叉车结构件自动化焊接生产线

卫 兵，赵 蕾，朱鹏涛，王浩君

（北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

随着机器人在各个领域中的广泛应用，焊接机器人在工业领域中的应用越来越广泛。焊接机器人具有自动化程度高、生产效率高、劳动强度小、焊接质量稳定、可持续作业等优点，在工程机械、煤矿机械、轨道交通、航天航空和新能源等行业中得到了广泛应用。目前，在叉车结构件焊接中应用机器人焊接较为普遍，但技术应用较为单一，主要以机器人自动化工作单元为主，解决了机器人焊接方面的问题，在智能化、信息化等方面都不完善，存在一定的局限性。本文主要介绍了叉车结构件自动化焊接生产线，包括整个生产线的工艺布局、主要组成、关键技术等内容。

1 总体工艺要求

本文介绍的叉车结构件自动化焊接生产线主要包括机器人技术、自动化物流、机器视觉、数据采集分析、信息化等多技术融合，是完成对工件焊接的全自动化焊接生产线，总体要求是将工件按照图纸要求进行焊接的系统设备（包括安全防护系统），依据工艺技术要求，工件通过搬运机器人抓取的物流形式实现从扫码暂存区放置在相应焊接工作站变位机上，由两台机器人协同焊接工件，焊接完成后再由搬运机器人自动抓取，通过物流系统送至补焊及校正工位。

生产线工艺流程如下：零部件组对→安装工件信息码→工件吊运至上线输送区→信息确认（自动扫码）→工件型号识别（机器视觉系统）→工件自动输送至上件区→机器人自动搬运工件至机器人焊接工作站进行焊接→机器人自动搬运工件至输送线→工件自动输送→人工补焊、校正→工件下线。

2 生产线主要内容

本生产线主要内容包括：机器人系统（包括焊接机器人和搬运机器人）、机器人移动轨道、搬运机器人手爪、自动变位机及工装夹具、焊接系统、总控制系统、信息化系统、机器视觉系统、输送系统、安全防护系统等，总体布局图如图1所示。

图1 生产线总体布局

2.1 机器人系统

2.1.1 焊接机器人

采用焊接专用机器人，机器人有六个自由度，采用交流伺服驱动，手臂动作自如、稳定、精度高，可方便的与焊接电源、自动送丝机、变位机等协调工作，保证焊接动作的稳定可靠。具有较完善的防碰撞等安全防护功能，在示教和焊接时，若焊枪与焊件或周围物体偶然发生碰撞，碰撞传感器会向机器人控制器发出信号，使机器人运动急停，防止损坏机器人、焊枪和周边设备。系统配置强大的焊接工艺程序软件包，与焊机系统进行网络通讯，并与总控制系统进行交互。其主要性能指标如下：

1）负载：16kg

2）运动轴数：6

3）安装位置：地面

4）重复精度：±0.05mm

2.1.2 搬运机器人

为了适应重工件的搬运，采用特殊的重负载搬运机器人，机器人有六个自由度，采用交流伺服驱动，机器人移动导轨采用机器人外部轴驱动，手臂动作自如、稳定、精度高，可方便与手爪，行走电机等协调工作，保证动作的稳定可靠，同时配置专用手爪，实现工件的搬运。其主要性能指标如下：

5）负载：1000kg

6）运动轴数：6

7）安装位置：地面

8）重复精度：±0.1mm

9）环境温度：+10°C至+55°C

10）机器人防护等级：IP65

2.2 变位机及自动夹具

本系统设计双轴变位机以适应工件的焊接姿态，可根据不同工件型号进行自由编程，外部伺服驱动系统，通过齿轮啮合传动，带动回转轴承旋转，变位机做回转运动。变位机的驱动伺服电机采用机器人外部轴，由系统集中控制，运行平稳、准确、可靠。变位机的整体结构保证刚性和运动的稳定以及定位精确，能够使焊接机器人工作范围覆盖多种规格工件的焊接，适用性广泛，并能够配合机器人动作姿态使焊枪达到与工件之间理想的焊接角度，从而得到满意的焊接效果。

工装夹具设计可兼容三十多种工件的柔性夹具，采用气动快速夹紧工装，实现工件定位夹紧，气缸夹紧为自锁式结构，采用进口气缸并配有传感器进行位置检测。夹具定位基准准确、可靠，使用安全快捷。

