关于焊接机器人工作站设计的探究

关于焊接机器人工作站设计的探究

刘阿缔

佛山市南海力丰机床有限公司528241

摘要：本论文通过对焊接机器人工作站的设计与实现，将工业机器人、点焊控制器、夹具、安全门及周边设备连接起来，实现相互通讯，达到两个机器人同时独立操作和协同操作目的，构成焊接机器人工作站；通过PROFIBUS总线，实现PLC控制，结合触摸屏技术开发人机界面实现监控；进行工作站的机器人参数设定、坐标系选取及机器人运动程序设计，通过配置I/O信号，实现机器人外部控制。

关键词：焊接机器人；工作中；设计

引言

工作站具有搬运车门、自动换钳焊接、焊钳修磨等功能，特别注重安全防护系统的配置。解决机器人控制器与周边设备接口技术，实现PLC控制柜与点焊控制器的通讯，点焊控制器与机器人以及快换装置的电气设计。进行机器人控制器与外围设备连接，机器人控制器通过西门子集成通讯处理模块CP5614与PLC控制柜内的可编程序控制器S7-300PLC进行通讯。PLC通过本地I/O和外围分布式I/O采集夹具、周边及机器人信号，以使系统能顺利地完成预定的各项工作。整个系统采用PROFIBUS网络联接，工作站的夹具、气压开关、安全门开关、抓具、焊钳及保护罩、光栅、光幕和操作台（带有10.4寸西门子TP270-10型号触摸屏）等信号分别通过线缆连接到相应控制箱内，整个工作站由PLC进行控制。

1工作站结构方案设计

焊接机器人工作站组成：（1）两台德国库卡公司生产的KUKA-KR200/4点焊机器人控制器（KRC，即KUKARobotController，200kg负载，最大工作半径为2400mm）和两台本体操作机。机器人选型采用德系车生产企业普遍采用的机器人型号，搭建企业真实的工作环境；（2）一台日本小原南京公司生产的ST21型点焊控制器（Timer）用来控制点焊操作，根据加工工件的不同进行电焊电流的设定；（3）一台焊钳修磨器，当焊钳电极头氧化后需要自动进行修磨；（4）一套日本NITTA公司生产的快换装置及X钳和C钳的保护罩各一套，快换装置实现焊钳的置换，焊钳保护罩用来保护焊钳，防止焊接过程中飞溅对焊钳损伤；（5）一台冷水机和一台空气压缩机，冷水机用来冷却焊钳，空气压缩机为整个工作站供气；（6）一台周边控制柜（内有SIMATIC的S7-300系列PLC）、ET200S分布式I/O，是整个控制系统指挥中心，当机器人处于外部控制时，由PLC发布指令；（7）一台带有触摸屏（SIMATICTP270-10）的操作台，用于检测系统状态；（8）一套水气单元系统（内装有电气比例阀、流量计、手动排水阀等），用来检测工作站水、其是否准备好，并符合要求；（9）上料台、下料台、JIGA和JIGB及其它附属周边设备；（10）安全光栅及安全门，作为系统重要的安全防护。周边设备的控制及车门的装夹、搬运和焊接过程的控制逻辑由配套的机器人控制器内在的SIMATIC公司生产的（CP5614）集成通讯处理器、周边柜（PLC）可编程序控制器和用户焊接示教程序来共同完成。

2工作站工艺设计

2.1气动一体化机器人用焊钳

随着科技进步，焊钳的性能也不断的得到了提升，由于气动焊钳成本低、性能稳定，因此在白车身焊接上普遍应用，气动焊钳在焊接时效率较高，而且能够保证焊缝有很好的质量。工作站的焊钳采用小原南京产品，焊钳设计在保证功能的前提下充分考虑焊钳电极臂的刚度与冷却，确保焊钳在工作站内正常作业与运行。

2.2机器人4-6轴走线系统

点焊机器人电缆在系统运行中是比较薄弱的环节，电缆保护的程度很大程度影响了系统的正常无故障运行时间，为了减少故障时间，本工作站专门应用了瑞士PMA机器人专用系列软管和配件。瑞士PMA机器人专用系列软管和配件专为电缆保护、引导极端自动控制和机器人安装而设计。具有良好的柔韧性，降低机械压力。各种配件有效满足电缆高度自动运行和保护的要求且安装拆卸方便。

