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弧焊机器人工作站系统设计

摘要

随着工业技术的提高，机器人被广泛应用于生产实践中，机器人与手工操作相比，有着明显的优势，广泛采用工业机器人不仅可提高产品的质量和产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用日益改变人类的生产生活。其中，焊接机器人是应用最为广泛的机器人，全球将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域。

本论文以六自由度弧焊机器人为背景，详细介绍了机器人工作站的配置，硬件选型，PLC控制系统的设计、机器人配套设施的建设、仿真软件的应用及在实际环境中的调试。

论文首先总结了前人的工作，对焊接机器人工作站的发展现状和前景进行了展望。总结了中外弧焊机器人的生产发展情况，对国内的弧焊机器人工作站的优缺点进行了分析。然后结合工厂实际情况和生产要求，结合目前先进的机器人技术和解决方案，规划了本次机器人工作站的设计模块，对机器人工作站的配置和组成提出了合理创新的设计，采用简单高效的方法完成了工厂的应用要求。

工作站包括两台日本安川机器人公司的MOTOMAN NX100机器人，该机器人采用了6轴运动，能够在空间上做大自由度的运动，一台机器人安装了弧焊焊枪，进行弧焊作业，另一台机器人安装了夹持设备，进行辅助作业，两台机器人协调工作，共同完成作业任务。

本文对工作站的各个组成部分给出合适的规划，保证了机器人工作站的实用高效性，使用双机器人的协调工作及外部轴的控制实现高复杂度的焊接，能够适应不同的工作环境，使工作站拥有良好的柔性化拓展空间。

对工作站系统进行设计时采用了先进的3D模拟仿真技术，能够直观模拟机器人在实际工作环境下的运动状态，观察机器人I/O信号在运行中的应用情况，对现场环境

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下工作站的系统运行作出充分的模拟演示，保障了机器人工作站的稳定和高效，为机器人工作站的现场搭置提供了精确的数据支持。通过仿真软件的应用，设计人员脱离了完全靠示教编程的模式，能够更加安全地对机器人的运动进行部署。通过仿真，大量的隐藏问题得以发现，并在机器人工作站实际部署前得到解决。仿真是工作站建设的一个重要环节，也是以后工作站技术发展的一个方向。

由于仿真中使用的机器人程序也可以植入实际的机器人中，可以用仿真软件来编制机器人的运行程序，通过仿真软件编写双机器人及外部轴的协调程序，结合机器人I/O通讯，检验实际运行的可靠性和稳定性。

系统编程包括机器人控制柜内部PLC和专业的外部PLC编程。工业PLC由于采用光电耦合的方式传递信号，具有很强的信号防干扰能力，非常适合复杂的工厂环境应用。

本文通过对机器人内部的PLC程序进行设计优化，使其更符合实际需求，增加了三色灯的信号反馈、外部操作盒的控制、报警处理等多项功能，通过机器人的PLC管理，已经基本能够实现工作站的正常运行。为了便于管理和维护，系统还包括外部工业PLC，通过设计PLC程序，使工作站更加人性化。外部PLC结合液晶触摸屏，可以设计出专用的人机交互界面，通过丰富的界面功能设计，可以满足不同使用人员的需求。比如，管理人员可以通过其管理界面了解机器人的产量、效率等生产信息，而维修人员能通过故障显示界面快速定位故障信息，大大简化和方便了系统维护。

系统采用欧姆龙公司的CJ1MCPU13小型工业PLC，利用该PLC与机器人内部PLC保持通讯，获取机器人的实时状态信息并显示在触摸屏上。机器人内部PLC作为主控制器，控制工作站实际运行。

总之，本文对弧焊机器人工作站系统设计，通过采用双机器人协调工作方式，结合仿真编程技术，合理配置工作站及编写系统控制程序，设计出的工作站系统具有兼容性好，柔性程度高，功能丰富可扩展等的优点。

关键词：弧焊机器人，仿真模拟，协调控制

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Design for Welding Robot Workstation System

ABSTRACT

With the improvement of industrial technology, robots are widely used in production practice, compare with the robot and hand operation, the robot has obvious advantages, the widespread use of industrial robots can not only improve product quality and yield, but also to protect the personal safety, improve the working environment, reduce labor intensity and improve labor productivity, savings in raw materials consumption and lower production costs, It is of great significance. As computer network technologies, the extensive use of industrial robots, is changing the life of mankind. Among the kinds of robot, the most widely used robot is welding robot, nearly half the world's industrial robots used in various forms of welding process in the field.

This paper use the welding robot with six degrees of freedom as the background, detailing the configuration of the robot workstation, hardware selection, PLC control system design, the construction of supporting facilities robot, simulation software applications and debugging the program in a real environment.

This paper firstly summarized previous works on the development of welding robot workstation status and predicted the prospect. Summarized the production of arc welding robot in foreign and analyzed the development of the domestic arc welding robot workstation in China. Then combined with practical situations and production requirements, combined with the current advanced robotics technology and solutions, planned the modules of this arc welding robot workstation, make a innovative design of the configuration and composition of the robot workstation, and get a simple and efficient method to complete the plant's application requirements.

The robot uses two Yaskawa's MOTOMAN NX100 robot, the robot uses six axis motion, so it can get a large freedom of movement space, one robot has installed a arc robotic welding torch, when its operating time it works through the welding power source, another robot installed a clamping device, the clamping device can clamp the work piece to move the space, then the two robots start works together.

