机器人点焊工作站在汽车制造中的应用

机器人点焊工作站在汽车制造中的应用2009-03-1109:40:39|分类：机器人系统集成相|标签：|字号大中小订阅机器人点焊工作站在汽车制造中的应用王健强杜辉于澎（合肥工业大学机械与汽车工程学院合肥，230009）摘要:机器人焊接系统属于多智能体系统(Multi-Agentsystems，MAS)，机器人点焊系统集成的关键是如何处理好MAS的通信和工作协调。本文介绍汽车车身机器人点焊的工作流程，重点介绍了机器人点焊工作站的控制原理及工作站集成技术。关键词：机器人焊接，多智能体，集成中图分类号:TheApplicationofRobotSpotWeldingWorkstationinAutomotiveIndustriesWangJianqiang,DuHui，YuPeng（SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,HefeiUniversityofTechnology,230009,Hefei,China）Abstract:Arobotweldingsystemisakindofmulti-agentsystem,andthekeytotherobotweldingsystemintegrationistodealwithcommunicationandtaskcoordinationofMAS.thispaperintroducesworkproceduresofspotweldingsysteminautomotiveindustries.Thispaperisfocusedonthecontrolprincipleandsystemintegrationtechniquesofrobotspotweldingworkstation.Keywords:spotwelding,multi-agent,integration1引言机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要技术手段，在提升企业技术水平，稳定产品质量，提高生产效率，实现文明生产等方面具有重大作用。工业机器人作为现代制造业主要的自动化装备，已广泛应用于汽车、摩托车、工程机械、电子信息、家电、化工等行业，主要用于完成焊接、装配、搬运、加工、喷涂和码垛等复杂作业。在汽车制造业中以点焊、弧焊为主。这些年，随着国内汽车行业的迅猛发展，工业机器人虽在汽车行业的应用也越加广泛，但人工焊接仍然占据焊接作业的主导地位，人工焊接时焊接工人经常会受到心理、生理以及周围环境的干扰。在恶劣的焊接条件下，操作工人容易疲劳，难以较长时间保持焊接工作稳定性和一致性;而焊接机器人的工作状态稳定，能确保焊接质量。据统计，一般装配每辆汽车车体大约需要3000～4000个焊点，其工作量之大显而易见。机器人点焊工作站作为一个灵活、可靠、通用的点焊柔性加工单元（SWFMC），只需通过简单的机器人程序调整及工作参数、焊枪的更改就可以应用于不同的汽车焊装线。2机器人点焊技术及其特点一台白车身由成百上千件冲压件经各道工序焊接而成，现今汽车工业中车身焊装的主要工序是点焊和弧焊，据统计点焊占95%,由于作业人员的疲劳和流动，使车身的焊接质量无法保证如一，工业机器人在焊接中的应用，使焊接自动化成为现实。本工作站采用6DOF机器人，重复定位精度可达到±0.1mm，完全满足车体点焊的需要，点焊通过焊枪的电极对板件施加并保持一定的压力，使板件可靠接触并输出合适的焊接电流，因板间电阻的存在，电流使接触点产生热量、局部融化，从而使车体牢牢地焊接在一起。为适应国内不断发展的汽车市场需要，各个汽车生产厂家纷纷推出各种新车型，因此，适应多品种，中小批量的SWFMC得到广泛的应用。机器人点焊工作站属于SWFMC，它能够根据制造任务和生产环境的变化迅速地进行调整，适应中小批量、多品种的生产任务，其主要优势表现在：a.提高并稳定车身的焊接质量；b.减少劳动者，降低劳动强度，可实现昼夜24h的连续“无人化生产”；c.提高设备的利用率，减少设备数量及车间的占地面积；d.能根据焊接作业配套，及时安排所需零件的加工，从而减少毛坯和成品的库存，从而减少相应的资金，场地等。3机器人点焊工作站的构架、控制系统及系统集成机器人点焊系统属于复杂的多智能体系统(MAS)，MAS技术是分布式智能控制研究的一个重要分支，也是其研究的重点和热点。MAS的思想是构建时不追求单个、庞大、复杂的体系，而是建立多个Agent，在多个Agent资源共享和各个Agent自主性的基础上，找到并协调各个Agent的关系，使他们相互通信，彼此帮助，共同完成整个系统的作业任务。随着MAS技术的不断成熟，其应用也将更加广泛。3.1机器点焊工作站的架构机器人点焊系统由点焊机器人系统（操作机和机器人控制器）、系统控制器、触摸屏、焊接控制器、焊枪单元（焊枪和变压器）及点焊辅助设备（净化电源、压缩空气单元、安全光幕、冷却水单元、电极修磨器）构成，图1给出了机器人点焊系统的架构。图1机器人点焊系统的构架为确保各个Agent数据传输的可靠性和实时性，本工作站采用PROFIBUS+数字I/O实现彼此通信，PROFIBUS（ProcessFieldbus）是当今工业控制领域中广泛使用的一种现场总线控制系统，针对不同的使用范围和功能PROFIBUS又分为PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－DP、PROFIBUS－PA，其中PROFIBUS－DP以其较快的传输速度和强的抗干扰能力，广泛应用于设备级控制系统和分散式I/O之间的通信。