2.3 总控制系统

总控制系统是整个焊接生产线系统的核心系统，本系统选用西门子的S7-1500系列PLC 作为控制核心单元，采用总站加远程I/O的方式，现场总线进行扩展。网络通讯采用工业以太网协议贯穿整个生产线系统，实现设备的互联互通，人机交互配合上位机系统、识别系统、信息处理系统、远程I/O 模块等。总控制系统负责整个自动化焊接生产线的系统总体控制、数据采集与处理、信息互通与协调，主要包括有物流输送控制、焊接夹具自动控制、机器人系统、识别系统、信息化系统管理以及安全系统处理的协同控制。

整个焊接生产线总控系统采用三层架构设计：第一层为基础自动化级，主要负责底层传感器的数据采集上传、执行机构的控制运行；第二层为过程控制级，采用工控机系统和上位控制软件，进行工艺数据的输入、设定主要参数和数据传输，完成系统各个生产单元运行的监控、信息采集、网络通讯、信息跟踪等，通过图形化技术对生产线状态进行显示；第三层为生产管理级，主要是生产线数据与用户数据互通，实现全车间或全厂的生产管控。同时预留接口也可与厂级的生产管理系统进行对接，实现互联互通。

该总控制系统具备有自动、手动以及调试模式多种运行模式之间的切换功能，整个系统主要包括以下功能模块。

1）机器人系统控制功能

机器人系统与总控系统采用工业以太网现场总线EtherCAT通讯，能够实施交互信号，监控机器人系统状态、控制信号传输、各机器人协同控制等。

2）物流输送控制功能

物流辊道采用变频器+交流电机的控制模式，配合位置检测传感器，变频器通过现场总线与PLC系统进行交互实现调速和电机的启停控制。变频器选择西门子控制变频器，调速性能好，节能效果好。

3）焊接变位机自动夹具控制功能

夹具采用气动控制，该夹具上对应的传感器和电磁阀采用分布式远程I/O模块与总控系统连接，大大减少了布线时间和更换夹具的时间，为实现柔性化生产打下良好的基础。

4）人机交互功能

人机交互系统采用了西门子触摸屏系统和工控机系统，通过触摸屏的人机界面和工控机的系统，监控整个生产线的控制系统、各工装装置及其辅助设施的运行状态。

5）条码管理系统

条码管理系统用于对工件的标识，通过与生产管理系统的交互可生成工件条码，每台工件条码唯一，通过打印机打印计划生产工件的条码。本焊接生产线配置两套条码打印及自动条码扫描系统，工件到位后自动扫描条码，工件信息自动传入总控系统，条码信息保存到总控系统中，并传送至搬运机器人，由搬运机器人自动抓取工件并送至变位机上。

6）安全功能

通过完善的安全输入开关、安全信号处理模块构建全生产线的安全系统，达到对应的安全标准要求，对于运动部件设置可靠的安全互锁保护和启动声光预警功能，在易操作部位设置可靠的急停输入以及设置安全光栅防止人员一万进入机器人工作区域。

2.4 信息化系统

信息化系统作为整个焊接生产线中的过程控制部分，主要采用主流的OPC技术与机器人系统、PLC系统、视觉识别系统、输送系统等进行互联互通，采集生产线中各类数据信息，通过可视化设备进行显示，该系统预留网络通讯接口，可以与工厂级的生产信息化管理系统、产品生命周期管理系统等进行对接，实现数据实时交互。系统主要功能包括以下几方面：