The project of various devices on the robot using appropriate planning, to ensure the practical efficiency of the robot workstation, using the two robots and a external axes of control to

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achieve high complexity of the welding, it able to adapt to a wide range of working environment so that the workstation has a good use of flexible. The welding robot has an external axis, the external axis can assist the work of arc welding robot, which welding some of the more complex structure of the work piece.

The paper using advanced 3D simulation technology to simulate robot motion state equivalent under the running track, we can also using this technology to watch over the robot's various ports whether it is connected, adequate simulation test of the workstation and on-site environment had ensured the stability and efficient of the robot workstation, it also had provided accurate data support to the construction of the robot workstation. After the simulations of the software, the operator not only test the workstation by teaching programming, it proves great safety to develop the workstation. Through simulation, a large number of hidden problems can be found, and have be resolved before the deployment of the robot workstation, if the problem only be found after the completing of the workstation, it is very hard to rebuilt the workstation and the control program. Therefore, the simulation is a integrant step of the construction of the workstation, but also the direction of future technological development workstation.

As the program used in the simulation can also be implanted into a robot, and therefore we can use the simulation software to combine the running program of a robot without warring of the compatibility of the program. Using the running program, we can verify whether the workstation works well using the two robots and the external-axis. If there is anything wrong, we can get the point by monitoring the robot I/O communication in the simulation software. Then we can test the feasibility of the actual workstation.

We have used the internal PLC of the robot control box and a outside professional Siemens PLC. The PLC using an Optocoupler way to transmit signals, so the PLC has a strong immunity of signal interference. The environment of the factory is too complex, there are plenty of dust and electromagnetic interference. We cannot use a normal computer device to monitor and manage the robot workstation in a factory, the appearance of PLC has solved the problem of dust and electromagnetic interference and therefore widely used in industry of various factories.

We have updated the internal PLC program in the robot control panel, make it able to meet the need of practical conditions required, we have also added the support of the three-color light and support of external control, also provide the alarm system support, the workstation can work basically through the management of the robot's internal PLC management. In order to facilitate the management and maintenance of the arc welding robot workstations, we also get a professional industrial PLC of Siemens. After designed of the control program of this PLC we get the workstation more humanization, and can more easily to manage and maintain the robot workstation. The professional PLC has a LCD touch screen, then we can design the user interface exclusively by using the relevant software to design, then we may change the machine interface rich by an excellent design. Combine with the user interface and the management interface can make the PLC be greatly used. So that regardless of the operator or manager can operate through a single interface in the PLC. In the work time, the operator perform the start or stop command through the user interface, when it is time to manage the work, administrator can get the output data and the efficiency by using the management interface, when the robot have something wrong ,the operator can quickly locate faults

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through the PLC display panel. If the failure is relatively large, the administrator can also get the detail port information, so that the maintenance personnel can quickly get the point from the various information about failures. Greatly simplified and facilitated the management. PLC programmable controller can be used to increase the adaptability of the robot workstation. it can be set up quickly in different environments. The only need is rebuilding the system program and the PLC control program, and then the workstation can start a new job.

The PLC we used is a small dedicated PLC of the Siemens, it have 8 input and 8 output, using the PLC's input and output to communicate with the internal PLC in the control panel, the PLC obtain the robot’s state by the communication, also use this to control the robot by the button on the PLC panel like start and stop. Because the robot's internal PLC has a rich port, in which control most of the workstation peripherals. As there are two robots, one robot can get four inputs and four outputs.

In short, the project of this arc welding robot workstation system is using a two-robot coordination in operations, combined with a variety of simulation programming software, get a well arrangement of the workstation peripherals, the workstation system has good compatibility, flexibility , feature-rich, scalable, and other advantages.

Key words: robot workstation, emulation, coordinated control

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目 录

摘要 ------------------------------------------------------------------------ 1 ABSTRACT--------------------------------------------------------------------- 3 目 录 ---------------------------------------------------------------------- 6 第一章 绪论 ------------------------------------------------------------------ 1

1.1 焊接工业机器人的发展和应用 ------------------------------------------- 1

1.1.1 焊接工业机器人在国外的发展和应用 ------------------------------- 1 1.1.2 焊接工业机器人在国内的发展和应用 ------------------------------- 2 1.2 焊接机器人开发的意义及发展方向 --------------------------------------- 3 1.3 论文组织结构 --------------------------------------------------------- 4 第二章 弧焊机器人工作站系统总体方案设计 -------------------------------------- 5

2.1 工作站任务与配置 ----------------------------------------------------- 5 2.3 机器人基本结构与控制原理 --------------------------------------------- 6 2.4 外围设备介绍 -------------------------------------------------------- 10 2.5 通讯与I/O ---------------------------------------------------------- 11 第三章 工作站系统的仿真与离线编程 ------------------------------------------- 13

3.1 仿真技术的发展综述 -------------------------------------------------- 13 3.2 仿真模型及空间关系的建立 -------------------------------------------- 14 3.3 工作站仿真程序的建立 ------------------------------------------------ 15 第四章 PLC控制系统及编程 --------------------------------------------------- 19

4.1 PLC的发展及应用 ---------------------------------------------------- 19

4.1.1 PLC的产生及发展 ---------------------------------------------- 19 4.1.2 PLC的基本结构和工作原理 -------------------------------------- 19 4.1.3 PLC的编程语言 ------------------------------------------------ 20 4.2 机器人内部I/O ------------------------------------------------------ 21 4.3 控制软件编程实现 ---------------------------------------------------- 21

4.3.1 控制内容 ------------------------------------------------------ 21 4.3.2 人机界面设计 -------------------------------------------------- 21 4.3.3 基本控制功能实现 ---------------------------------------------- 23

