1、内燃机与配件w w w n r j p j c n多机器人协作的汽车自动焊接系统设计郝继升(辽宁省凤城市职业教育中心,辽宁 凤城 )摘要:本文设计开发了基于A B B工业机器人的多机器人协作的汽车自动焊接系统.通过对机器人协作焊接的需求进行分析,设计出了使用机器人和变位机配合进行工作的整体方案;然后根据设备的运行情况对设备所需配合使用的硬件进行设计;在硬件设备设计完成后,对整个系统的软件进行了设计,设计了使用上位软件控制多机器人进行码垛与焊接的控制系统;最后使用离线仿真软件对所设计的系统进行调试与优化,验证了基于A B B工业机器人的多机器人协作的汽车自动焊接系统的可行性.关键词:多机器人协作
2、;工业机器人焊接;机器人远程控制中图分类号:T P 文献标识码:A文章编号:X()D e s i g no fA u t o m o t i v eA u t o m a t i cW e l d i n gS y s t e mB a s e do nM u l t i r o b o tC o o p e r a t i o nH a oJ i s h e n g(F e n g c h e n gV o c a t i o n a lE d u c a t i o nC e n t e ro fL i a o n i n gP r o v i n c e,F e n g c h e n
3、g ,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h i sp a p e r,am u l t i r o b o t c o o p e r a t i v e a u t ow e l d i n g s y s t e mb a s e do nA B B i n d u s t r i a l r o b o t i s d e s i g n e d a n dd e v e l o p e d B a s e do n t h e a n a l y s i s o f t h en e e d s o f r o b o t c o o p e r a t
4、i v ew e l d i n g,t h ew h o l e s c h e m e o f u s i n g r o b o t a n dp o s i t i o n e r t oc o o p e r a t e i s d e s i g n e d T h e na c c o r d i n g t o t h e o p e r a t i o no f t h e e q u i p m e n t t o t h e e q u i p m e n t n e e d e d t o c o o p e r a t ew i t ht h eu s eo f h
5、a r d w a r ed e s i g n;A f t e r t h eh a r d w a r ed e s i g n i s c o m p l e t e d,t h es o f t w a r eo f t h ew h o l es y s t e mi sd e s i g n e d,a n dt h e c o n t r o l s y s t e mo f s t a c k i n ga n dw e l d i n g i sd e s i g n e du s i n g t h eu p p e r s o f t w a r e t oc o n t
6、 r o lm u l t i p l e r o b o t s F i n a l l y,o f f l i n e s i m u l a t i o ns o f t w a r ew a su s e d t od e b u ga n do p t i m i z e t h ed e s i g n e ds y s t e m,w h i c hv e r i f i e dt h e f e a s i b i l i t yo f t h em u l t i r o b o t c o o p e r a t i v e a u t ow e l d i n gs y
7、s t e mb a s e do nA B B i n d u s t r i a l r o b o t K e yw o r d s:M u l t i r o b o t c o o p e r a t i o n;I n d u s t r i a l r o b o tw e l d i n g;R o b o t r e m o t ec o n t r o l作者简介:郝继升(),男,辽宁凤城人,本科,焊接高级实习指导教师,研究方向为焊接实践与教学方法.引言伴随着工业机器人的生产和发展,基于工业机器人的自动焊接系统便产生了,工业机器人作为当前工业生产中应用较为广泛的现代机械装置
