弧焊机器人工作站系统设计毕业论文.docx

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弧焊机器人工作站系统设计毕业论文

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MOTOMANNX100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

DesignforWeldingRobotWorkstationSystem

ABSTRACT

Withtheimprovementofindustrialtechnology,robotsarewidelyusedinproductionpractice,comparewiththerobotandhandoperation,therobothasobviousadvantages,thewidespreaduseofindustrialrobotscannotonlyimproveproductqualityandyield,butalsotoprotectthepersonalsafety, improvetheworkingenvironment,reducelaborintensityandimprovelaborproductivity,savingsinrawmaterialsconsumptionandlowerproductioncosts,Itisofgreatsignificance. Ascomputernetworktechnologies,theextensiveuseofindustrialrobots,ischangingthelifeofmankind. Amongthekindsofrobot,themostwidelyusedrobotisweldingrobot,nearlyhalftheworld'sindustrialrobotsusedinvariousformsofweldingprocessinthefield.

Thispaperusetheweldingrobotwithsixdegreesoffreedomasthebackground,detailingtheconfigurationoftherobotworkstation,hardwareselection,PLCcontrolsystemdesign,theconstructionofsupportingfacilitiesrobot,simulationsoftwareapplicationsanddebuggingtheprograminarealenvironment.

Thispaperfirstlysummarizedpreviousworksonthedevelopmentofweldingrobotworkstationstatusandpredictedtheprospect. SummarizedtheproductionofarcweldingrobotinforeignandanalyzedthedevelopmentofthedomesticarcweldingrobotworkstationinChina. Thencombinedwithpracticalsituationsandproductionrequirements,combinedwiththecurrentadvancedroboticstechnologyandsolutions,plannedthemodulesofthisarcweldingrobotworkstation,makeainnovativedesignoftheconfigurationandcompositionoftherobotworkstation,andgetasimpleandefficient methodtocompletetheplant'sapplicationrequirements.

TherobotusestwoYaskawa'sMOTOMANNX100robot,therobotusessixaxismotion,soitcangetalargefreedomofmovementspace,onerobothasinstalledaarcroboticweldingtorch,whenitsoperatingtimeitworksthroughtheweldingpowersource,anotherrobotinstalledaclampingdevice,theclampingdevicecanclamptheworkpiecetomovethespace,thenthetworobotsstartworkstogether.

Theprojectofvariousdevicesontherobotusingappropriateplanning,toensurethepracticalefficiencyoftherobotworkstation,usingthetworobotsandaexternalaxesofcontroltoachievehighcomplexityofthewelding,itabletoadapttoawiderangeofworkingenvironment sothattheworkstationhasagooduseofflexible. Theweldingrobothasanexternalaxis,theexternalaxiscanassisttheworkofarcweldingrobot,whichweldingsomeofthemorecomplexstructureoftheworkpiece.

Thepaperusingadvanced3Dsimulationtechnologytosimulaterobotmotionstateequivalentundertherunningtrack,wecanalsousingthistechnologytowatchovertherobot'svariousportswhetheritisconnected,adequatesimulationtestoftheworkstationand on-siteenvironmenthadensuredthestabilityandefficientoftherobotworkstation,italsohadprovidedaccuratedatasupporttotheconstructionoftherobotworkstation. Afterthesimulationsofthesoftware,theoperatornotonlytesttheworkstationbyteachingprogramming,itprovesgreatsafetytodeveloptheworkstation.Throughsimulation,alargenumberofhiddenproblemscanbefound,andhaveberesolvedbeforethedeploymentoftherobotworkstation,iftheproblemonlybefoundafterthecompletingoftheworkstation,itisveryhardtorebuilttheworkstationandthecontrolprogram. Therefore,thesimulationisaintegrantstepoftheconstructionoftheworkstation,butalsothedirectionoffuturetechnologicaldevelopmentworkstation.

