工业机器人点焊工艺系统探析

陈绵鹏 李其伟 庞成才 张军

基金项目：面向汽车行业的国产高性能焊接机器人技术攻关项目（无编号）

第一作者简介：陈绵鹏（1995-），男，硕士。研究方向为工业机器人运动控制。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.046

摘  要：点焊机器人主要由工业机器人本体、点焊钳、点焊机和点焊工艺控制系统组成，点焊工艺控制系统作为点焊机器人的核心总控单元控制点焊机器人、点焊钳，点焊机协同动作进行点焊自动作业。系统软件主要由运动控制单元、参数配置单元、指令集和点焊工艺功能单元等多个部分组成，承担着机器人/电焊钳运动控制、点焊机逻辑控制和其他配套设备逻辑控制等重要任务，系统的工艺参数也是通过控制系统的人机交互界面进行设置。控制系统把参数、运动节拍、IO信号通过执行程序有机地执行和调度起来后，点焊机器人就带着电焊钳执行各种指定的动作完成对工件的点焊加工。

关键词：点焊工艺；控制系统；工业机器人；指令；硬件设备

中图分类号：TP242.2      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）13-0193-04

Abstract： The spot welding robot is mainly composed of industrial robot body， spot welding pliers， spot welding machine and spot welding process control system. As the core control unit of spot welding robot， spot welding process control system controls spot welding robot and spot welding pliers. Spot welding machine cooperates to carry out spot welding automatic operation. The system software is mainly composed of motion control unit， parameter configuration unit， instruction set and spot welding process function unit， which undertakes important tasks such as robot / welding clamp motion control， spot welding machine logic control and other supporting equipment logic control. The process parameters of the system are also set through the man-machine interface of the control system. After the parameters， motion beat and IO signals are organically executed and scheduled by the control system， the spot welding robot carries out various specified actions with electric welding pliers to complete the spot welding of the workpiece.

Keywords： spot welding process; control system; industrial robot; instruction; hardware equipment

點焊机器人早在二十世纪六十年代中期就已经正式运用到工业生产当中，到如今已经广泛运用到各行各业的制造生产当中。尤其在汽车加工制造领域，点焊机器人已经是生产线上必不可少的终端设备。据统计，汽车行业中点焊机器人的使用比例已经超过弧焊机器人，比例达到3∶2。随着工人成本不断增长及制造业的全面转型升级，我国制造业的点焊机器人的应用会越来越多。日益增长的点焊机器人巨大的市场潜力对国外很多成名已久的点焊机器人生产厂商具备很强的吸引力，同时对国产的点焊机器人带来很多新的机遇与挑战。

目前点焊机器人主要品牌基本是ABB、库卡、FANUC和安川等国外老牌机器人厂商，其依托汽配生产等产业体系，牢牢占领了市场。并经过多年的市场打磨，已经具备稳定的性能和很强的用户黏性。因此，研究工业机器人点焊工艺控制系统构成和控制逻辑，对提高国产点焊机器人点焊系统的安全性、可靠性、灵活性，对国产工业机器人点焊系统优化焊接质量，与国外机器人对标竞争，让工业机器人点焊系统更为广泛地普及有重要的参考意义。本文从点焊工艺控制系统出发，详细解析机器人点焊系统的通用总体架构，部件和软硬件模块等相关知识，详细梳理了点焊控制系统的控制交互逻辑。为工业机器人点焊工艺控制系统的开发设计和点焊机器人的配置使用提供参考。

1  点焊工艺控制系统总体架构

点焊工艺控制系统可分为硬件设备和软件工艺2个部分，如图1所示，硬件设备包括执行端和控制端，执行端是直接参与点焊作业的执行单元设备组合，是被控对象，包含工业机器人本体、点焊钳、水气单元及修磨器等设备。控制端是执行端的控制中枢，点焊钳控制器主要是实现点焊钳接过程和工艺控制，通过总线或者IO直连的方式和机械臂控制器作数据交互，驱动是机械的本体驱动单元，通过总线接收机械臂控制器的命令进行控制机械臂运动。机械臂控制器为总控制单元，机械臂控制器不仅实现点焊钳和机械臂的运动控制，还是软件点焊工艺包的载体，所有的控制指令和逻辑命令都在此处产生，通过示教器实现人机交互，操作者通过示教器进行点焊机器人运动位置和动作程序的示教，并设定运动速度、焊接参数等。点焊工艺控制系统按照示教程序规定的动作、顺序和参数控制机械臂/点焊钳控制器和其他设备进行点焊作业，其过程是完全自动化的。并且具有与外部设备通信的接口，可以通过这一接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工作。

