鈑金零部件自動化焊接工作站的建模與仿真

劉海燕，蘇 宇，翟昌林

鈑金零部件自動化焊接工作站的建模與仿真

劉海燕1，蘇 宇1，翟昌林2

（1. 廣西科技大學(xué) 職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，廣西 柳州 545006；2. 中軟國際有限公司，廣東 深圳 518000）

以汽車、軍工業(yè)等行業(yè)中的鈑金零部件焊接為研究對象，基于Robotstudio仿真軟件設(shè)計了機器人焊接工作站。給出了該工作站的總體方案、布局和工藝流程，并以某產(chǎn)品為例說明焊接工作站的仿真過程。通過機器人與變位機、導(dǎo)軌相互配合，實現(xiàn)鈑金零部件的批量化焊接加工，特別是對于一些焊縫大小不規(guī)律的部件，可以保證鈑金零部件的焊接質(zhì)量，提高加工效率，滿足市場需要，提升企業(yè)的生產(chǎn)競爭力。

自動化焊接；鈑金零部件；仿真實驗；工業(yè)機器人；Robotstudio

焊接技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中——小到家用電器，大到軍工、船舶、航空航天領(lǐng)域。目前，我國已經(jīng)步入全球制造業(yè)先進行列，鈑金加工在機床、電器、儀器儀表領(lǐng)域發(fā)展迅猛，市場的增長趨勢不容小覷。

本文基于ABB公司開發(fā)的Robotstudio仿真軟件進行鈑金類零件產(chǎn)品焊接作業(yè)自動化生產(chǎn)工作站的建模與仿真[1]。整個工作站包括1臺焊接機器人、2個焊接工位以及變位機、導(dǎo)軌等。焊接機器人先對焊接工位1的工件A進行焊接，變位機按照焊接要求對工件A進行旋轉(zhuǎn)。工件A焊接完成后，機器人沿著導(dǎo)軌移動到焊接工位2，進行工件B的焊接。這種設(shè)計方案可以在同一條流水線上焊接加工2種不同規(guī)格的產(chǎn)品，而且上/下工位的產(chǎn)品焊接時間與產(chǎn)品更換時間相互錯開、互不干擾，因而可以提高生產(chǎn)效率。

1 自動化焊接工作站方案

自動化焊接工作站方案設(shè)計應(yīng)綜合考慮工藝、生產(chǎn)流程和生產(chǎn)布局，保證自動化生產(chǎn)線有高生產(chǎn)效率、高設(shè)備利用率。

首先，對所要進行焊接的軸承工件的特點進行分析，然后綜合其縫隙分布的特征制訂相應(yīng)的焊接工藝，從而制訂焊接系統(tǒng)的加工工藝流程；之后，對自動化焊接系統(tǒng)的整體布局方式進行系統(tǒng)的研究與設(shè)計。最后，再考慮焊接加工的實際需求，設(shè)計出焊接工作站的結(jié)構(gòu)方案。

1.1 鈑金零部件焊接工藝要求

在鈑金焊接的生產(chǎn)中，比較有代表性的是三維鈑金模型Fixture EA，該模型結(jié)構(gòu)為外加2個圓孔部件的軸承，重量約為8 kg，軸承長度為709.35 mm，寬度約為96.52 mm，其中大圓孔直徑約為200 mm，小圓孔的直徑約為150 mm。機器人焊接加工前，由人工將軸承安裝在夾具上，然后對每個圓孔的兩面進行焊接作業(yè)，如圖1所示。

圖1 鈑金模型圖

工件每個圓孔的表面都會有一條不規(guī)律的焊縫，每個圓孔表面的焊縫大小都不一樣。圓孔表面的焊縫曲線可由一段直線與一段圓弧組成，其中圓弧的縫隙較大，而直線段的縫隙較為吻合。機器人在對軸承進行焊接加工時，需要將軸承的4個面都要進行焊接，因此軸承需要用變位機按一定角度旋轉(zhuǎn)；再根據(jù)焊縫的實際長度、寬度、深度設(shè)置相應(yīng)的擺弧參數(shù)、適合的焊接速度，對焊槍的擺動姿態(tài)進行手動示教，才能更好地對軸承的焊縫進行焊接加工，保證焊縫能夠完好地填充，如圖2圈圈所示。