第五章 结论 ----------------------------------------------------------------- 24 参考文献-------------------------------------------------------------------- 25 谢辞 ----------------------------------------------------------------------- 26

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第一章 绪论

据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即电阻点焊和电弧焊。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务，系统可以根据程序要求和任务性质，自动更换机器人手腕上的工具，完成相应的任务。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。

近年来，机器人发展尤为快速，我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；应用规模小，没有形成机器人产业。 本文针对生产制造领域的广泛需求，在安川公司的MOTOMAN机器人的基础上开发了弧焊机器人工作站，通过双机器人协调工作及外部轴协同控制，改善了产品质量，降低劳动强度，提高经济效益。

1.1 焊接工业机器人的发展和应用

1.1.1 焊接工业机器人在国外的发展和应用

世界工业机器人的数目每年递增，从20世纪下半叶起，世界机器人工业年增长率在10%左右。其中有着几次发展的高峰，1988年后随着电子行业装配机器人的大量应用及日本经济的复苏，工业机器人增长率上升，1990年达到高峰。1995年机器人新安装8.5万台，创历史最高纪录。现在由于机器人的柔性自动化和计算机集成系统的采用提高了生产效益，人们更加倾向于将恶劣危险环境的劳动交由机器人完成，机器人的发展越来越活跃。至2006年全球已经安装的工业机器人数量已经达到951,000套，其中的50%在亚洲，33%在欧洲还有16%在美洲，其他地区占了1%的份额。中国在2006年共安装了5800套工业机器人，日本是37400套，韩国是10800套，印度850套。

国外机器人专家预测，工业机器人每5年推出一批新机型，开辟一些新的应用领域。原应用领域扩展深化，向大、异、薄、软、窄、厚等难加工的领域深化、扩展。新开辟的应用领域如农牧、建筑、医药、办公等非制造业也开始发展出各种各样的应用。

在国外，汽车行业机器人应用占总保有量的第一位，电器制造业占第二位，化工行业占第三位。而年产百万辆汽车所拥有的机器人数为（包括整车和零部件）：日本88.0台，德国

[1]

64.0台，法国32.2台，英国26.9台，美国33.8台，意大利48.0台。

美国作为机器人的诞生地，早在1961年，美国的Consolided Control Co.和AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。经过40多年的发展，美国的机器人技术在国际上仍然处于领先位置，其机器人技术全面、先进、适应性强。

日本于1967年从美国引入第一台机器人，1976年以后，由于微电子的快速发展和市场需

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求的急剧增加，日本当时的劳动力显著不足，工业机器人在企业里受到广泛欢迎。机器人工业得以快速发展。目前，其机器人数量和密度都位居世界第一，素有“机器人王国”之称。

德国引入机器人的时间较晚，比英国和瑞典大约晚了五六年。但是由于战争的影响，劳动力短缺，国内技术水平较高，为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。此外，德国规定：对一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。目前，德国工业机器人装机数仅次于日本，占世界第二位。

英国政府在上世纪70年代末开始推行并实施了一系列措施支持机器人的发展，使机器人起步比当今的机器人大国日本还早，并取得了早期的辉煌。然而英国政府对工业机器人实行了限制发展的政策，这个政策导致英国机器人工业发展迟缓。

法国政府一直比较重视机器人技术，通过大力支持一系列技术研究，建立了完善的科学技术体系。使其机器人发展一直比较顺利。在政府组织的项目中，特别注重机器人的基础技术研究。重点放在开展机器人的应用研究上。使机器人在法国企业里迅速发展普及。法国在国际机器人行业也拥有不可或缺的一席之地。

意大利、瑞典、西班牙、芬兰、丹麦等国家由于国内机器人市场的大量需求，发展速度十分迅速。是世界机器人行业中不可忽略的力量。

目前国际上的工业机器人公司主要分布在日本和欧洲，日系中主要有：川崎、松下，安

[2]

川等公司，欧系中主要有ABB、FANUC、KUKA等公司。

图1 1993至2006年全球工业机器人安装量

[3]

1.1.2 焊接工业机器人在国内的发展和应用

我国的工业机器人研究开始于20世纪70年代，由于当时经济体制等因素的制约，发展比较缓慢，研究和应用水平也比较低。1985年，随着工业发达国家已开始大量应用和普及工业机器人，我国在75科技攻关计划中将工业机器人列入了发展计划，由当时的机械工业部牵头组织了电焊、弧焊、喷漆、搬运等型号的工业机器人攻关，其他部委也积极立项支持，形成了中国工业机器人第一次高潮。

1986年，我国再一次将智能机器人列入了高技术研究发展计划，成立了专家组，规划

[4]

和领导机器人先进即使研究与应用工作。

进入上世纪90年代后，为了实现高技术发展与国民经济的密切衔接，863计划确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究发展的方针

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[5]

。

二十多年来，在政府各部门特别是在75、85、95机器人技术国家攻关和863高技术发展计划的重点支持下，我国机器人实验取得了令人瞩目的成绩，理论研究得到突破，产品开发与应用有了较大发展，形成了一批有技术实力的机器人研究、开发和应用队伍，为国内工业机器人事业的进一步发展奠定了良好基础。

目前，随着我国国民经济的快速发展特别是汽车行业的高速发展，国外工业机器人已经开始大量进入国内市场。如何积极应对国外机器人的挑战成为我国有关部门和广大科技人员必须认真考虑的问题。

由于理论研究是工业机器人研究的基础，是关键元器件开发成败的关键。国家对机器人理论的研究一直比较重视。我国开展了机器人运动学、动力学与构型综合研究，机器人运动控制双方及机器人编程语言的研究、机器人内外传感器的研究开发等，多传感器控制系

