李占林 李彦鑫 陈 艳 谷兴文

（辽宁理工职业大学，锦州 121007）

机器人是衡量科技创新和制造业水平的标志。“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的切入点和重要增长点，影响全球制造业格局。机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造和应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。锦州立德减振器有限公司专业从事汽车减振器及零件研发、制造、销售，为了适应减震器规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量，计划用一套焊接机器人代替人工作业。随着现代科技的不断前进，工业机器人融合了机械、控制、传感检测等多门学科，对于传统的生产企业来说是一个新技术[1]。锦州立德减振器有限公司与辽宁理工职业学院合作对机器人进行配置、安装与调试，将机器人投入生产线，代替单调的、重复的体力劳动，提高了生产效率和现代化生产水平。

该项目在松下焊接工业机器人的基础上，通过示教编程实现了焊接作业。将焊枪移至生产设备实施焊接，提高了生产效率，减轻了操作者繁重的体力劳动。一个完整的工业机器人弧焊系统由工业机器人、焊枪、焊机、送丝机、焊丝及焊丝盘等组成[2]。要想使焊接机器人完成焊接作业适用于生产，必须解决存在的难题。

1 工作站系统组成及各单元间的连接

1.1 工作站系统组成

本工作站采用Panasonic 弧焊工业机器人，配有控制柜和示教编程器。如图1 所示，通过控制柜连接示教盒和机器人。控制柜内置可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），可以控制一定的输入输出。示教盒是机器人的人机界面。通过示教盒，操作员可以查看机器人的工作状态，修改运行参数，编辑运动程序等[3]。

为了满足不同的作业要求，机器人工作站的外围设备十分丰富和复杂。这些外围设备是根据作业内容、工件类型及质量要求等参数配备的。外围设备配备的好坏很大程度上影响着机器人的工作效率，是工作站系统设计中不可或缺的部分。

本工作站系统中弧焊系统是各外围设备中最重要的部分，包括焊接专用电源、送丝机构、焊枪、剪丝器、焊枪清理装置以及保护气装置[4]。在机器人控制柜的控制下，这些设备与机器人系统配合完成弧焊任务。

（1）焊接电源。焊接电源是弧焊系统的重要设备，因为焊接电源的性能直接影响焊接质量。一台能够精确控制电压电流的焊接电源，才能更好地控制焊接质量。系统采用Panasonic YD-350GL 机器人专用焊接电源，能与机器人控制柜通过I/O 通信，并将焊接信号和焊接参数通过控制柜传递给焊接电源。

（2）送丝机构。在焊接过程中，送丝机构保证不断均匀地送入焊丝，以补充焊丝的消耗。在送丝过程中，送丝机应保证送丝的稳定均匀，否则容易卡住送丝机造成送丝困难，影响焊接质量。送丝机绑定在机器人上，其大小和质量对机器人的空间运动有一定的影响。太大和太重的送丝机往往会增大机器人的负荷和运动惯性，进而降低机器人运动时的稳定性和精确性。在焊枪工作一段时间后，焊枪内部可能存在一些飞溅。为了保证焊接质量，需要定期清理飞溅。

（3）焊接保护气。目前，使用较多的焊接保护气是二氧化碳保护气和氩保护气，两者各有优缺点。由于二氧化碳气体热物理性质的特殊影响，在使用常规焊接电源时，焊丝末端的熔融金属无法形成平衡的轴向自由过渡，通常需要采用短路和液滴颈缩与爆裂，因此与半自动焊焊接的自由过渡相比，飞溅更多。但是，如果使用高质量的焊机并选择适当参数，则可以获得非常稳定的焊接工艺，以最大限度地减少飞溅。由于保护气体价格低廉，采用短路过渡时焊缝成形良好，使用含脱氧剂的焊丝可获得无内部缺陷的优质焊接接头。因此，这种焊接方法已成为黑色金属材料最重要的焊接方法之一。当使用氩保护气体时，惰性保护气体不参与熔池的冶金反应，适用于不锈钢、铝、钛以及位错等质量要求高或易氧化的各种金属材料的焊接，但成本高。氩气也是主要的保护气体，可添加适量的二氧化碳（15%～30%）或氧气（0.5%～5.0%）。与二氧化碳气体保护焊相比，这种保护焊具有更宽的焊接规范、更好的成形性和更好的质量。与半自动焊接相比，这种保护焊熔池更活跃，冶金反应更好。

1.2 各单元间的连接

弧焊机器人各单元间的连接包括焊机和送丝机、焊机和焊接工作台、焊机和加热器、送丝机和机器人控制柜、焊枪和送丝机、气瓶和送丝机气管等。完成上述工作后，连接焊机电源接入焊丝和保护气体，即可进行焊接。完整焊接系统的接线，如图2 所示。