8、,为现代工业发展做成了巨大贡献.工业机器人焊接有着人工无法比拟的优势,如焊接精度高、降低了工人的技术要求、劳动强度,而且焊缝美观、焊接质量稳定,促进了焊接产业的发展.目前,部分焊接工作单机器人已经无法独自完成工作任务,必须依靠多机器人协作的方式共同作业才能完成任务.工业机器人对提高产品的质量与产量、提高劳动生产率和降低生产成本有着十分重要的意义,.多机器人协同作业比机器人独自作业有着更多优势,多机器人系统冗余性和鲁棒性更强,易于集成化和标准化,可保证汽车制造质量,同时降低汽车制造员工的工作强度及改善工作环境等,.本文以汽车焊接生产线中的部分机器人焊接过程作为研究对象,通过对产品型号的选择,程序
9、方面的编写等实现高效率、高品质、低成本的焊接生产.多机器人协作焊接系统整体方案设计焊接产品存在焊接位置不固定,焊接点位不易被工业机器人执行等特点,需要设计能够满足多种工件焊接生产的工作站.通过其设备所在的位置能够尽可能的满足尽可能多的工作点位,同时尽可能使每台设备的利润值达到最大化,以获得最好的效益.设计方案如下:采用代加工工件区、加工成品区工件焊接区.通过使用变位机和多个工业机器人配合操作焊接生产工件,工业机器人分别用来完成搬运工作和焊接工作.其主要优点有:使用设备较少,焊接灵活,焊接精度高,待加工工件与成品工件分离,有利于工件的取出和补充.如图所示.图系统结构图对工业机器人工作站的平面布局
10、进行设计,如图所示,由三台末端执行工业机器人,一个用于改变焊接方位的变位机和焊接设备组成,工业机器人本体和变位机在护栏内由护栏保护,机器人控制柜在护栏外方便编程调试人员调试维护.年第 期图工作站俯视图多机器人焊接系统的硬件方案设计多机器人协作焊接系统的硬件主要工作流程是:首先由工人或者机器人将需要焊接的工件固定到焊接机器人下方的变位机,系统判定工件固定夹板与变位机的工作台连接到位后,自动执行锁紧步骤,工业机器人系统与变位机系统进入开始准备阶段,等待执行程序的信号,信号到来之后各部件按照规定的程序进行运行,运行完成后各机械部件归原点,锁紧装置松开.变位机上工作台的设计变位机是在工业机器人焊接不可
11、或缺的装置,尤其是在本工作站的设计中,变位机能够始终让工件处在一个较好的焊接方位,并与工业机器人共同使用.变位机的运动过程是在空间内做回转运动,在运动到某些角度时,变位机上的部件会在重力作用下移动甚至是脱落.考虑到变位机上所放置的主要为汽车的称重部件,强度较硬且形状各不相同,需要一个承载力较好的工作台来与变位机的转盘所连接,所设计的工作台如图所示.图工作台模型设计 工作台与夹具连接装置设计若要固定在同一个变为机上比较困难,所以需要为每个零件设计一个用来托举的中间支架,通过中间的连接支架来与变位机的工作台进行连接.连接机构的主要工作方式是通过使用公母头式旋转卡扣结构将夹具支架的公头锁紧在工作台的
12、母头上,母头内有卡槽和旋转装置,通过旋转气缸的带动可将公头牢牢锁紧在工作台上,如图所示.图工作台与夹具连接装置装配图 工具坐标标定装置设计工业机器人的运行姿态和位置控制是由机器人坐标系来确定的,本工作站的轴机器人坐标主要分为工具坐标和工件坐标.工具坐标示教通常采用一个头部为尖端的物体,工业机器人在采用三定或多点定位时就可以减少因物体尖度不够而造成的偏差,因工业机器人数量较多所以在工作台的外侧设置了可以安装用于示教尖部物体的插口.工件坐标是用来确定工件所在的工作平面,本工作站所焊接的工件基本是平面工件所以在示教工件坐标时按照工作台的外部轮廓示教即可,如图所示.图工具坐标系标定工具 围栏以及防护系
13、统设计为了保证设备周围的人员安全,以及确保周围人员不会进入设备的运行范围内,造成设备停机甚至发生伤人事件,需要设置安全防护栏和防护安全系统.围栏以及防护系统设计如图所示.图工业机器人防护围栏多机器人协作焊接系统软件方案设计 软件方案设计从程序的主架构来看多机器人协作焊接工作站控制程序主要包含逻辑控制部分,多机协作部分,轨迹运行部分以及通讯部分.()机器人运行逻辑部分:能够按照实施的工件自动切换与之相匹配的控制程序,同时按照焊接逻辑要求调用不同的工业机器人进行焊接.()工业机器人多机协作部分:当两台正在工作的机器人同时工作,若其中一台机器人工作完成后需等待另外一台机器人工作完成,待本工序所有步骤
14、全部完成以后才能进行下一步骤,各个设备进入同步点之后开始进入等待命令,直至所有程序任务已达到对应的同步点位.()工业机器人轨迹运行部分:主要包括机器人在焊接是所要行走的过渡位置以及最终焊接时的焊接起始点和焊接终点,焊接轨迹的优化的好坏决定了焊接系统工作效率的高低.()工业机器人通讯部分:一个工作站在运行过程中不可避免的需要与其他外部设备或者人机接口,远程控制软件等设备进行通讯.A b b机器人支持使用“套接字”方式通讯,因此本工作站使用s o c k e t进行通讯.远程控制软件方案设计远程控制软件部分主要分为页面部分和内部程序部分,其中页面部分主要是按钮、提示框和提示信息部分.内部程序部分最