[4]

统的研究，离线编程、自诊断、安全保护技术等，基本掌握了工业机器人的所有关键技术。

在机器人操作器研制方面，我国已经能够设计和生产电焊、弧焊、喷漆、装配等各类机器人，构型包括指教坐标式、平面多关节型、空间多关节型等，不少机器人拥有自主知识

[6]

产权。

在机器人应用工程方面，我国已经设计建成了多条机器人焊装生产线、装配机器人生产线和喷涂生产线。经过多年拼搏和实践，我国已经具备了大型机器人工程设计和实施的能力，产品整体性能可以达到国际同类产品的先进水平，具有很高的性能价格和较强的市场竞争力。

总之，经过20多年的发展，我国的机器人工业在基础研究、关键元器件的开发、机器人整机设计、周边设备开发以及机器人应用等方面取得了不少令人鼓舞的成绩，形成了一支有相当实力的研究队伍。

但是我国的机器人产业与国外相比仍存在很大的不足，一是产品质量、性能、技术水平

[7]

及品种差距。二是新产品开发方面的差距。三是产品在国内外市场竞争力方面的差距。

1.2 焊接机器人开发的意义及发展方向

机器人工作站的技术发展日新月异，目前主要有以下几个发展趋势： 一是机器人工作站的自动化。机器人能够解放人的双手将人从恶劣的劳动环境中替换出来，但是，由于环境及技术原因，仍有很多工作是无法通过机器人自动完成的，比如汽车行业常见的螺柱焊，由于送钉问题，一直无法很好的解决自动焊接问题。这就成为机器人发展的一个前沿方向。

二是机器人工作站的精度化。机器人对于人工来说，最大的优点就是能够保证焊接的精确性，最大程度的保证了焊接质量。目前，为了提高机器人工作站的精度，从各个方面出发提高机器人性能，比如采用先进的机器人运动学算法，能够最好的控制机器人各个伺服电机的运动，从而保证机器人运动的精度。作为机器人的基础研究，其重要性可得而知。

三是机器人工作站管理的数字化及人性化。这要求工作站的管理软件、控制系统具有相当的人性化、智能化，提高生产及管理性能。

三是机器人工作站的柔性化。随着产品更新的频繁，要求机器人工作站能够最快地从一种产品切换到另一种产品，以降低生产成本。同时，由于场地、产品复杂性等问题的出现，要求机器人工作站能够在不同要求下完成不同的工作。这就要求工作站在设计时拥有较高的柔性。比如，工作站采用双机器人协调控制，其中一个机器人夹持工件，另外一个机器人夹持作业工具，这样就能够适应不同的产品而不用更换夹具。极大地方便了生产并降低了成本。

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目前，工业机器人技术已经成为当今工业自动化生产的三大支柱之一。国内的机器人技术经过20年的法展，也取得了长足的进步。但是在国外，机器人技术的发展已经相当成熟。机器人的价格也大幅度下降。现在工厂对于机器人工作站的投资，很大一部分是用于周边设备、软件编程和系统集成上。

当前产品已经逐步向个性化方向发展，产品更新快，改型周期短，生产的批量越来越少。品种也越来越多，不同过去常用的自动化设备或专机，机器人的出现很好的解决了这个问题。但是机器人是一项复杂的技术，发展也是日新月异，我国工业机器人应用起步较晚，系统集成技术与国外相比有着一定差距。普遍体现在可靠性低，应用范围窄等方面。因此，对机器人工作站的研究越来越受到人们的重视。

本课题在结合实际的情况下，对弧焊机器人工作站系统做了深入的研究，详细探究了工作站系统集成及应用工程的实施建设，作出详尽的工作站设计规划。模拟了完整的工作站工作模式。提供了一套完整的工作站设计方案。

1.3 论文组织结构

本文主要分为以下几个部分：

第一章介绍了国内外机器人工作站的发展及研究现状。 第二章介绍了弧焊机器人工作站的详细系统配置。 第三章介绍了仿真软件在工作站设计中的应用。 第四章介绍了PLC控制系统在工作站设计中的应用。

第五章对机器人工作站的设计进行了总结并提出改进措施。

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第二章 弧焊机器人工作站系统总体方案设计

2.1 工作站任务与配置

本项目的工作站系统采用双机器人协调控制的方式达到工作的灵活性和柔性。采用两台MOTOMAN机器人，一台做搬运机器人，进行辅助作业，一台做弧焊机器人，进行焊接作业。配以相关的外围设备，共同完成作业任务。为保证必需的焊接姿态，提高焊接质量，系统采用带外部轴的回转设计，通过外部轴和机器人的协同工作达到理想的焊接效果。下图列举了工作站需要的基本配置。其中配电盒提供整个系统的电力支持，控制箱控制着系统的整体运行，包括焊接电源、焊枪、机器人、焊丝清理机构、外部控制盒等，通过其中的内置PLC控制程序控制着整个工作站的协调运作。

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3 8

图2 工作站配置

1、配电盒 2、控制箱 3、焊接电源 4、保护气 5、焊接系统

6、机器人 7、外部轴与夹具 8、外部控制盒

内置PLC控制器是整个系统的关键所在，为了能够更好的满足要求，在规模较大的机器工作站上往往需要另行增加控制器，即外部PLC。这样可以实现更多的控制功能，更简便人性的操作。

为保证机器人及操作人员的安全，一般在机器人的工作范围内配备防护栏，并在防护栏上设置安全锁，人员进入防护栏内时，必须拔出安全钥匙，保证机器人不处于工作状态。当人员离开机器人工作区域，插上安全钥匙后，机器人方能接通伺服开始工作。

