Automobile Technology & Material

机器人自动电阻点焊系­统组成与实现方案探讨

陈威 张展鸿 邓汝炬 511434) (广州汽车集团乘用车有­限公司,广州

- 1988—),作者简介:陈威( 男,学士学位,主要研究方向为汽车生­产线规划与设备标准化。

摘要:主要通过论述了汽车白­车身点焊工艺的机器人­自动电阻点焊系统组成,介绍各重点组成设备的­功能及主要技术特点,探讨了该系统的主要设­备的控制实现方案以及­整体的控制实现方案,并详细论述了配电及网­络控制、冷却循环水控制、安全门复位、安全控制设计、指示灯状态设计、焊接准备条件方案设计、焊接时序控制方案设计­等方案,通过对各个环节的方案­进行串联,形成一整套机器人自动­点焊工艺的实现方案。以上各环节控制可独立­或作为整体供生产线的­设计进行参考。关键词:电阻点焊 机器人 控制系统U466 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20180230中图­分类号: 文献标识码: 1 前言

近年来,全球汽车需求量不断快­速增长,汽车工业得以蓬勃快速­发展。汽车车身连接工艺有点­焊、弧焊、铆接、胶接等众多工艺。为了提高车身的强度、提高抗腐蚀性、提高可靠性以及汽车安­全性能,降低车身重量、降低制造成本,白车身的连接工艺主要­以点焊为主,占比可达白车身的连接­连接工艺的90%[ 1]。

凭借电阻点焊在成本、能耗、效率、安全等方面的优势,电阻点焊在白车身制造­领域得到了广泛的应用[2]。

传统的焊接车间是以人­工手工焊接为主,是劳动力密集型行业,尤其是当前众多小型零­部件供应企业,以手工焊接为主,焊接质量波动较大、生产效率低、且在人口红利不断消失­之后的背景下,人工成本不断攀升。机器人自动点焊工艺有­着设备故障率低、焊接质量稳定、生产线开动率高等特点,是工厂生产线长期运营­成本降低、突破产能瓶颈的重要手­段。

2 机器人电阻点焊系统组­成2.1 系统组成

机器人自动点焊为机械­设备自动运行,为保证机器人的自动点­焊系统安全完成工件的­加工, PLC机器人完整点焊­系统主要由 、机器人、焊机、焊钳、冷却循环水系统、电极修磨器、配电系统、安全方案等辅助系统组­成。

2.2 机器人

机器人主要由控制系统、机械手和手持操作编6­程器三部分组成;机器人由 个转动轴组成,通过控XYZ制系统对­伺服电机精确控制,实现机器人沿 向XYZ 6以及分别围绕 向转动的 个自由度的空间运6 6动。用于焊接的 轴工业机器人精度较高,轴法兰

±0.08 mm中心点的重复定位­精度可控制在 以内;运

2~3 m/s;动速度快,最快移动可达 可示教编程复杂路径,实现多台机器人同时、高效、灵活、精准地完成复杂作业。

2.3 焊机/焊接控制器

3 380 V焊接控制器主要将车­间电网的 相 交流电通过逆变转换为­中频焊接电流,经焊钳变压器变压后转­换输出可用于工件焊接­的安全的控制设

BOSCH备。以 中频直流焊接控制器为­例,三相交流电源全波整流­后经电容滤波得到较小­波形的直流电,再通过晶闸管开关元件­组成的桥式逆变器,

1 000 Hz将电流频率逆变为 的中频直流电,将电源输出至焊钳变压­器。利用焊接控制器可存储­可编程的焊接规范(指焊接参数组)特点,可方便快捷实现不同板­材焊接的的参数调用。

2.4 焊钳

焊钳是焊接系统中的执­行部件,焊钳执行动作3含 部分内容。包括焊钳夹紧、打开动作以及焊钳的通­电焊接动作。伺服电机具有压力控制­精度高、响应速度快等优势特点。焊钳的供电组成部分由/变压器、铜质铝制电机臂、电机杆、电极帽组成。

2.5 控制电配电柜、焊接电配电柜

控制电配电柜、焊接电配电柜分别指为­生产线体设备提供控制­电和焊接电的供电分站。在生产线中为了保证用­电设备的控制稳定,焊接电由单独电网提供。控制部分的设备采用清­洁电(波动较小),即控制电,用于焊机焊接的电源采­用非清洁能源(即波动较大),即焊接电。

2.6 机器人冷却循环水控制­单元

点焊主要通过大电流短­时间在板材电极端瞬间­产生大量热量,变压器、电极帽、电极杆发热较多,在讲究高效连续焊接的­生产线环境中,空冷无法满足冷却要求,通常采用水冷形式进行­冷却;冷却循环水控制单元主­要为焊钳提供冷却循环­水,控制循环水的关、开,以及流量显示,在自动化生产线中,冷却循环水还应具备自­诊断功能。2.7 安全方案系统线体设计­时考虑设备运行的安全,设置必要

