因?yàn)椴捎锚?dú)立且反應(yīng)靈敏的系統(tǒng)可以提高生產(chǎn)率，并能降低企業(yè)的單件產(chǎn)品成本，所以目前使用
工業(yè)機(jī)器人已成為一種趨勢(shì)。由一種自動(dòng)化裝置連接上一個(gè)獨(dú)立的Ethercat計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行焊接作業(yè)，提高了焊接作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。
美國得克薩斯州休斯敦的ARC公司是生產(chǎn)焊接與切割裝置的專家，該公司的產(chǎn)品多達(dá)90%用于油及天然氣工業(yè)，其用戶分布在世界各地。ARC公司生產(chǎn)的自動(dòng)化焊接與切割裝置采用了市場(chǎng)上普及的標(biāo)準(zhǔn)型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，該技術(shù)可確保長(zhǎng)期使用。而與之相反，在選擇設(shè)備的控制裝置時(shí)，ARC 公司為了競(jìng)爭(zhēng)的需要，絕大多數(shù)采用斷開式控制系統(tǒng)。原因是該控制系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案，在之后的保養(yǎng)維修階段很少出現(xiàn)問題，ARC公司對(duì)此深信不疑。
自動(dòng)化適用于快速等離子焊接法
很長(zhǎng)一段時(shí)間以來，ARC公司無數(shù)的用戶在使用公司的等離子焊接裝置。等離子焊接法與激光焊接法相比很經(jīng)濟(jì)，但缺點(diǎn)是在短短的焊接作業(yè)周期時(shí)間內(nèi)，僅使用激光焊接法還達(dá)不到要求。其原因是，使用傳統(tǒng)的等離子焊接裝置雖然焊接質(zhì)量高，但是與使用激光焊接裝置相比，等離子焊接作業(yè)非常慢，作業(yè)時(shí)要求有一個(gè)較高的熱輸入。
圖1 ARC-11-RB 型焊接機(jī)器人是一臺(tái)用于組裝和液體清洗設(shè)備的自動(dòng)化焊接機(jī)器人
為了提高等離子焊接的效率，ARC公司在自己的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出了新的焊接方法，即三重脈沖焊接法。這種新的焊接法在著名的鎢惰氣焊接法的基礎(chǔ)上研發(fā)而來。三重脈沖焊接法的基本思想是基于使用三種不同強(qiáng)度的電流，以達(dá)到在產(chǎn)生微弱熱能的情況下，能夠有較高的熱傳遞速度。使用這種方法可以使等離子焊接裝置達(dá)到激光焊接裝置相類似的焊接效率，同時(shí)又很經(jīng)濟(jì)。
應(yīng)得克薩斯州的一個(gè)大用戶委托，ARC 公司研發(fā)出用來安裝液體清洗設(shè)備的ARC-11 RB自動(dòng)化焊接機(jī)器人（圖1）。為此，三重脈沖焊接法焊接裝置首次實(shí)現(xiàn)了集成化。ARC-11 RB自動(dòng)化焊接機(jī)器人裝置裝備有
Beckhoff公司CX1010型嵌入式PC和控制裝置Twincat NC PTP（圖2），其軟件系統(tǒng)采用Windows XP。該嵌入式PC結(jié)構(gòu)緊湊，布置在一個(gè)箱子里，用來控制整個(gè)焊接裝置，還包括控制車間里的門架式起重機(jī)、機(jī)器人功能、操作工作面、感應(yīng)式加熱部件、焊接工件運(yùn)送裝置以及所有使用壓縮空氣作業(yè)的部件。
圖2 Beckhoff公司裝有Twincat NC PTP軟件的CX1010型嵌入式PC控制ARC-11-RB焊接作業(yè)全過程
由于采用了上述技術(shù)，加快了整個(gè)焊接作業(yè)過程，并實(shí)現(xiàn)了整個(gè)焊接作業(yè)的各個(gè)步驟的自動(dòng)化。整個(gè)焊接作業(yè)的步驟為：車間內(nèi)的門架式起重機(jī)提升切割成額定長(zhǎng)度的管子，將其送入一個(gè)張緊裝置內(nèi)（圖3）。
與此同時(shí)，焊接機(jī)器人從傳送帶上抓起一個(gè)終端環(huán)并將其放入第二套拉桿對(duì)內(nèi)進(jìn)行定位（圖4）。
機(jī)器人對(duì)著焊炬變換著工件抓緊裝置并將終端環(huán)與管子焊接在一起（圖5及圖6）。之后，兩個(gè)張緊器自動(dòng)開啟，門架式起重機(jī)將一端完成焊接工件取出。接著管子轉(zhuǎn)動(dòng)180°，管子的另一端被放入張緊裝置中，焊接作業(yè)程序重復(fù)。待焊接工件完成另一端焊接作業(yè)時(shí)，門架式起重機(jī)將該完成焊接作業(yè)的管子運(yùn)送到一個(gè)存放架上。工件的外形尺寸不同，這種焊接作業(yè)持續(xù)時(shí)間最多為2min。