为便于观察系统的运行状态，一般采用三色灯，通过三色灯的开，关，闪烁等不同方式通知操作人员。下表列举了本系统三色灯的指示状态及相关含义。

指示灯状态 红灯 黄灯 绿灯 常亮 系统报警 工位工作中 系统正常

闪烁 工位预约中

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表2.1 三色灯的状态指示

工作站由机器人系统、焊接系统、焊枪清理装置、操作控制盒和夹具变位系统等构成，各个系统的具体构成如下图。

弧焊机器人工作站系统构成

机器人系统 机器人本体 机器人控制器

焊接系统 焊接电源 机器人焊枪 送丝机构

焊枪清理装置 剪丝机构 清枪机构 喷油机构

夹具变位系统 变位机 焊接夹具体 位置监测单元

图3 弧焊机器人系统构成

工作站通过人工上下料，由搬运机器人将工件搬运到焊接夹具上，焊接机器人与外部轴配合焊接。整个操作过程简单，双机器人的协调控制及外部轴的协同工作使工作站拥有良好的柔性。同时，人工装卸的时间小于机器人的焊接时间，能够充分利用机器人，提高生产效率。

2.3 机器人基本结构与控制原理

一个完整的工业机器人一般包括执行机构、驱动装置、检测装置和控制装置。

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执行机构是指机器人能够运动的连接装置，简单看来，这些是由几根用旋转或回转关节串联的刚性杆件组成，对于一个6轴机器人，六个轴的运动分别为底轴回转、下臂前后摆动、上臂上下摆动、上臂回转、手腕上下摆动、手腕回转。底轴末端固定在支撑基座上，手腕末端安装末端执行器，可根据不同需要选择不同的末端执行器以操作工件完成各种作业，机器人的运动由这六个臂的运动合成。在机器人起作用的球状区域，机器人手臂可以将部件以一定姿态放置。机器人的执行机构相当于人体的骨骼。

驱动装置是指驱动机器人运动的各个伺服电机，相当于人体的肌肉，伺服电机的精确度直接影响着机器人焊接时的位移精确度。一般都采用高精度的交流伺服电机进行驱动，能够设定0.1毫米的微动操作。

机器人的检测装置相当于人体的感官，一般采用串行通讯方式（绝对值编码器）的自动位置调节系统，可以精确定位机器人各个运动轴的位置，从而计算出机器人的姿态和位置。机器人上还有着大量的检测装置用于报警、定位和控制。这些检测装置将得到的信号传递给机器人的控制装置，从而用这些信号计算出相应的控制信号。

计算机的控制系统就像人体的大脑，通过控制系统控制着机器人的各种行为。控制系统主要有以下功能作用：记忆功能、位置伺服功能、示教功能、与外设联系功能和故障诊断与保护功能。

机器人控制系统的位置运动控制是机器人控制系统的主要任务，主要有两种方式： 1) 点位控制（Point To Point Control, PTP控制）

这种方式仅控制机器人目标点的位置，而不控制起始点与目标点之间的运动轨迹，该方式控制简单，运动速度较快，一般用于点焊、装卸、物料搬运等作业。

2) 连续轨迹控制（Continuous Path Control， CP控制）

这种方式按照连续运动所经过的运动轨迹来控制，机器人按照规定的速度、路径实现平稳而准确的运动。该方式能够保证所规划的路径上各点的位置精度，运动平稳，但控制相对复杂，需要通过各种插补运算，进行多轴脉冲的同时分配，协调控制，大多用于喷漆、弧焊、切割等作业。

目前，大部分机器人均采用PTP+CP的综合运动控制方式，并通过相应的机器人语言对机器人运动进行描述和控制。机器人所采用的基本控制方式为T/P(Teaching/Playback,示教再现)方式，其控制系统是以“示教编程”与“自动翻译”为核心。

示教时，操作人员通过示教盒操作机器人本体，使其末端运动至所需的轨迹点，记录该点时各关节伺服电机编码器信息，并通过命令的形式确定运动至该点的插补方式、速度、精度等，然后由机器人控制器按照这些命令查找相应的功能代码并存放到某个指定的示教数据区去。这个过程称之为“示教编程”。一个简单的示教过程如图2.3.1，登录各点后回到程序点1即可完成一个工作循环。示教时示教盒可以通过几种坐标系来控制机器人的规则运动。从而到达程序登录点，几个坐标系如下

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。这种坐标运动方式往往用于机器人的快速移动。

使用直角坐标时，可以控制机器人工作点做水平和上下移动和转动，这种方式能够很好的控制焊枪姿态，因此在示教中应用广泛。

工具坐标建立在工具端点，由于其一轴与工具轴向重合，因此在运动时可以很好的保持工具姿态，是微调作业姿态时常用的一种操作方式。

用户坐标为用户自定义的一种坐标方式。一般情况下不使用，只有在特别情况下使用。 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着很大的关系，因此，控制系统的运动算法也是机器人基础研究中比较重要的一块。示教时，可以使用多种插补方式，最常用的为自由插补，机器人能够根据

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速度和精度合理安排各个轴的运动方式，直线插补也比较常见，往往用于直线上的弧焊。圆弧插补和二次曲线插补比较不常见，这种插补方式用于焊接一些比较复杂的工件。一般机器的速度和精度是相互制约的，为了获得高的焊接速度，往往在一些转角比较大的地方由于运动惯性不能得到高的精度，为了获得高的精度就不得不牺牲一定的速度，这在焊接一些大转角焊缝时必须注意。

