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
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 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 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
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
焊接工业机器人在国外的发展和应用------------------------------------- 1
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--------------------------------------------------------- 9
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
的产生及发展-------------------------------------------------------- 19
的基本结构和工作原理------------------------------------------------ 19
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
控制内容------------------------------------------------------------ 21
人机界面设计-------------------------------------------------------- 21
基本控制功能实现---------------------------------------------------- 23 第五章结论----------------------------------------------------------------- 24 参考文献-------------------------------------------------------------------- 25 谢辞 ----------------------------------------------------------------------- 26
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64.0台，法国32.2台，英国26.9台，美国33.8台，意大利48.0台[1]。

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
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，安川等公司，欧系中主要有ABB、FANUC、KUKA等公司。

[2]
图1 1993至2006年全球工业机器人安装量[3]
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，规划和领导机器人先进即使研究与应用工作[4]。

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[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[4]。

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产权。

[6]
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。

[7]
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。

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。

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。

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
常亮 闪烁 红灯
系统报警 黄灯
工位工作中 工位预约中 绿灯 系统正常
表2.1 三色灯的状态指示
1 2 3 4 5 6 7 8。