连杆的内挡及外焊缝焊接时间进行统计。以某型号连杆进行测算：一次焊接(内挡)准备时间约为270min；一次(内挡)焊接时间约为165min；二次焊接（外焊缝）准备时间约为300min；二次（外焊缝）焊接时间约为275min；二次（外焊缝）人工补焊焊接时间约为30min。

3.3 机器人焊接生产线设计

考虑到连杆为大批量简单箱体结构，前后各有1个铰接孔，以及以上焊接工艺特点。为提高效率，可将2个连杆通过定位夹具的形式进行串联，通过双机器人焊接工作站焊接。为保证连杆两头的圆弧处充分焊接，不停顿，避免焊接接头的生产，机器人焊接工作站需具有±180°旋转能力。为充分利用机器人焊接工作站，从焊接工艺及工艺离线编程、调用效率等出发，将焊接工作站分设为连杆内焊缝焊接机器人工作站，以及外焊缝焊接机器人工作站2种形式，但配置统一，具体数量配比以人工焊接时的实际生产节拍进行确定。为提供连杆的自动化焊接水平，需将各焊接工作站集成，通过引入智能物流系统（带物流小车）实现工件的自动上下料，同时设置若干上料架及下料架（带传感功能），并辅助以MES系统，实现整个生产线机器人工作站、物流系统、上/下料架的自动化无人生产运作。

3.3.1 焊接机器人工作站。根据以上节拍计算，机器人焊接生产线主要实现连杆的一次（内档）及二次（外焊缝）的自动化焊接，2道工序的焊接机器人工作站数量配比设计为3∶4，共计配置7套双机器人焊接系统，形式为2台机器人+变位机，可完成连杆内部贴板、主筋和隔板间的焊缝焊接，以及盖板与主筋焊缝的打底焊接，盖板与主筋焊缝的多层多道焊接；变位机承载需大于5000kg（考虑一次装夹2个连杆，单个连杆平均2t），且底部留有装夹盘对向运动的导轨；夹紧机构采用液压或电动夹紧。设备采用双机器人同步联动控制技术，可保证变位机旋转进行圆弧处焊接时，双机器人可同步焊接。

3.3.2 物流系统。考虑投资成本及智能化水平，该生产线配置的一套物流系统需包括1个主体轨道、7个副轨、1个RGV物流小车。

3.3.3 生产线控制系统。生产线控制系统主要实现RGV小车、上料架、下料架及机器人系统和安全检测的协调控制。在自动运转时与各工位的周边装置控制箱进行信号交换，完成工件的自动搬运、搬出控制。另外，也进行各个工位上设置的安全插销和光电传感控制，控制整个物流线的电源供给。控制系统需预留单站的控制接口，后续只需增加焊接机器人单站、滑触线、导轨等相关部件，即可实现生产。

3.3.4 焊接工业机器人轨迹规划和离线仿真[3]。①机器人加工路径规划：机器人离线编程时首先要根据不同的加工需求在输入的待加工零件上规划出路径，路径中包含了机器人末端执行器的位置及姿态等信息。位置和姿态信息要通过工件坐标系标定的方式转到机器人坐标系下，并建立出齐次位姿矩阵。②机器人运动学分析：从待加工工件上生成的文件需要转化为机器人系统能够识别的运行代码，加工代码中包含有机器人到达各个目标点时各个关节的运动量，即需要通过机器人运动学反解计算出各个关节的值。③机器人运动仿真和干涉检查：干涉检查功能能够检查运行过程中机器人、刀具、工件以及其他辅助设备之间可能存在的碰撞或者干涉的情况，以计算的方法验证干涉情况，避免了仿真阶段中肉眼观察的不准确性，不需要持续进行观察，可以在检查完成后得到干涉结果，使得编程更为便利。④机器人姿态优化和奇异点规避：六轴机器人在运动过程中会出现奇异点无法到达的情况，需要根据各个轴的关节值，调整机器人末端工具姿态，以保证机器人避开奇异点。⑤多种机器人离线程序输出：根据路径规划、机器人运动学分析，计算出机器人各个关节的角度以及工具末端的位置坐标和姿态。

4 结束语

以某金属支架连杆自动焊接生产线作为背景展开，阅读了大量生产线体相关的资料，包含布局设计、工序设计、节拍设计、系统控制等的基础资料，结合自身企业在自动化焊接经验的应用情况，设计了自动化生产线，完成了金属支架连杆自动化焊接生产线的设计落地，能够很好地应用到公司实际生产工作中，能够有效控制焊接工件质量，使制造过程更加网络化、数字化、智能化。