再现时，机器人控制器将自动逐条读取示教命令与其他相关数据，进行解读、计算。作出判断后，将相应控制信号和数据送至各关节伺服系统，驱动机器人精确地再现示教动作，这个过程称之为“自动翻译”。

图4 基本的示教过程

控制系统的其他功能如与外设联系是通过控制系统的I/O通讯，发出或获取各个外设的信号从而进行控制和检测。当控制系统检测到不正常信号后，启动故障检测和保护功能，迅速定位故障并作出相应的保护工作比如切断伺服等，以防止机器人不受控制的运动带来的安全危害。

本工作站采用两台MOTOMAN NX100工业机器人，配有NX100控制柜和NX100示教编程器。如下图所示，通过控制柜连接示教盒和机器人。控制柜里有着MOTOMAN内置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、编辑运动程序等工作。

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图5 机器人、控制柜与示教盒

机器人控制柜各工作单元如下图，分为电源接通单元、CPU单元、急停、伺服单元、I/O单元。

图6 机器人控制柜

电源接通单元由电源接通顺序基板和伺服电源接触器以及线路滤波器组成。根据来自电源接通顺序基板的伺服电源控制信号的状态，打开或关闭伺服电源接触器，供给伺服单元电源。电源接通单元经过线路滤波器对控制电源电源供给电源。

CPU单元是由控制电源基板与基板架、控制基板、机器人I/F 单元和轴控制基板组成。控制基板用于控制整个系统、示教编程器上的屏幕显示，操作键的管理、操作控制、插补运算等。控制电源提供控制用（系统、输入/ 输出、制动器）直流电源 (DC5V, DC24V, DC3.3V,DC ±12V)。也备有控制电源的ON/OFF 输入。轴控制基板（SGDR-AXA01A）控制机器人六个轴的伺服电机。它也控制整流器、PWM 放大器和电源接通单元的电源接通顺序基板。通过安装选项的外部轴控制基板（SGDR-AXB01A），可控制最多9 个轴（包含机器人轴）的伺服电机。机器人I/F 单元（JZNC-NIF01）是由机器人I/F 基板（JANCD-NIF01）和输

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入/ 输出基板(JANCD-NIO01) 组成。机器人I/F 基板控制整个机器人系统，它是使用一个在后板上的PCI 总线接口与控制基板（JANCD-NCP01）连接，使用高速串行通信（接口在NIO10 基板）与轴控制基板（SGDRAXA01A）连接。并且，内置有安全信号的安全双回路。

数字输入输出（通用输入输出）用的插座有4 个。输入输出的点数为输入40 点、输出40 点。输入/ 输出分为两种类型：即通用输入/ 输出和专用输入/ 输出。输入/ 输出的信号分配随其用途不同而有所不同。专用输入/ 输出是一个预先决定了用途的信号，其功能在机器人内置PLC中已设定好，用户不得改动。当外部设备需要机器人的专用信号时，需使用专用输入/ 输出。通用输入/ 输出可随用户需求自行设定用途。

机器人控制柜均采用模块化设计，不同工作场合可以配置不同的模块，以适应不同需求。

2.4 外围设备介绍

机器人工作站的外围设备是十分丰富和复杂的，为了满足不同的作业要求，推出了各种各样的外围设备，如果没有这些丰富的外围设备，只有一台机器人，将没有任何实际应用价值，也无法完成一些具体的工作任务。这些外围设备都是根据作业内容、工件类型、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缺失的一环。

本工作站系统中弧焊系统是各外围设备中最重要的一环。包括焊接专用电源、送丝机构、焊枪、剪丝器、焊枪清理装置、保护气装置。这些设备在机器人控制柜的控制下与机器人系统配合完成弧焊任务。

焊接电源是弧焊系统中最重要的设备，因为焊接电源的性能强烈影响着焊接质量。一台能够精确控制电压电流的焊接电源肯定能更好的控制焊接质量。系统采用MOTOWELD_S350机器人专用焊接电源，能与机器人控制柜通过IO通讯，焊接信号及焊接参数通过控制柜传递给焊接电源。

送丝机构保证在焊接过程中，不断均匀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，其大小重量对机器人的空间运动有着一定的影响，太大和太重的送丝机往往增大了机器人的负荷，增大运动惯性，因此降低了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。

焊接保护气目前使用较多的是二氧化碳保护气和氩保护气，这两种保护气有各自的优缺点。由于二氧化碳气体热物理性能的特殊影响，使用常规焊接电源时，焊丝端头熔化金属不可能形成平衡的轴向自由过渡，通常需要采用短路和熔滴缩颈爆断。因此，与MIG焊自由过渡相比，飞溅较多。但如采用优质焊机，参数选择合适，可以得到很稳定的焊接过程，使飞溅降低到最小的程度。由于所用保护气体价格低廉，采用短路过渡时焊缝成形良好，加上使用含脱氧剂的焊丝即可获得无内部缺陷的高质量焊接接头。因此这种焊接方法目前已成为黑色金属材料最重要焊接方法之一。使用Ar保护气时，惰性保护气体不参与熔池的冶金反应，适用于各种质量要求较高或易氧化的金属材料，如不锈钢、铝、钛、锆等的焊接 ，但成本较高。也有保护气体以氩为主，加入适量的二氧化碳(15～30％)或氧(0.5～5％)。与二氧化碳气体保护焊相比，这种保护焊焊接规范较宽，成形较好 ，质量较佳；与熔化极惰性气体保护焊相比，熔池较活泼，冶金反应较佳。

