双机器人空间双缝协同焊接工作站的设计
0引言
薄壁零件在焊接过程中会产生较大的内应力，导致较大的变形，当同一零件上具有多道空间焊缝时，该零件的由焊接所产生的变形就非常复杂，不利于分析和控制[1]。在使用常用的减少内应力的方法没有达到满意的效果后，本项目组通过综合分析空间对接焊缝零件焊缝之间热输入量及变形的相互影响，并通过工艺试验论证确定了采用双机器人对该零件进行双缝同步焊接，协同变位机带动焊接零件变位，使焊接位置始终处于最优的状态，以达到保证焊缝成型质量及有效控制焊接变形的目的[2]。
1焊接工艺及流程分析
本方案需将焊缝分为四段焊接。
首先，工件装夹固定完毕后，机械手从长直焊缝一端起弧，根据工艺需要，设定合适的焊接电流、
焊接速度、送丝速度等焊接参数，焊至接近拐角附近位置，如图1（a）所示。
图1焊接工艺流程图
然后，从拐角附近位置变位机开始旋转，机器人焊枪轨迹点跟随变位机位置变化协调运动，使焊枪始终保持最佳焊接姿态，并选取适当的焊接参数，直到焊过拐角，如图2（b）所示。
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接下来，焊过拐角，此时短直焊缝水平向上，变位机停止旋转，机械手夹持焊枪做直线运动，并保持最佳焊枪姿态，完成直线段焊接如图2（c）所示
最后到另一尖角位置，变位机开始旋转，机器人焊枪轨迹点跟随变位机位置协调运动，使焊枪始终保持最佳焊接姿态，并且保持合适的焊接参数。直到焊接完成，如图2（d）所示。
本系统采用人工上料的方式完成工件的装夹与点定，当工人完成装夹后，按启动焊接按钮，系统控制器判断每个气缸是否夹持到位，如果夹持不到位，将给予提示。启动焊接后，机器人按人工示教编程后保存的程序进行焊接，机器人先对直焊缝进行满焊，到直角过度段的时候，机器人控制柜控制协同变位机调整角度，对拐角处的焊缝进行焊接，过完拐角继续焊接另一个平面的直焊缝，最后完成焊接，时效处理后人工下件。流程图如图2所示。
图2焊接工艺流程图 2系统组成与布局
自动焊接工作站包括机器人分系统、焊接分系统、工装夹具分系统、安全防护分系统和监控分系统。自动焊接工作站采用双缝双弧焊方式，需要两台弧焊机器人；自动化工装夹具通过气缸将工件定位夹紧，在变位机的位姿变换下完成可靠焊接；安全防
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护分系统用来做工作站的周界防护，避免工人在系统运行时进入工作区域。拟采用的设备有安全光幕、安全门、围栏等；监控分系统控制整个系统的逻辑动作，拟采用plc来实现各种传感器的控制，并将系统状态信息采集并传输到触摸屏上，操作人员可在工作区域外部清楚地看到整个系统的运行情况，并可通过触摸屏与控制台对系统进行控制。
布局图如图3所示：
1变位机2滑轨3机器人4滑台5焊接电源6水冷箱7拖链8走线槽
图3工作站布局图
该工作站设置一个维修门和一个上下料们，技术员可通过维修门进入工作站进行检修和调试，工人通过电动卷帘门进入工作站将工件通过夹具安装到变位机上，适当选取机器人型号以覆盖所有焊缝，该布局方案的优点是上下件安全、方便，各机构在工作中不易产生干涉[3]。
3系统控制3.1系统控制原理
双机器人自动焊接工作站在控制上分为两个层次：系统主控层和机器人焊接控制层。系统控制原理图如图4所示。
图4系统控制原理图
系统采用plc为主控器，收集各传感器信号，进行逻辑运算，
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然后输出逻辑动作命令控制机器人、夹具气缸、信号灯等执行结构动作。触摸屏根据需要提取plc内部寄存器的信号，将工作站的运行状态显示出来。操作盒可实现系统的启动、停止等操作功能。
机器人焊接控制层通过机器人控制柜和焊接电源的信号交互实现对机器人动作、外部轴动作和焊接系统的控制。机器人控制柜是该层的控制器，通过工业现场总线与焊接电源和机器人外部轴进行信号传送，本工作站采用的是abb弧焊机器人和福尼斯焊接电源，机器人与福尼斯焊接电源采用devicenet工业总线进行通讯。两台机器人由一台作为主机器人，另外一台机器人和变位机都作为主机器人的外部扩展轴。两台机器人之间采用机器人协同控制软件和标准工业现场总线进行通讯（该线缆有机器人厂商提供，abb机器人采用以太网），保证双机器人协同控制。
系统分两种工作模式：手动模式下进行示教编程，机器人各自示教完成后，可通过模拟焊接过程，执行示教焊接程序，通过多次调整各段的示教参数，直到符合要求为止；自动模式下进行自动焊接，如果焊前准备工作完成，确认各参数设置无误，将机器人切换到自动模式进行自动焊接，在自动焊接过程中提供自动保护功能，配合按钮操作盒，操作者实现对工作站的启动停止等控制[4]。
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机器人与焊接电源用现场总线devicenet模块实现数字化通讯，焊接电流、送丝速度等参数可以在机器人示教器上直接设定，实现不同焊接参数的切换，以适应不同焊缝位置的需要。
本方案将变位机放入到机器人分系统中，充当六自由度机器人的第七轴，由机器人控制柜控制其转动，可以实现机器人和变位机的联动控制，可以保证焊缝为最佳焊接位姿。3.2手动模式的控制
为了对自动化焊接工作站进行参数设置、调整、排故等工作，工作站除了正常的自动焊接模式外，还需要设计一套手动模式的操作，本工作站在触摸屏上进行手/自动模式的切换，可以将工作模式切换到手动模式。手动控制模式主要在以下操作时使用：
1、零件逐个在夹具上定位夹紧时
考虑现场夹具的操作方便性，在夹具上安装一个夹具控制盒，用于控制夹具的气缸的夹紧与放松，并帮助操作人员保证每一步都夹紧到位。
(1)夹紧按钮：工人手动将零件放到夹具上，按一次，夹紧下一步所对应的气缸，每放好一个零件按一次夹紧按钮，直到夹紧定位好最后一个零件。
(2)放松按钮：当上一步夹紧的零件出现问题时，按放松按钮，放松上一步所对应的气缸，重新摆放零件。
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双机器人空间双缝协同焊接工作站的设计