图1  点焊工艺控制系统架构图

2  硬件设备

2.1  机械臂

点焊机器人的机械臂（图2）本体一般需要选用六自由度串联机械臂，必要时配合变位机等外部设备使用才能满足生产过程中焊点位置的空间变化需求。一般点焊机器人要求动力强劲，结实可靠，一般要求负载在210 kg以上，运动范围2.7 m以上；若是铝合金材质点焊则需求大电流、高压力，普遍焊钳较大，一般要求负载在300 kg以上；同时，也要求工业机器人具备定位精度高、工作稳定、运动速度快等特点。

图2  工业机械臂及电控柜

2.2  点焊控制器

点焊控制器（图3）一方面通过管线包与点焊钳直接连接，在焊接过程中把工频三相电源转换为稳定的中频单相电源，再通过焊接变压器转换和整流，变成需要的直流电流供点焊焊钳的焊接使用；另一方面，控制器不会主动执行焊接动作，而是开放接口与机器人控制器或PLC连接，通过接收机器人控制器或PLC的相关控制信号控制点焊电流的输出和其他逻辑的执行。

图3  点焊控制器

2.3  点焊钳

点焊钳（图4）是和工件直接接触的焊接执行机构，根据结构的不同，分为C型焊钳和X型焊钳。C型焊钳用于点焊垂直及近于垂直倾斜位置的焊点，X型焊钳则主要用于点焊水平及近于水平倾斜位置的焊点；根据驱动源的不同，分为气动焊钳和伺服焊钳，气动焊钳在加压过程中，无法控制电极移动速度，对工件冲击较大，容易导致工件变形，气动焊钳压力无法精准控制，容易产生大飞溅，对焊点指令产生影响；伺服焊钳电极压力可控，根据板厚的不同，每个焊点都可以自由调节压力或单点多段压力； 电极接触到工件后，再缓慢加压，避免电极对工件产生冲击；高效率，机器人在点与点的移动过程中即可控制电极的开合，无需等待机器人到位后再闭合电极，所以具备竞争优势。

2.4  其他设备

点焊机器人控制系统除了上述主要设备之外，还有一些外围的辅助设备主要包括水/气单元、修磨机、管线包等设备。一般情况下自动电极修磨器、水气单元和这些外设在机器人出厂前都会经过装配、安装和测试。

尤其是自动电极修磨器，承担了点焊钳电机修磨的重要任务。主要由固定支架、修磨刀具、吹气装置及收纳装置等组成。机器人把焊钳的电极固定到修磨器指定位置，修磨器通过刀具和浮动装置可以自动调节完成修磨。修磨完成后还可以进行修磨补偿检查。这一系列过程一般会有固定的程序和指令对应。点焊机器人需要修磨时，配合修磨器模块化调用即可。

（a）  C型点焊钳     （b）  X型点焊钳

图4  点焊钳

3  工艺软件

点焊机器人软件工艺包是针对点焊作业过程中控制需求、补偿需求、信号交互需求、过程监控需求的专用功能模块。软件工艺都集成在机械臂控制器中，ABB、FANUC、库卡等机器人厂商均有专门的点焊工艺包供点焊机器人使用，机械臂控制器作为主控单元需要集成整个点焊工艺包，并分别与各个被控设备建立通讯，主要通过人机交互界面、程序指令集、运动控制模块和其他工艺模块等模块功能实现点焊机器人的本体运动和焊接过程控制。本体控制部分主要是实现机器人本体的运动控制；焊接控制部分则負责对点焊控制器进行自动控制，发出焊接开始指令，自动控制和调整焊接参数（如电压、电流、施加压力及时间/周波等），控制点焊钳的大小行程及夹紧/松开动作控制及外围设备信号控制。