圖2 軸承表面的焊縫

1.2 自動化焊接工作站方案

機器人自動化焊接工作站主要由機械執(zhí)行系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和安全防護裝置組成。在本設(shè)計中，機械執(zhí)行系統(tǒng)主要包括焊接機器人、導(dǎo)軌、工件夾具、變位機以及工件上下料裝置等[2-3]；電氣控制系統(tǒng)主要包括焊接系統(tǒng)總控管制站的電氣控制柜、反饋系統(tǒng)狀態(tài)的傳感器模塊[4]；安全防護裝置主要是光柵圍欄等防護裝置。

自動化焊接工作站的主要功能是鈑金類產(chǎn)品工件的焊接。根據(jù)作業(yè)需求，設(shè)計機器人跟隨導(dǎo)軌對2個工位的工件分別進行焊接加工。機器人焊接功能是系統(tǒng)的第一個功能，導(dǎo)軌的前后往返運動是系統(tǒng)的第二個功能，而焊接工件時需要將兩個圓孔部件的上下表面焊接到位。因此，軸承工件不僅需要牢牢地固定住，更需要變位機的配合使其翻轉(zhuǎn)到位，采用2臺變位機分別實現(xiàn)系統(tǒng)的第三、第四功能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化焊接工作。

1.3 自動化焊接工作站布局

自動化焊接工作站布局是將焊接設(shè)備、周邊輔助設(shè)備、運輸工具以及上下料通道、安全防護裝置等設(shè)備，按照生產(chǎn)工藝合理地放置在焊接工作車間，實現(xiàn)自動化焊接加工。自動化焊接工作站的布局非常重要，布局合理與否將影響車間的生產(chǎn)效率以及物流速度[5]。因此，應(yīng)該充分考慮工廠車間的空間大小、零件加工的工藝要求以及投資預(yù)算等因素，根據(jù)車間的實際環(huán)境、工藝加工流程、物料存放等，將自動化焊接工作站的外部區(qū)域劃分為上料區(qū)、下料區(qū)、安全防護裝置區(qū)以及工人活動區(qū)等，如圖3所示。

圖3 自動化焊接系統(tǒng)整體布局

自動化焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案確定后，再根據(jù)焊接系統(tǒng)的工藝要求選擇合適的焊接機器人、變位機以及導(dǎo)軌。

本設(shè)計選用的是AW Gun PSF25焊槍，其重量為2 kg，不僅滿足機器人手腕的持重重量，且焊槍的長度以及焊嘴的大小也滿足焊縫加工需求[6-7]。鑒于導(dǎo)軌與變位機的距離約1.34 m，選用了IRB2600機器人，與手腕持重量為12 kg，手臂能夠伸展到達的工作區(qū)域最小約為1.65 m，重量為284 kg。

導(dǎo)軌選用IRBT 2005，其最大承重量為600 kg，軌道長度可選范圍為2~21 m?？紤]到兩臺變位機和清槍裝置，故軌道長度選用8 m，電纜鏈選擇內(nèi)部模式。

變位機選用IRBP A型，其擁有兩個獨立旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)軸。以大地坐標(biāo)為參考方向，第一個關(guān)節(jié)軸可以沿著軸旋轉(zhuǎn)360°，第二個關(guān)節(jié)軸可以沿著軸旋轉(zhuǎn)360°，兩個關(guān)節(jié)軸的配合能使工件在空間360°旋轉(zhuǎn)，從而方便焊槍在焊接過程中能夠到達加工工件的每一個點，使機器人能更好地對鈑金部件的4個表面進行焊接。

1.4 焊接流程

鈑金類零件自動化焊接作業(yè)是由焊接機器人、導(dǎo)軌、變位機以及柔性工裝夾具等有機集成，實現(xiàn)對不同尺寸、型號鈑金類零件的高質(zhì)量、高效率和批量化的焊接生產(chǎn)。本課題設(shè)計的工作站主要是通過導(dǎo)軌移動機器人，使機器人在兩個工位間移動，完成兩條焊接線的焊機作業(yè)，焊接作業(yè)流程如圖4所示。