2 弧焊机器人信号设定

通信与I/O 在机器人工作站中十分重要。它可将机器人工作站的各组成部分协调起来，保持工作站有序稳定工作。在机器人工作站的系统编程中，正确处理各I/O 端口的信号是关键。机器人控制柜的I/O 端口是进行工作站系统设计时必须了解的内容。在机器人控制柜中，有一个机器人专用的PLC。机器人的内部信号必须通过该PLC 的端口映射到通用输入输出端口，与外部设备（包括外部控制器）进行衔接。

本项目中，解决好工业机器人与自动化生产线成套设备之间的交互是生产过程的关键。根据生产需求重新定义各个设备接口，统一分配，以满足通信要求，对整个系统的信息流进行综合，然后控制各个设备按流程运转。自动化生产线通过传感器与机器人连接，每个工位上都装有传感器，用于检测工件位置。当传感器检测到某个工位上有信号时，机器人启动焊接作业。焊接完成后，进行下一工位工件的焊接作业，从而实现自动化生产线与工业机器人之间的信号交互。

为了完成弧焊机器人与生产线的系统集成，必须根据板卡的地址情况分配信号。主要信号有数字输出信号和数字输入信号。

3 程序的编制

该项目的焊接机器人属于示教再现式工业机器人，主要由控制器和示教盒构成[5]。机器人示教编程是操作者与机器人之间的主要通信接口。操作员可通过示教程序对机器人进行操作、示教和编程，并可直接移动机器人。

3.1 规划机器人的路径

在编写程序的过程中，为了避免机器人碰撞和姿态方面的问题，需要规划机器人的路径。在选择机器人的运行轨迹和操作方法时，采用示教点的方法，即在机器人的运行轨迹上设置一些关键点，主要包括拾取点Pick、放置点Place、程序起始点Home 以及安全点等。通过这些关键点能够大致确定机器人的运行路线。课程中，操作员通过指示框使用机器人身体将其最终路径移动到所需轨迹点，记录该点处每个关节伺服电机的编码器信息，以及插值模式、速度、精度等。以命令的形式确定，然后机器人控制器搜索这些命令的相应功能代码，并将其存储在特定的示教数据区域中。示教时示教盒可以通过几种坐标系控制机器人的规则运动，从而到达程序登录点。

常用的坐标系有3 种。第一，关节坐标建立在各运动关节，示教时可以单独控制各个关节的摆动或回转，往往用于机器人的快速移动。第二，直角坐标系。使用直角坐标时，可以控制机器人工作点做水平、上下移动和转动，能够很好地控制焊枪姿态，因此在示教中应用广泛。第三，工具坐标建立在工具端点，由于其一轴与工具轴相重合，因此在运动时可以很好地保持工具姿态，是微调作业姿态时常用的一种操作方式。各个坐标系统通过机器人控制柜中的计算器转换成各个轴运动的脉冲，其运动精度和机器人的伺服电机有很大关系，因此控制系统的运动算法是机器人基础研究的重要内容。

3.2 运动指令的选择

在编程机器人时，为了使机器人按照规划的路径精确、安全地到达指定位置，必须根据路径特点择优选择机器人的运动指令，主要包括MoveL、MoveJ 和MoveC。示教时，可以使用多种插补方式。最常用的为自由插补MoveJ，机器人能够根据速度和精度合理安排各个轴的运动方式。直线插补MoveL 也比较常见，往往用于直线上的弧焊。圆弧插补MoveC 比较不常见，多用于焊接一些比较复杂的工件。一般情况下，机器的速度和精度是相互制约的。为了获得高焊接速度，往往在转角较大处会由于运动惯性不能获得高精度。为了获得高精度，有时不得不牺牲一定的速度。因此，在焊接大转角焊缝时需要注意速度和精度的均衡。

3.3 程序的结构化设计

为了提高程序的可移植性，采用主程序调用子程序的设计方式，完成搬运机器人所要实现的全部功能，使机器人可以按照预先设置的路径移动。采用主程序调用子程序的设计方法避免了示教程序过于冗长，同时增加了程序的可读性。再现时，机器人控制器自动读取说明书和其他相关数据进行解释和计算。评估后，相应的控制信号和数据被发送到每个通用伺服系统，以移动机器人，使其准确再现指令动作。该机器人改造集成项目成功实现了减震器生产线的一个工序。机器人投入运行后，将大幅降低了操作者的劳动强度，使操作更为简便，提高了30%的劳动生产率，同时提高了产品质量，使得合格率由原来的96.0%提高到99.9%。积累相关经验后，公司逐渐为整条生产增加工业机器人，实现了整个生产线的规范化、科学化和经济化，减少了单调、重复的体力劳动，提升了公司科学技术水平和生产效率。

4 结语

工业机器人是典型的机电一体化数字化装备，技术附加值高，应用范围广。作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，工业机器人将对未来生产和社会发展发挥越来越重要的作用。