3.1  指令集

点焊指令集是点焊工艺控制系统中实现点焊动作和其他设备动作的指令集合。点焊指令集主要包括点焊动作指令、加压动作指令、电极修磨指令和零点标定指令等。虽然不同的厂商指令集的形式会有所差异，但基本都涵盖了点焊动作、焊接条件参数设置、焊接时序设定等多个方面功能，需要根据不同的焊接工艺在程序中进行调整和优化。

3.2  人机交互界面

点焊工艺从初始化到执行过程中，需要操作者根据实际工况和经验，设置工艺参数，编写调试程序都需要通过人机交互界面进行。图5为广州数控设备有限公司人机交互界面示意图，通过人机交互界面可以实现电机型号、齿轮比、最大速度、行程极限、电机旋转方向、最大压力、焊钳关闭方向对应按键设定（X+/X-）、焊接IO设定等操作，可编辑修改点焊执行程序。

图5  点焊工艺人机交互界面

3.3  运动控制模块

点焊工艺的运动控制模块不仅要实现机械臂再现示教点运行，控制机械臂载着点焊钳到达指定的焊接位置。还需要通过信号、力矩、脉冲等方式控制点焊钳，实现定位、预压、加压保持和快速回退等整个点焊流程动作。图6为气动点焊动作的一般时序，可以看出，每一个点焊过程都需要机器人本体运动、焊钳运动和各种系统信号配合完成，应对不同的场景往往也有不同的运动参数选择。

图6  点焊时序图

3.4  修磨补偿功能

为了应对点焊过程中电极帽受热产生软化、氧化和形变造成的焊接质量问题，需要定期对点焊钳两侧的电极头修磨去除氧化层，同时需要将切削后的电极头长度变化补偿到焊机路径当中。点焊工艺的修磨补偿流程如图7所示。

图7  修磨补偿流程示意图

点焊机器人电极的修磨时机由机器人程序控制，需要事先设定机器人需要完成的焊点数量，从而明确修磨频次及修磨极限。在机器人编程时，将这些参数输入到程序中，形成机器人电极帽的修磨程序。当点焊机器人电极工作到设定的焊点数量时，机器人就会停止工作，并调用电极修磨程序。进入修磨程序后，机器人焊钳自动移行至修磨器所在处，确保上、下电极移行到修磨器的正中心线位置，修磨刀头两侧与上下电极紧贴，使上下电极与修磨器的刀片同时接触并压紧，修磨器刀具旋转进行电极帽的端面切削研磨，修磨掉少量的碎片或刨花类的铜屑，修出与刀片轮廓一致的上下电极帽端面后即完成电极的修磨程序。修磨完成后一般通过以下2种方式计算补偿值。

1）单步法：关闭焊钳，进行零点标零，根据用户设置的“磨损率”，将总体的磨损量分配给各个电极头。

2）两步法：借用外部夹具，机器人控制焊钳再次标零后，移动到夹具位置，可动侧抵碰夹具进行可动侧磨损量测量，再用总磨损量减去可动侧磨损量测量得到固定侧的磨损量。

计算出来的补偿值在执行点焊指令和加压指令时，直接补偿到电极头前端位置。

3.5  挠曲补偿功能

撓曲补偿又称挠度修正，是对加压焊接过程中，点焊钳动极和定极产生的形变补偿。如图8所示，加压过程中，焊钳两极的形变会导致工件变形，影响工件的焊接质量，为此需要通过事项测量的方式，把不同加压条件下的挠曲变化测试出来，并作为加压参数保存。在机器人以相应条件执行加压时，将固定侧电极根据挠曲补偿参数补偿相应的挠曲量，实现工件的平整焊接，保证点焊质量。

（a）  示教位置     （b）  加压工件       （c）  挠曲补偿

图8  挠曲补偿原理示意图

4  结束语

点焊机器人目前应用广泛，基于其高效、高质量、高自动化等优点，一定会在未来保持广阔的市场需求并不断更新迭代。对工业机器人点焊工艺系统的分析研究，拆解其软硬件架构和工艺流程，可以明确工业机器人点焊工艺各模块设备和功能特点；明确不同系统之间的通信对接逻辑。对通用工业机器人实现点焊工艺适配具有参考意义。

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