圖4 自動化焊接工藝流程圖

2 焊接工作站的建模與配置

Robotstudio是ABB的離線仿真軟件。在自動化焊接工作站設(shè)計中，根據(jù)實際工作中的系統(tǒng)參數(shù)以及工藝需求，運用Robotstudio仿真軟件建立相應(yīng)模型，然后進行仿真編程，對真實環(huán)境下的機器人系統(tǒng)進行模擬，驗證自動化焊接方案的可行性[8-11]。在模擬驗證成功之后，還可以將離線編程的程序下載到機器人本體的控制器中，不僅可以保證機器人的加工精度，而且避免了在現(xiàn)場編程所帶來的不便，大大地提高了工作的效率。

本設(shè)計用Robotstidio仿真軟件搭建焊接機器人工作系統(tǒng)，為了在后續(xù)RAPID語言的編程中調(diào)用弧焊指令，以便對擺弧參數(shù)進行設(shè)定，需要在驅(qū)動模塊中勾選弧焊包633-4Arc。本設(shè)計中用到的主要I/O信號如表1所示。

表1 主要I/O信號

創(chuàng)建好I/O信號后就要關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)的輸入/輸出以及弧焊軟件，這樣才能讓機器人與外圍的設(shè)備進行交互，其中數(shù)字量輸入信號DI與系統(tǒng)的控制信號相關(guān)聯(lián)，對系統(tǒng)進行控制，如電機的開啟、程序的啟動等；而數(shù)字量輸出信號DO與系統(tǒng)的狀態(tài)信號相關(guān)聯(lián)，將系統(tǒng)的狀態(tài)輸出給外圍設(shè)備做控制。

弧焊軟件的關(guān)聯(lián)主要用到表1中的Ao01WeldRef、Ao02FeedRef、Do03FeedOn、Do01WeldOn信號，其中模擬量輸出信號Do03FeedOn、Do01WeldOn用于后續(xù)的弧焊指令中對起弧/收弧參數(shù)的設(shè)定，數(shù)字量輸出信號Ao01WeldRef、Ao02FeedRef則用于后續(xù)的弧焊指令中對焊接參數(shù)的設(shè)定。只有將弧焊信號與弧焊參數(shù)關(guān)聯(lián)起來（見表2），弧焊系統(tǒng)才會自動地處理好信號，大大提高編程和調(diào)試的效率。

表2 弧焊信號的關(guān)聯(lián)

3 機器人程序的編寫

在ABB機器人中，廣泛運用RAPID語言對機器人的邏輯運動以及IO控制進行編程。RAPID語言與C語言的結(jié)構(gòu)非常相似，而且有自己的數(shù)據(jù)格式、指令集和程序函數(shù)。RAPID語言具有高度的靈活性，同時提供了豐富的指令集，廣泛應(yīng)用于具體的仿真任務(wù)。

本次設(shè)計的任務(wù)是對軸承表面進行焊接加工，在Robotstudio仿真軟件中主要進行焊接加工焊縫的軌跡仿真。軸承工件主要有4個面，但是大致可以分為2類，即大圓孔的2面和小圓孔的2面，每個面焊縫縫隙的大小都會不一樣。

在常用的弧焊指令中，一般在焊接開始階段，會采用ArcLstart或ArcCstart用作起弧，其中ArcLstart指令用于直線起弧，ArcCstart指令用于曲線起弧。在焊接過程中常用到的指令有ArcL和ArcC指令，其中ArcL指令用于直線焊接，ArcC指令用于曲線焊接。在焊接結(jié)束時常用到的指令有ArcLEnd或ArcCEnd，其中ArcLEnd用于直線收弧，ArcCEnd用于曲線收弧。本設(shè)計根據(jù)工藝需求，機器人需要對軸承的4個表面進行焊接加工，其中每個表面的焊縫可由一條直線與一條曲線組成。當(dāng)機器人進行焊接時，首先從直線段的起點開始，其中用到的起弧指令如下：

ArcLstart *, V1000，seam, weldweave, fine, gunwobj1。

其中，ArcLstart指令為用于直線段的起弧指令，“*”為起弧點，后續(xù)可通過手動示教目標(biāo)點，定義點的位置； V1000為機器人的運動速度，gun、wobj1分別為焊槍的工具坐標(biāo)系與軸承工件的工件坐標(biāo)系。本設(shè)計焊接加工的是2個產(chǎn)品，不同的產(chǎn)品對應(yīng)不同工件坐標(biāo)，在編程時要調(diào)用不同的工件坐標(biāo)系。“seam”為起弧/收弧參數(shù)，本設(shè)計編程用到的起弧/收弧參數(shù)都一樣，設(shè)定如表3所示。