考虑到一些特殊零件的焊接，如圆管的环缝焊，系统采用带外部回转轴的变位机与机器人协同运动以保证最佳的焊接姿态。外部轴可以单独转动，也可以与机器人保持一定的

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速度关系协同转动。使用外部轴让机器人在焊接时可以轻松到达一些以往难于到达的位置，外部轴同样可以与机器人联合达到焊接特殊形状的焊缝。在外部轴上固定了工件夹具，工件夹具根据不同的工件定制，对相应的工件起固定作用。

为了使焊接工作站具有更大的柔性化，不少工作站系统开始采用一台机器人夹持工件，另一台机器人进行作业的方式，由于机器人的灵活性，不用针对不同工件设计专用夹具，同时，夹持机器人自身也有很高的自由度，可以配合作业机器人，协同进行各种复杂轨迹的作业。这也是目前机器人工作站系统的发展方向。但是这种方式也存在着缺点，就是由于机器人的夹头不能夹持太重的工件，所以一些大型的工件无法通过这种方式完成。这种工作方式适合小而复杂的工件，由于采用了夹持机器人，可以在同一个工作站内针对不同的工件进行作业，与传统夹具相比有着很大的优势。

还有一种降低生产成本，提高工作站柔性化程度的方式就是采用工具转换器这一外设。这也是机器人工作站的一个发展方向。工具转换器适用于机器人在工作中需要变换作业工具的场合。在实际生产中，机器人工作站遇到的一个很频繁的问题就是一个工件往往需要多种焊接工艺完成焊接，比如一个汽车盖板，往往需要点焊和螺柱焊这两种焊接。如果不采用工具转换器的解决方案，就必须使用两个机器人站，一个对工件做螺柱焊，一个对工件做点焊。结果增大了投入成本即增加了一个工作站，并且工件不能一次性焊接完成，降低了生产效率。工具转换器的出现解决了这一问题，当机器人做完螺柱焊后，只需再进行转换焊枪的操作，即可一次性完成工作。工具转换器的结构为两部分，一部分安装在机器人的法兰盘上，另一部分安装在对应作业工具上，工作时，即将相应的转换器结构对接，实现水电气的无缝结合。目前转换器大多采用模块化设计，实际中需要什么样的模块，比如额外的通讯模块，额外的强电模块等都可以单独配置，极大丰富了机器人的应用范围。

操作控制盒是操作人员直接和机器人进行人机交互的设备。能够使操作人员简单高效的对机器人进行控制，一般设有伺服接通、报警指示、紧急停止、系统启动，异常复位等按钮，完成不同的控制功能。

中大型的工作站往往会配有专门的PLC控制器，专业的控制器能够提供更加复杂的功能，更加可控的操作和更加人性化的人机界面。常用的PLC厂家如西门子，欧姆龙等拥有专用的PLC编辑器，拥有强大的功能。在工厂环境中维护着整个工作站的稳定和高效。

另外，工作站还有一些常见的外围设备，比如三色灯，蜂鸣器等，为系统提供一些辅助功能。

2.5 通讯与I/O

通讯与I/O在机器人工作站中是十分重要的一环，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的工作，在机器人工作站的系统编程中，正确处理好各I/O端口的信号是关键所在。

机器人控制柜的I/O端口是进行工作站系统设计时必需要了解的一块，在机器人控制柜中，有着一个机器人专用的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。

控制柜本身开放的端口分为通用端口和专用端口，专用端口是直接控制机器人的相关功能的，如下表：

专用输入一览表（弧焊用途） 逻辑编号 20010 名称 外部启动

逻辑编号 20022 名称 禁止作业

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20012 20013 20020 20021 逻辑编号 30010 30011 30012 30013 30014 30015至30017 30020 调出主程序 清除报警、错误 禁止进入干涉区1 禁止进入干涉区2 名称 运转中 伺服接通 主程序首条 发生报警、错误 电池报警 选择远程/再现/示教模式 立方体1内 20023 20026 20027 逻辑编号 30021 30022 30023 30024 30025 30026 30027 作业响应 禁止摆焊 禁止接收传感信号 名称 立方体2内 作业原点（立方体32内） 可中途启动 断气（监控） 断丝（监控） 粘丝（监控） 断弧（监控） 专用输出一览表（弧焊用途） 表2.5.1 机器人控制柜专用输入输出

控制柜的通用I/O主要与外设相连，这样就可以通过控制柜来控制外设的运行，如果有外部控制器，也可以通过外部控制器进行控制。本系统中，机器人内部PLC主要负责整个工作站的系统运行，外部PLC主要负责与触摸屏的人机界面通讯，辅助完成一些信息显示及功能处理。各部分的I/O连接如下图：

三色灯 传感器 内部外部触摸 PLC PLC 屏 控制盒 安全门 焊接电源 图7 工作站系统I/O连接示意图

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第三章 工作站系统的仿真与离线编程

3.1 仿真技术的发展综述

机器人的仿真，是面向制造工艺和装备的仿真，随着机器人技术的迅速发展，机器人在制造系统中也得到了广泛的应用。然而由于机器人是一种综合了机、电、液的复杂动态系统，使得只有通过计算机仿真来模拟系统的动态特性，才能揭示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决机器人设计、制造以及运行过程中的问题，机器人仿真技术大致可分为以下几类：