15、主要的是于工业机器人进行T C P协议的s o c k e t通讯.远程控制软件的主要运行思想是在程序启动执行后,通过在服务器I P输入栏输入在A B B工业机器内燃机与配件w w w n r j p j c n人L AN口所定义的I P值和在服务端口输入相同的端口号,通过在主界面点击相对应的按钮,执行每个按钮下的程序,在程序内执行调用s o c k e t通讯指令,并将所输入的I P地址于端口号调用,这样就发送出一条指令给A B B机器人.远程控制软件接收A B B机器人指令也是相同的方法,通过监听接收指令将所监听的值打印在文本显示一栏.远程控制软件页面如图所示.图远程控制软件页面多机器人协
16、作焊接系统离线仿真实验在完成了多机器人协作工作站的主系统创建,抓取夹具和变位机平台坐标系的建立,S m a r t组件和I/O信号的创建以及R A P I D程序的编写之后,对已编好的程序进行仿真运行调试.多机器人与变位机的调试调试的步骤主要是按照有小到大的顺序进行调试,首先需要测试各个机器人单独程序是否存在错误,然后便是多个机器人之间通讯测试和机器人与变位机之间运动测试,最后通过逻辑程序将每一个小部分进行整合从而形成一个大的框架整体.变位机的程序验证和调试内容主要为调试变位机旋转的角度.在调试搬运机器人之后还需调试焊接机器人程序,焊接机器人主要需要验证焊接轨迹是否与预先设定的一致,查看是否存
17、在偏差,设置适合机器人的运动路径.在焊接工业机器人完成焊接任务之后,将会把控制权交还给搬运机器人中,搬运机器人便执行工件拾取程序.在拾取完目标工件后,搬运工业机器人将工件放入到成品区域内,工件放置完成后机器人继续按照后续任务进行.当机器人将工件摆满托盘一层后,会按照码垛要求自动添加一层,以确保能够充分利用一个托盘空间.远程控制软件与工作站的测试在完成上个阶段所有步骤之后,确定各设备程序与动作都达到要求就可以开始进行远程控制软件与工作站的总体程序调试.首先将远程控制软件软件启动之后启动工作站,输入所要加工的工件编号和数量.在给工作站发送完成任务之后,工作站处于自动运行状态,远程控制软件处于待机状
18、态,在当所有步骤运行完成之后双方同时进入待机状态.在完成规定的任务之后运行结果如图.图利用R o b o t S t u d i o软件中T C P检测功能能够直观的看出机器人工作的路径.通过改变焊接数据可以调剂不同的焊接轨迹下面是T A S KP E R Sw e a v e d a t a,w e a v e:,;与T A S K P E R Sw e a v e d a t a,w e a v e:,的轨迹效果.从图可以看出,只需要改变焊接轨迹参数就可以实现不同的焊接效果,也证明了工作站可拓展程度较高,能够适应不同的工件加工要求,为工业生产减少成本提供了可能.图机器人焊接轨迹结语本文主要
19、根据目前焊接系统所使用的工业机器人进行了优化,通过使用仿真软件对工作站的仿真模拟,并对所设计的工作站进行多次联合调试,完成了基于A B B机器人和变位机配合的多机器人协作焊接系统的硬件软件设计,通过使用工业机器人进行工件的拾取和码垛,实现多个机器人于变位机系统配合工作,提高了加工效率.使用A B BR o b o t S t u d i o软件进行工作站的搭建与仿真,使用和编写S m a r t组件,并于机器人系统联调,通过对模拟工件的抓取与焊接,验证了本次设计的可行性,仿真结果达到预期效果.参考文献:王立忠工业机器人焊接生产线的设计及研究J内燃机与配件,():常博学,黄静月基于安川工业机器人
20、的焊接系统设计J自动化应用,():夏楠刀盘部件焊接机器人工作站设计与实现D山东大学,曹德严基于P L C的A B B工业焊接机器人控制系统设计J内燃机与配件,():徐达,陶长城工业机器人焊接路径规划研究与应用J电焊机,():Y u b i n gW u C o n t r o lS y s t e mD e s i g no fW e l d i n gW o r k s t a t i o nb a s e do n I n d u s t r i a lR o b o tJ S c i e n t i f i c J o u r n a lo f I n t e l l i g e n tS y s t e m sR e s e a r c h,()胡绳荪,申俊琦,王志江,杨辉,吴定勇盾构机零部件机器人焊接系统及工艺设计与开发J金属加工(热加工),():罗恺,王忠科,范梅梅工业机器人焊接原理与焊接程序分析J内燃机与配件,():