1）生产计划执行、导入、统计功能

系统具有生产计划执行和导入的功能，预留与工厂信息化系统交互的接口，便于后期读取工厂、车间等信息系统中的生产计划等各类数据。

系统通过与生产现场各个工艺段的实时交互，能够统计当前现场已完成的工作量情况，并进行总的生产统计，同时可对生产数据进行分类、分析。

2）生产线监控功能

系统与现场各采集信号互联，监控整个生产线的状态，可监控各个设备的运行情况、参数、故障报警等，便于对设备的各个状态进行分析、研判。

3）设备运维管理功能

系统具备运维管理的功能，通过数据采集可以对设备进行完工率统计、设备开机率统计，到期保养提醒，提高设备开工率。

4）故障诊断功能

本系统具有的故障报警诊断功能，能够实施监控各个环节的生产异常情况，并进行显示、统计、处理。

5）焊接参数采集与处理功能

针对焊接工艺数据，系统将焊接机器人、焊接系统、工装夹具系统互联互通，实时采集焊接工艺参数的数据，并进行分析处理，从而确保焊接工艺的稳定性。

6）电子看板功能

通过现场电子看板集中展示生产线总体运行状况，包括生产状态、生产报表、故障报警、设备状态等信息。

2.5 机器视觉系统

本方案采用机器视觉系统，主要是为了完成多品种复杂工件同时上线的识别判断。由于工件种类繁多，部分产品特征较相似等特点，为了准确快速自动识别上线工件的型号，故采用当前最新技术的智能视觉系统来进行工件特征匹配识别，智能视觉系统通 过前期工件模型对特征点进行训练，利用深度学习，模板匹配等智能识别技术准确匹配系统中已保存的产品数据库，进而得到当前上线产品的型号并发送到总控系统进行存储，随后在相应工位传送给对应的焊接机器人进行焊接。

为了保证识别的准确性和可靠性，视觉识别系统可以设置多个匹配条件进行互相验证，进而既满足识别成功率，又能满足识别正确率。当识别到未定义的工件或因其他因素未成功识别时，系统会自动将工件输送至处理工位，并采用声光报警提示操作人员进行干预处理。

2.6 输送系统

本方案输送系统主要为了工件的上下线，配合整个生产线的物流输送。本系统采用模块化的设计，便于生产线的逻辑控制、维修、保养，各模块相互独立，控制系统采用分段控制与连锁控制相结合，一旦某个模块出现故障可快速更换新模块。

本输送系统有着强大的逻辑控制功能，可以根据程序逻辑进行自动的工件传输，也可以方便的进行手动启停，工件输送与变位机工装、焊接机器人之间具备完善的互锁控制，保证设备运行安全。系统能够配合整个生产线的生产调度，同时也可兼容各类型号产品的输送要求，并满足最大工件的承载要求。现场照片如图2所示。

图2 现场照片

3 主要关键技术

1）结构件焊接质量的控制

机器人自动焊接系统配置自动寻位、焊缝跟踪，多层多道等多功能的焊接工艺软件系统，控制系统实时采集焊接工艺参数的动态变化，通过人工智能算法实时调整优化当前焊接工艺参数、位置纠偏算法实时纠正工件位置偏差，实施修正机器人位姿和焊接参数确保结构件的焊接质量稳定可靠。

2）双机器人协同的自动焊接

为了最大化满足工件焊缝可达率和生产线的产能要求，提升焊接效率，采用双机器人协同的焊接模式，完成统一的焊接工作任务，双机器人系统采用主从控制模式，从底层控制系统就保证了双机器人的协调与联锁，最大限度提升双机器人的同步率和安全性。在工艺分析规划和实施中，充分考虑双机器人的同步率，最大限度的提高机器人的焊接效率。

3）柔性卡具的设计

为了实现三十多种不同型号产品的一次性自动装夹，专门设计了自动可适应的柔性夹具，每一个夹头均可单独动作，通过整线控制系统的协调，不同品种选用不同的夹具动作组合，既保证了产品的安全可靠夹紧，也充分考虑了与机器人的干涉，最大化的提高了焊接可达率，此外夹具上配备多种检测传感器，可实时对整个动作流程进行诊断和监测，保证设备运行安全。

5）多品种复杂结构件的视觉检测

为了满足多型号产品混线智能化生产，产品型号准确识别至关重要，故开发了基于机器视觉的工件型号识别系统，系统通过高精度图像采集系统、智能化的图像处理和识别算法，配合条码扫描系统的二次纠错，型号识别正确率几乎达到100%，也为整条生产线的产品信息跟踪，生产过程数据采集和保存，全线智能管控奠定了坚实的基础，极大地保障了整条多品种结构件柔性焊接生产线的稳定可靠运行。

4 结语

随着现代科学技术的快速发展，机器人焊接应用工程技术逐步提升。本文主要介绍了叉车结构件自动化焊接生产线的解决方案，集成了先进的焊接应用技术，生产线控制系统的智能化和信息化程度高，通过工业网络互联，结合先进的检测技术、感知技术与控制技术，对全流程的工艺控制点、安全监测点和生产环境的监控，有效保证生产的安全性、可靠性。大幅提高了产品的生产效率、提高了产品的质量、减少了线上操作人员。目前该生产线在客户现场应用稳定、可靠，得到客户的一致好评。