Astheprogramusedinthesimulationcanalsobeimplantedintoarobot,andthereforewecanusethesimulationsoftwaretocombinetherunningprogramofarobotwithoutwarringofthecompatibilityoftheprogram.Usingtherunningprogram,wecanverifywhethertheworkstationworkswellusingthetworobotsandtheexternal-axis.Ifthereisanythingwrong,wecangetthepointbymonitoringtherobotI/Ocommunicationinthesimulationsoftware.Thenwecantestthefeasibilityoftheactualworkstation.

WehaveusedtheinternalPLCoftherobotcontrolboxandaoutsideprofessionalSiemensPLC. ThePLCusinganOptocouplerwaytotransmitsignals,sothePLChasastrongimmunityofsignalinterference.Theenvironmentofthefactoryistoocomplex,thereareplentyofdustandelectromagneticinterference.Wecannotuseanormalcomputerdevicetomonitorandmanagetherobotworkstationinafactory,theappearanceofPLChassolvedtheproblemofdustandelectromagneticinterferenceandthereforewidelyusedinindustryofvariousfactories.

WehaveupdatedtheinternalPLCprogramintherobotcontrolpanel,makeitabletomeettheneedofpracticalconditionsrequired,wehavealsoaddedthesupportofthethree-colorlightandsupportofexternalcontrol,alsoprovidethealarmsystemsupport,theworkstationcanworkbasicallythroughthemanagementoftherobot'sinternalPLCmanagement. Inordertofacilitatethemanagementandmaintenanceofthearcweldingrobotworkstations,wealsogetaprofessionalindustrialPLCofSiemens.AfterdesignedofthecontrolprogramofthisPLCwegettheworkstationmorehumanization,andcanmoreeasilytomanageandmaintaintherobotworkstation.TheprofessionalPLChasaLCDtouchscreen,thenwecandesigntheuserinterfaceexclusivelybyusingtherelevantsoftwaretodesign,thenwemaychangethemachineinterfacerichbyanexcellentdesign. CombinewiththeuserinterfaceandthemanagementinterfacecanmakethePLCbegreatlyused. SothatregardlessoftheoperatorormanagercanoperatethroughasingleinterfaceinthePLC. Intheworktime,theoperatorperformthestartorstopcommandthroughtheuserinterface,whenitistimetomanagethework,administratorcangettheoutputdataandtheefficiencybyusingthemanagementinterface,whentherobothavesomethingwrong,theoperatorcanquicklylocatefaultsthroughthePLCdisplaypanel.Ifthefailureisrelativelylarge,theadministratorcanalsogetthedetailportinformation,sothatthemaintenancepersonnelcanquicklygetthepointfromthevariousinformationaboutfailures. Greatlysimplifiedandfacilitatedthemanagement. PLCprogrammablecontrollercanbeusedtoincreasetheadaptabilityoftherobotworkstation.itcanbesetupquicklyindifferentenvironments. TheonlyneedisrebuildingthesystemprogramandthePLCcontrolprogram,andthentheworkstationcanstartanewjob.

ThePLCweusedisasmalldedicatedPLCoftheSiemens,ithave8inputand8output,usingthePLC'sinputandoutputtocommunicatewiththeinternalPLCinthecontrolpanel,thePLCobtaintherobot’sstatebythecommunication,alsousethistocontroltherobotbythebuttononthePLCpanellikestartandstop. Becausetherobot'sinternalPLChasarichport,inwhichcontrolmostoftheworkstationperipherals.Astherearetworobots,onerobotcangetfourinputsandfouroutputs.

Inshort,theprojectofthisarcweldingrobotworkstationsystemisusingatwo-robotcoordinationinoperations,combinedwithavarietyofsimulationprogrammingsoftware,getawellarrangementoftheworkstationperipherals,theworkstationsystemhasgoodcompatibility,flexibility ,feature-rich,scalable,andotheradvantages.

Keywords:

robotworkstation,emulation,coordinatedcontrol

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。

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