2.3焊钳修磨器

通过工作程序的自动控制，当机器人焊接完一定数量的焊点后能自动地修磨焊钳电极头，保证焊接的质量。电极修磨器用于机器人焊枪电极的自动修磨。在生产过程中，为了提高生产线效率和生产的自动化水平，每一台在生产线中使用的点焊机器人都有电极修磨机来实现电极头在其工作面氧化磨损后的自动修磨。这样也能避免了工人进入生产线中检修发生危险的可能性，由机器人控制电极修磨机的工作状态。机器人提供专门的示教程序来完成整个电极的修磨。同时机器人也会根据修磨量来补偿焊钳的工作行程。

2.4点焊控制器

通过产品携带的示教盒进行焊接参数的编程。机器人调用焊接参数来进行焊接。焊接控制器用于实现机器人焊钳焊接的控制，包括焊钳大开、小开、焊接动作以及焊接规范（焊接电流、焊接时间等）的设定与调用。工频交流点焊设备将高频率的的交流电进行大幅度的降压，将电压降低的同时提高电流的大小，并通过变压器将其波形改成正弦波。这种波形能很好的完成焊接任务，在焊接的瞬间产生高温熔化焊锡。这种设备不仅能够保证很好的焊接效果，而且效率很高，设备组成也比较简单，很适合在工业生产中使用。

3工作站电气系统设计

3.1PLC控制系统技术

PLC是一种可编程序控制器，PLC控制结构简单、功能强大，因而应用范围很广，是工业上使用最普遍的控制手段。随着微处理器技术的发展，PLC技术越来越成熟，而且集成化的的程度越来越高，在工业控制技术领域占有重要的地位，引领着该工控技术的发展方向。本工作站使用SIEMENSS7-300PLC将两台机器人、夹具、安全防护系统、触摸屏操作界面等联成一个完整的系统。SIEMENSS7-300/400系列PLC是由一个一个的模块组成的，根据工业应用的需求，我们将其按照一定的规律进行组合，并将这些模块放到架子中，最后形成整个PLC系统。以S7系列PLC为核心的全集成自动化（TotalIntegratedAutomation，TIA）技术有助于企业实现生产力的最大化。采用ET200S组件通过Profibus-DP总线将夹具与PLC相联，为今后系统的扩展提供了极大的方便。人机操作界面选用触摸屏后，系统操作与状态指示简单直观、功能扩展灵活、能实现两台机器人同时或独立工作。

3.2现场总线

“现场总线是一种新型的网络通信技术，起源于汽车产业，现在广泛的应用于各种工业领域。也称现场底层设备控制网络。”现场总线遵循国际统一的协议标准，具有开放、互联、兼容和互操作等特性，在很多领域都有着广泛的应用，包括汽车领域、交通领域、以及通信领域等，在这些领域中有着广泛的应用前景。常用的现场总线主要有：

FF基金会现场总线、ControlNet现场总线、PROFIBUS现场总线、INTERBUS现场总线、DeviceNet现场总线和PROFINET现场总线等。

PROFIBUS现场总线是领域应用最多的总线，主要是由于它自身的技术特点比较适合作为一种标准总线，它的标准是非常开放的，任何厂家都可以进入到该领域，在大家的共同努力下，PROFIBUS现场总线领域应用行规，已成为多个欧洲及世界认证组织认证的该领域的标准，已成为最重要的和应用最广泛的现场总线标准。

4结语

总而言之，本文从机器人的结构设计、控制设计来论述，机器人工作站包括两台KUKA-KR200机器人、焊钳修磨器、焊钳快换机构、冷水机、安全防护门等，并通过PLC进行控制，搭建主从结构的工作站，以PROFIBUS-DP作为现场总线，便于设备之间通讯。

参考文献

[1]徐军营.焊接机器人工作站及其生产应用[J].焊接.2003（11）：41－42.

[2]朱友超.焊接机器人工作站的设计与实现[D].安徽合肥：合肥工业大学.2008.

[3]常云龙.金巍.李静雅等.基于PLC控制的钉头管自动焊控制系统设计[J].焊接技术.2010.39（1）：4-8.