3.2机器人焊接控制系统由于可编程控制器（PLC）是专为工厂环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小、是实现机电一体化的理想控制装置等优点，所以本工作站采用其作为主控制装置，它负责整个系统的集中调度，通过Fieldbus总线和I/O接口获取各个Agent的功能和状态信息，将焊接任务划分为各个子任务，分发并协调各个Agent的工作。3.3工作站的硬件构成本系统的主要设备及布局如图所示，主要设备有两台点焊机器人，两台点焊控制器，两台焊枪电极修磨器及一台基于PLC的系统控制单元。图2给出了机器人点焊工作站的系统布局。图2机器人点焊工作站的系统布局图工作站的焊枪单元采用逆变焊接电源，减小了焊接变压器的重量和体积，将变压器与焊钳制成一体式机器人点焊钳。一体式焊钳的应用，有利于点焊机器人在其运动范围内实现轨迹运动及姿态变化。采用逆变焊接电源还可以改善焊机的电气性能，提高电源的热效率，达到节能的目的。中频逆变电源原理是将三相工频交流通过逆变器转换为1000Hz的中频直流，提供给中频逆变变压器，由中频逆变控制器和中频逆变变压器组成的中频逆变焊接电源有如下特点：控制器与电源模块一体化，减小控制器体积，电缆用量少，自诊断专家系统，控制精度高。数字化的阻焊控制系统：控制程序任意编辑；电流、电极压力、焊接结束时间任意编程；自由的扩展编程输出；电流控制模式选择（混合模式和标准模式、连续电流控制、电压模式控制、相角控制）；电流、压力分步功能。3.4系统的运行控制过程系统上电，初始化，并检测各个Agent的状态，主要包括机器人是否在原位，机器人工作是否完成；系统的水、气、光栅是否正常。系统和生产线控制器通讯，获取和机器人工作站有关的生产线的多个状态，如输送线是否处于自动状态；相关传感器的信号是否正常等。对于安全信号，则分等级处理，重要的安全信号通过和机器人的硬线连接，引起机器人急停；级别较低的安全信号通过PLC给机器人发“外部停止”命令。系统的任务选择是由线控制器完成的，输送线控制器通过传感器来确定车型并通过编码方式向机器人点焊工作站发出相应的工作任务，点焊控制器接受任务并调用相应的机器人程序进行焊接。焊接过程中，系统检测各Agent的工作状态，如Agent发生错误或故障，系统自动停止机器人及焊枪的动作，并在触摸屏上对故障进行显示。当机器人在车身不同的部位焊接时，需要不同的焊接参数。控制焊枪动作的焊接控制器中可存储16种焊接规范，每组焊接规范对应一组焊接工艺参数。机器人向PLC发出焊接文件信号，PLC通过焊接控制器向焊枪输出需要的焊接工艺参数。车体焊接完成后，机器人可按设定的方式进行电极修磨。图3给出了系统的工作流程。图3系统的简要工作流程3.5机器人工作站的安全问题由于机器人是安全等级比较高的设备，机器人具有运动速度快、惯量大。因此机器人和设备或人之间的任何碰撞均会导致设备损坏或严重的人身伤害事故。为避免与人类的“亲密接触”，应给机器人留有足够的安全防护空间（SafeguardedSpace）。本工作站的安全防护（Safeguard）采用安全栅栏加安全光幕的方法，安全栅栏用来形成一个封闭的安全防护空间，安全光栅用来防止可能发生的人机干涉。对于机器人工作站，一般设有若干个检修安全门，门上装有安全插销。对于安全信号，除了在PLC软件中实现其安全防护，还应将其接入机器人的硬件安全防护回路，以实现双保险。对于输送线与工作站间的安全问题，安装安全光幕是一种很好的解决方案，安全光幕是一种现场传感装置（PresenceSensingDevice），本工作站采用德国SICK安全光幕。焊接时，安全光幕正常工作，当输送线运动时，系统屏蔽安全光幕。安全光幕由独立的发射器和接收器两部分组成,在发射器和接收器之间形成一面看不见的红外光幕，是一种“非接触的安全功能”。如果操作者身体的任何一部分遮住光幕,都将被系统检测到。当安全光幕被遮挡时,机器人的运动立即停止并产生故障报警信号。确认被保护区域无干涉物体后,清除报警信号，继续焊接过程。4结论机器人点焊工作站集通用性和灵活性生产特点于一身，只要稍加调整就能适应不同的点焊需要，在汽车、摩托车及工程机械制造业中得到了越来越广泛的应用。开展机器人点焊工作站的研究，建立高稳定性、高可靠性的机器人点焊工作站具有非常重要的意义。本工作站在江淮汽车多个车间的成功运用充分表明了该工作站的通用性和灵活性。机器人自动焊接对车体尺寸的一致性及夹具定位的准确性要求较高，所以车体的质量的提高有赖于汽车各个制造环节水平的提高。基于Fieldbus总线的机器人系统集成技术对建立高性能、高可靠性的机器人点焊系统集成起着至关重要的作用。参考文献1朴用杰等，点焊柔性加工系统多智能体的协调控制，焊接学报，2003，24（5）2王敏，电阻焊在汽车工业中的应用，电焊机，2003，33（1），1－63袁少波等，点焊技术在汽车工业中的应用，点焊机，2005，33（2）4刘大全等，焊接机器人的发展现状与趋势，机械工人，2001年第9期5朴用杰等，汽车前梁总成机器人点焊柔性加工单元，电焊机，2003，33（7）6SunX.DongP.Analysisofaluminumresistancespotweldingprocessesusingcoupledfiniteelementprocedures[J].WeldingJournal.2000.