PLC的安全按钮、安全传感器等安全产品,利用 编程,将设备的安全急停按钮、安全光栅信号、安全扫描仪信号、安全门安全、到位信号等信号串联行­程安全链,以保证设备运行的安全。

3 机器人电阻点焊系统实­现方案

实现点焊系统是一个大­的系统方案,组成此系统考虑区分为­各个小系统方案,主要包括配电方案、配网方案、冷却循环水系统方案、安全方案、指示灯方案、焊接通电时序控制方案。针对各小系统方案,下文分别作出相关方案­分析。

3.1 配电及网络方案

3.1.1 控制电、焊接电配电为保证电网­供电控制的稳定性,控制电、焊接1电分别由控制母­线及焊接母线单独供电。如图PDP所示,电柜电源由控制母线引­入,为现场的MCP柜、机器人控制柜、电极修磨器、焊钳驱动电机(由机器人控制柜供电)等提供三相交流控制W­PDP电; 电柜电源由焊接母线引­入,为现场的焊接控制柜、焊钳变压器(由焊接控制器直接供焊­接MCP电)提供焊接电;其次,在 柜内设计开关电源, 24 V将柜内交流电转换变­压输出 直流电源,为现场众多控制元件如­安全光栅、阀岛、柱灯、水气单24 V元等低压元器件提供 控制电。3.1.2 网络拓扑方案在机器人­点焊系统的线体中,网络通讯作为Devi­cenet主要贯穿系­统控制的枢纽。以 设备总线PLC HMI I/O为例, 控制单元作为主站,机器人、 、 模块、阀岛等作为子站进行通­讯。每个子站下连接

2执行元器件或检测元­器件,如图 所示。Devicenet机­器人配置 网络主、从通讯模块。I/O作为主站时,连接焊接控制器、 模块、阀岛等子站模块。上件口光栅、扫描仪、安全门锁、安全急停按I/O钮、柱灯等安全元器件连接­至现场安全 模块,水气单元信号传感器、夹具工件传感器等连接­至I/O普通 模块。

3.2 焊接系统控制

3.2.1

冷却循环水控制方案设­计选型。冷却循环水是焊接保护­设备及保证能否持续自­动焊接的关键环节,而如何设计控制方案则­是实现正确冷却的关键。机器人冷却水控制单元­设计为信号控制,循环水回路的进水回路­采用电磁阀开关进行打­开、关断动作,出水回路采用单向阀,当冷却水回路导通时,单向阀打开,循环水流过单向阀完成­冷却水循环,当冷却水回路断开时,单向阀关闭,防止出水回路上的冷却­水回流。在控制单元的回水回路­设计采用电子脉冲流量­计作为信号的采集及反­馈,并具备设置导通流量的­最高、最低流量值的公差带的­功能,当水流量高出或低于设­置的公差带时,信号反馈为低电

PLC平,此时为循环水异常,或机器人给根据反馈回­来的低电平信号做出响­应,机器人焊接动作停止,并报警提示相关信息,提醒维护人员进行检

3修,以保护焊接电极过烧或­管道破损,如图 所示。

24 V控制操作。循环水控制单元主要通­过对电磁阀的控制实现­控制循环水的开启、关闭。开启动作设计一般有两­种方式;第一种方式是通过机器­人标准程序中,执行程序时持续输出高­电平信号,电磁阀处于长期接通状­态,自动开启循环水,主要应用于正常自动生­产时保证循环水的持续­供给;第二种方式是通过设计­的手动开启按钮,

24 V按下按钮触发 电磁阀接通并使控制回­路自锁,持续开启循环水,主要应用于手动示教机­器人焊接时供给循环水。关闭动作一般有两种方­式;第一种方式是机器人标­准程序中,执行程序时持续输出低­电平信号,电磁阀长期处于断开状­态,自动关闭循环水,主要应用于机器人在更­换电极帽前,保证电极帽拆开后循环­水不会出现持续喷出,以及应用于电极修磨前,防止电极修磨时脱落导­致冷却水喷出;第二种方式是出现异常­的情况下,自动断开,如车间水流量过低、过高、电极帽异常脱落,当出现以上情况时,回水回路的流量计检测­到流量异常,反馈低电平信号至机器­人,机器人收到低电平的反­馈信号则立即将持续输­出的高电平重置并输出­低电平,断开电磁阀关闭循环水。如

4图 所示。

3.2.2

安全门复位方案机器人­自动点焊系统中,为了保护人员进入线体­的安全操作,生产线采用安全型双通­道安全门锁。作业人员进入作业的区­域属于危险区域,为保证作业者的作业安­全,打开安全门锁时则断开­控制系统的自动运行安­全链,而需要启动运转必须插­上安全门的安全插销。安全链的安全断开,避免了设备的启动运转,从而保证在作业区域作­业时的安全。安全门安全方案的工作­时序以及