(1 )针对制造系统中机器人的应用开展的研究，如柔性制造系统或计算机集成制造系统中机器人的仿真问题；

(2 )针对机器人本身的特性进行的仿真研究，如运动学仿真、动力学仿真、轨迹规划和碰撞检验等问题；

(3 )机器人离线编程系统的研究，如利用仿真生成满意的运动方案自动转换成机器人控制程序去驱动控制器动作。

早期的机器人全部采用“示教”的方式来编程，这种编程方法在机器人所要完成的任务不很复杂，以及示教时间相对于工作时间来说比较短的情况下，是有效可行的。但是，在许多复杂的作业应用中，不令人满意。使用“示教”编程的机器人必须有精确定位的工件传送装置及相应的辅助机械，随着计算机图形学成果的应用，出现了离线编程方式。离线编程方式是用计算机图形学成果，建立起机器人及其环境的几何模型。在此基础上利用一些规划算法，对图形的控制和操作在离线的情况下进行轨迹规划。同时可离线地对机器人的工作路径进行碰撞检测和时间判优，并对机器人的运动学及动力学特性进行仿真。离线编程意味着在编程过程中机器人仍然可以进行生产，完成规定的任务，即履行这种编程方法时，并不与机器人发生联系，不需要机器人本身的参与。

近年来国内外己有许多功能齐全的、商品化的机器人设计和研究仿真软件问世。国外机器人仿真的研究起步较早，从70年代开始进行了这方面的研究工作，基本上形成了一些成熟的CAD软件包。例如美国的UOBSM、英国的SAMMIE、以色列的ROBCAD等，还有StephenDerby等人1983年开发的GRASP仿真系统，C.J. Duffy的离线路径规划计算机图形系统等。比较典型的有美国Tenomatix公司推出的ROBCAD机器CAD仿真系统软件，在国际上应用十分广泛，它是运行在SG图形工作站上的大型机器人设计、仿真和离线编程系统，具有通用化、完全化、交互式计算机图形化、智能化等优点。另外，德国、日木也开发了相应的机器人

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离线编程系统。

在国内己有许多高校及研究所在工业机器人CAD研究方面做出了很多工作，开发出了一些软件，如上海交通大学机器人研究所的俞文伟和邓建一研制开发了一套机器人图形仿真软件ROSIDY，该软件是以当前国内外普遍使用的AUTOCAD作为其图形支持，通过对AUTOCAD的二次开发使其能直接为机器人仿真服务，该软件系统采用人机界面，具有菜单式项目选择、交互式人机对话、文件修改和与C语言、FORTRAN连接等功能。而清华大学的崔培莲和孙增析开发研制的PCROBSN— 微机机器人仿真系统，采用了模块化结构，具有一定的通用性和可移植性，也便于用户进行拓展。整个系统有机器人语言、轨迹规划、运动学和动力

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学、控制系统仿真、图形数据输出等模块组成。另外，华中理工大学的丁汉等，国防科技大学的潘存云等在这方面也进行了研究开发。这些软件在开发中都做了大量的工作，无论

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算法结构还是图形研究都具有一定特色。

目前，各个机器人制造公司大都拥有自己的机器人专用仿真软件，与机器人配套售卖，其仿真软件中提供了生产线上机器人的基本模型。常用的机器人仿真模拟软件如下：

RoboWorks RoboWorks是一个非常容易上手的3D建模,仿真及动画模拟的工具软件,它可以应用于很多不同的系统。通过使用Roboworks,用户可以简单的建立高质量的3D模型,并可以通过特别的接口与其他软件相兼容。 RoboWorks支持直接从键盘输入或从文件输入数据,已用来动画模拟,也支持开源的Robotalk的程序。 一个用JAVA写的2D的机器人仿真程序。 是基于Windows系统的机器人离线编程与动态仿真软件,它在工业上应用很广泛。通过Camelots Ropsim可以在个人电脑上编程控制机器人。 一个用来做机器手的动态仿真软件。 特别适用于微型移动机器人足球比赛用机器人的动态仿真.可以用来对机器人的控制结构进行一个测试。 Windows下的2D动态移支机器人仿真软件。它提供了一个图形界面,可以很方便的建立和编辑机器人,支持basic语言。 一个 C/C++ 上使用的,适用于各种不同运动副的库文件。它适用于任何运动副,也适用于任意自由度的机器人仿真。 一个3D的机构仿真及渲染软件。 表3.1.1 常见的机器人仿真软件

本项目中，通过MOTOMAN机器人的专业仿真软件MOTOSIMEG进行仿真与离线编程，可以与机器人工作站无缝连接，在仿真软件中离线编程得到的数据可以直接使用到实际的生产环境中。

机器人仿真与离线编程很好的解决了在示教编程时所遇到的干涉问题和安全问题，通过系统仿真，可以在制造单机与生产线之前模拟出实物，缩短生产工期，避免不必要的返工。机器人仿真也是机器人技术发展的一个方向，以后的仿真软件会更人性化设计、更加简单高效、智能化程度更高、与工作站更能无缝连接。

BugWorks 2D Robot Simulator Camelot-Camelots Ropsim Encarna??o Robot Simulator Mobile Robot Simulators MOBOTSIM-Mobile Robot Simulator RRG Kinematix ThreeDimSim 3.2 仿真模型及空间关系的建立

在MotoSimEG仿真软件中，机器人的模型是内建的，可以直接从软件的模型库中导出，同样，同属于该公司的机器人控制柜、焊接电源、焊枪等设备的模型也是直接导出。对于年工件、夹具、三色灯等非标外设则需要用软件中的绘图工具进行绘制。本系统的仿真模型包括一台搬运机器人，一台弧焊机器人，带传送带的回转工作台，上料台，机器人控制柜，焊接电源及三色灯，围栏等。左边的机器人负责将工件由上料台通过电磁起吊的方式搬运至传送带上，传送带将工件传送到合适的焊接区域，回转工作台协助焊接机器人完成

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