表3 seam起弧參數(shù)設(shè)定

“weld”為焊接參數(shù)，是對焊接時的焊接速度以及焊接電壓電流的設(shè)計，其中電壓和電流的設(shè)定要根據(jù)實際焊接加工中用到的焊機參數(shù)去設(shè)定，而直線段的縫隙較小，焊接速度可以相應(yīng)地設(shè)置快一些，對其參數(shù)設(shè)定如表4所示。

表4 weld起弧參數(shù)設(shè)定

在設(shè)定好了上述參數(shù)并成功起弧以后，焊槍便開始對直線段以及圓弧段的焊接，具體的焊接軌跡如圖5所示。

圖5 焊接軌跡

機器人從0點移動到1點開始進行焊接，這段直線距離需要用起弧指令“ArcLstart1”，直到焊槍起弧成功后，開始對1到2這段直線進行焊接。焊接過程中需要用弧焊指令“ArcL2”，而2至4階段為圓弧段，需要用弧焊指令“ArcC3,4”，而4至1階段為圓弧段的結(jié)尾處，需要用弧焊指令“ArcCEnd4,5”。至此，加工完軸承工件表面的1個面，其他的3個面也是如此。

大圓孔表面的縫隙較寬，其中大圓孔表面的焊縫縫隙平均長度為16.6 mm，寬度為1.47 mm，深度為39.23 mm。根據(jù)大圓孔表面以及焊縫縫隙的大小，焊接加工的軌跡走向主要由一條直線與一條圓弧組成，其中直線段的焊縫縫隙較小，因此直線線段中弧焊指令中的擺弧幅度可設(shè)置較小。

加工A產(chǎn)品大圓孔的上表面程序為：

ArcLStart pA101, v1000, seam1, weld1Weave:= weave1, fine, hanqiangWObj:=wobj1;

#直線起弧開始，起弧參數(shù)選用seam1，焊接參數(shù)選用weld1，工件坐標(biāo)選用wobj1#

ArcL pA102, v1000, seam1, weld1Weave:=weave1, z10, hanqiangWObj:=wobj1;

#直線焊接過程，擺弧參數(shù)選用weave1#

ArcCpA103, pA104, v1000, seam1, weld1Weave:= weave2, z10, hanqiangWObj:=wobj1;

#曲線焊接過程weave2#

ArcCEnd pA105, pA106, v1000, seam1, weld1 Weave:=weave2, fine, hanqiangWObj:=wobj1;

#曲線焊接結(jié)束#

4 焊接工作站的仿真

在搭建了自動化焊接工作站系統(tǒng)后，要對其進行驗證和調(diào)試。以A產(chǎn)品為例，說明焊接工作站的仿真過程。

4.1 A產(chǎn)品的焊接

機器人從起始點出發(fā)，傳感器1檢測到機器人向變位機1移動，反饋信號Do07C1信號由0變?yōu)?，變位機收到信號開始翻轉(zhuǎn)，并置位Do07C1。此時機器人來到變位機1的位置，并等待5 s，當(dāng)變位機翻轉(zhuǎn)到位信號Di01B1由0變?yōu)?時，機器人收到翻轉(zhuǎn)到位信號，開始焊接加工A產(chǎn)品。

4.2 焊槍維護

機器人焊接完A產(chǎn)品之后，需對焊槍進行維護，為下一產(chǎn)品的焊接加工做好準(zhǔn)備。當(dāng)機器人手臂到達裝置的清潔部位時，傳感器檢測機器人手臂到位，發(fā)送信號給清潔部位，此時Do04GunWash由0變?yōu)?，開始對焊槍清潔焊渣3 s。清潔完畢，發(fā)出Do04GunWash的復(fù)位信號。當(dāng)機器人手臂到達裝置的噴霧部位時，傳感器檢測機器人手臂到位，發(fā)送信號給噴霧部位，此時Do05GunSpary信號由0變?yōu)?，開始對焊槍噴霧3 s；噴霧完畢，發(fā)出Do05GunSpary的復(fù)位信號，當(dāng)機器人手臂到達裝置的剪焊絲部位時，傳感器檢測機器人手臂到位，發(fā)送信號給剪焊絲部位，此時Do06GunCut信號由0變?yōu)?，開始對焊槍剪焊絲動作3 s，剪斷完畢，發(fā)出Do06GunCut的復(fù)位信號，并繼續(xù)向下一工位運動。