5作业工作流程,如图 所示。3.2.3

安全控制设计机器人自­动点焊系统中安全系统­设计主要包括并且区分­两部分内容:紧急停止和安全停止。紧急停止指不管设备在­运行的任何状态中,触发紧急停止时,所有设备立即进入最高­级别快速停止状态,响应时间短,作为保护现场突发状况­的停止机制,但对设备会产生一定的­损坏;安全停止指设备在非运­行状态下,触发安全停止信号,如打开安全门时,设备进入暂时停止状态,响应时间长,设备处于安全停机状态,停机不会对设备产生伤

6害,如图 所示。

安全系统主要由安全门­信号、急停按钮信号、机器人急停信号、通讯模块通讯状态以及­其他安

7 PLC全信号组成,如图 所示,在 系统中,以上安全信号应以串联­的形式进行编程,并将安全信号作为点焊­系统自动运行中的必要­条件,当某个信号中断或异常­时,安全链异常,机器人点焊系统自动运­行中断。在电气设计、编程中,通常安全信号应以常闭­的形式进行设计。

安全设备作为保护线体­安全的重要元器件,是点焊系统自动运行设­计中必不可少的环节,各安全设备均必须保持­较高可靠性,电气回路均应以双安全­回路的形式设计。机器人作为主要实现焊­接动作的设备,安全设备必须可靠、稳定,在PLC控制系统中,当任何一方出现安全信­号中断异

PLC常时,控制所有设备停止动作,机器人控制自身及所有­工具(焊钳、焊机)停止动作。

如机器人属于高精度、高速运转设备,频繁的紧急停止会导致­机器人的寿命严重缩短,电机等容易受损,不利于生产线的长期高­效运转,故打开安

PLC全门进入工作区­域作业、 电气工作系统模式切换­至手动的情况,机器人应设计停止为安­全停止。3.2.4

指示灯状态设计机器人­点焊自动线体指示灯应­至少设计线体

/的状态指示灯、安全门状态指示灯、上 下件口状态指示灯。a.线体状态指示灯指示当­前线体的正在运行、运行准备、安全停止、暂停、急停等工作状态,指示

1灯工作的方法如表 所示:

b.安全门指示灯指示安全­门打开、关闭待复2位、复位完全等工作状态指­示灯工作的方法如表所­示: 3.2.5

焊接准备条件方案设计­在实现焊接前,为保证机器人自动点焊­实现

PLC的可靠性,通过 设计完善的逻辑编程,利用外部传感器的状态­检测以及网络的通讯、机器人的通讯信号状态­及逻辑,来判断焊接条件的准备­情况。主要的准备条件有控制­配电和焊接配电供电

PLC正常判断、 系统通讯状态判断、安全系统异常状态判断、焊接控制器启动准备状­态判断、机器人运行状态判断、冷却循环水系统状态、工件定位准备状态判断、夹具状态状态判断等。只有当以上状态正常时,才可启动机器人开始焊­接。3.2.6

焊接时序控制方案设计­焊接通电时点焊系统实­现的重要环节,为了保证焊接通电以及­夹紧打开动作的正确性,应充分考虑焊接时序控­制的设计。

在焊接准备条件充分的­情况下,在自动的状态下启动机­器人焊接后,机器人通过与焊接控制­器的信号的通讯完成焊­钳夹紧、加压、通电、加压释放等一系列的动­作,焊接通电时序可根据实­际要求进行编程,当前市场上应用典型的­主要通电时序有欧系、日系两种焊接通电时序,机器人只需根据焊接控­制器的编程逻辑进行编­程即可。如以

NADEX日本 焊接控制器为例,焊接通电控制流程

8见图 。机器人与焊接控制器准­备好焊接条件后,焊钳夹紧并且达到设定­的夹紧压力和夹紧量(通常以夹紧的板材的厚­度为基准设置),完成后由机器人发送设­置好的“焊接启动”信号及需要调用焊接控­制器焊接参数的“焊接程序号”,焊接控制器收到相应信­号后开始启动通电,通电完成后将“焊接完成”信号发送给机器人,机器人接受到信号后则­打开焊钳离开,并反馈已收到“焊接完成”信号至焊接控制器,焊接收到机器人的反馈­后则将焊接控制器所有­信号复位至准备焊接的­初始状态,结束该焊点焊接循环并­进入下一循环,等待机器

8人的焊接调用,如图所示。同时,在机器人反馈已收到“焊接完成”信号至焊接控制器的同­时,将结束该循环的点焊动­作,进入下一循环。这样,机器人就完成了一个点­的点焊流程,在执行焊接程

 ??  ?? 图1 系统配电示意
图1 系统配电示意
 ??  ?? 图3 冷却循环水系统原理
图3 冷却循环水系统原理
 ??  ?? 图4 冷却循环水工作时序
图4 冷却循环水工作时序
 ??  ?? 图2 系统网络配置示意
图2 系统网络配置示意
 ??  ?? 图5 安全门工作时序及流程
图5 安全门工作时序及流程
 ??  ?? 图7 安全控制系统
图7 安全控制系统
 ??  ?? 图6 机器人与PLC安全通­讯
图6 机器人与PLC安全通­讯
 ??  ?? 图8 机器人与焊接控制器通­电流程
图8 机器人与焊接控制器通­电流程
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