4.3 生產(chǎn)節(jié)拍

焊接時間與焊接的速度和焊縫的長度有關(guān)，焊接時間為

軟件測量工具測出大圓弧的直徑=170 mm，直線段長度為1=96.44 mm；小圓弧直徑=130 mm，直線段長度為2=83 mm。經(jīng)計算，大圓弧的焊縫長度為526.88 mm，小圓弧為焊縫長度為396.52 mm。

根據(jù)式（1），大圓弧的焊接速度設(shè)為8 mm/s，則焊接大圓弧的焊接時間1=65.86 s；而小圓弧的焊接速度為10 mm/s，故焊接時間2=39.6 s。A產(chǎn)品需要焊接4個面，故A產(chǎn)品的焊接時間為

t

A

=

t

1

×2+

t

2

×2=204.92 (s)

A產(chǎn)品與B產(chǎn)品的規(guī)格大小一樣，故B產(chǎn)品的焊接時間也為204.92 s。焊接前，機器人運動速度為1000 mm/s，導(dǎo)軌長8 m，則機器人從起始點到變位機1、清槍裝置、變位機2的運動為8 s，其中焊接前機器人在導(dǎo)軌上等待變位機1、2的翻轉(zhuǎn)到位時間分別為5 s、5 s，故機器人的空程運動時間為18 s。在焊接過程中，變位機1對A產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)到位時間為3 s，清槍裝置清潔焊渣、噴霧、剪焊絲工作時間為6 s，變位機2對B產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)到位時間為3 s。系統(tǒng)計算焊接時間如表5所示。

表5 系統(tǒng)焊接時間 s

由表5所示，機器人一個焊接流程加工2個工件的時間為439.84 s，假設(shè)單班工作時間為8 h，則單班產(chǎn)量為

綜上可知：單班產(chǎn)量為130件，如按照每天3班計，則該方案單臺機器人每天可焊接390件。

5 結(jié)語

鈑金類產(chǎn)品需求量大，型號繁多。本課題根據(jù)這種小型品種多的特點，再根據(jù)軸承焊縫分布的特點，設(shè)計了機器人跟隨導(dǎo)軌往復(fù)運動，配合變位機對產(chǎn)品工件的翻轉(zhuǎn)，完成多工位自動化焊接系統(tǒng)設(shè)計方案。經(jīng)過不斷的調(diào)試與仿真，該設(shè)計方案能夠達到預(yù)期的焊接效果。該機器人焊接系統(tǒng)能夠充分利用機器人與變位機、導(dǎo)軌間的配合，提高焊接效率，減少人員勞動強度，實現(xiàn)鈑金類產(chǎn)品的智能、高效焊接。

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Modeling and simulation of automatic welding workstation for sheet metal parts

LIU Haiyan1, SU Yu1, ZHAI Changlin2

(1. College of Vocational and Technical Education, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China; 2. China Soft International Co., Ltd., Shenzhen 518000, China)

By taking the welding of plate metal parts in automobile, military industry, etc., as research object, the robot welding workstation is designed based on Robotstio simulation software. The overall scheme, layout and process flow of the workstation are presented, and the simulation process of the welding workstation is illustrated with an example of a product. The batch welding of sheet metal parts, especially some parts with irregular weld seam sizes, can be realized by the cooperation of robot, positioner and guide rail so as toguarantee the welding quality, improve the processing efficiency, meet the market needs and enhance the production competitiveness of enterprises.

automatic welding; sheet metal parts; simulation experiment; industrial robots; Robotstudio

TG409；TP391.9

A

1002-4956(2019)09-0111-05

2019-03-01

廣西高等教育教學(xué)改革工程項目（2017JGB293，2018JGB235）

劉海燕（1979—），女，山東濰坊，碩士，實驗師，主要研究方向為機電一體化、工業(yè)機器人和系統(tǒng)集成。

E-mail: 37918977@qq.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.028