Fanuc公司Arcmate M 710i C-50型機(jī)器人由Beckhoff公司CX1010型嵌入式PC進(jìn)行控制（圖7）。采用Powerwave R350 型Lincoln焊接電流供電裝置，該供電裝置通過Devicenet主集成電路組件直接無縫連接在Beckhoff嵌入式PC上。Ethercat接線夾充當(dāng)I/O系統(tǒng)使用，這些接線夾直接按順序布置在CX1010型Beckhoff嵌入式PC上。在焊接作業(yè)不需要通過 Devicenet接口供電，或是在焊接時(shí)應(yīng)用該Devicenet接口供電反應(yīng)時(shí)間極其短時(shí)，ARC焊接裝置使用 EL403x型模擬式Ethercat輸出接線夾。
焊接機(jī)器人裝置功能在PC-CPU上實(shí)現(xiàn)
根據(jù)工業(yè)控制的要求，ARC 公司自行設(shè)計(jì)出焊接機(jī)器人的控制人員界面的可視化軟件。通過使用該軟件，焊接作業(yè)操作人員的眼前出現(xiàn)的是與原來使用 Windows- PC窗口那樣的自己已經(jīng)習(xí)慣的窗口，這樣的環(huán)境下操作焊接機(jī)器人更為容易和自如。 Twincat ADS 將控制人員界面與控制裝置連接起來。Twincat 動(dòng)態(tài)影像轉(zhuǎn)換器將焊接機(jī)器人控制集成入Twincat 自動(dòng)化組。
Twincat動(dòng)態(tài)影像轉(zhuǎn)換器透明地集成入已存在的輸送控制范圍里：機(jī)器人技術(shù)和輸送控制功能與Twincat NC PTP（軸點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位）或是NC I（在三維圖像中插入軸的定位）同步實(shí)現(xiàn)最佳化。所有NC的性能，如“曲線轉(zhuǎn)輪”或“飛鋸”（從動(dòng)軸與行駛著的主軸的同步化）可以在一個(gè)共同的軟硬件平臺(tái)上任意連接。該軟硬件平臺(tái)還支持各種平行和系列動(dòng)態(tài)畫面：2D平行動(dòng)態(tài)畫面、3D-Delta、剪接動(dòng)態(tài)畫面、Scara、坐標(biāo)式門架起重機(jī)以及轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)畫面。
編程采用坐標(biāo)系統(tǒng)的規(guī)則，在此控制計(jì)算各種相關(guān)的電動(dòng)機(jī)位置的反演動(dòng)畫，選擇和動(dòng)畫組態(tài)在Twincat系統(tǒng)中生成。在動(dòng)畫信道，如在Delta型桿長(zhǎng)與偏移均是數(shù)據(jù)化顯示。為了進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)控制，可提前給定焊接工件的重量和重量的慣性。為了使機(jī)器人能夠順利抓起和放下焊接工件，使用者可以借助于“飛鋸”和“曲線轉(zhuǎn)輪”功能，在傳送帶上同步實(shí)施。對(duì)于AX 5000 系列Beckhoff驅(qū)動(dòng)器，Twincat動(dòng)態(tài)畫面轉(zhuǎn)換器是最佳化的（圖8）。
這里SPS、 運(yùn)動(dòng)控制、 HMI以及機(jī)器人技術(shù)只能在工業(yè) PC-CPU上運(yùn)行。這對(duì)于使用者來說有以下優(yōu)點(diǎn)：
●不需要另設(shè)置一個(gè)控制機(jī)器人的CPU；
●因?yàn)榻M態(tài)、數(shù)據(jù)化和診斷在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，所以降低了能源成本；
●Twincat 是知名的、一體化的組態(tài)、數(shù)據(jù)化和診斷工具；
●通過用于SPS、 運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器人技術(shù)的各CPU的相互配合，省去了因不匹配而產(chǎn)生的損失；
●由于采用直接界面，省去了各CPU間繁瑣的相互配合，因此提高了焊接作業(yè)的效率和精密度。
焊接工件自動(dòng)化張緊使產(chǎn)量提高了30%
如前介紹的那樣，在焊接作業(yè)中可在ARC-11 RB的全部數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過Ethercat的跟蹤檢驗(yàn)功能實(shí)現(xiàn)焊接作業(yè)的監(jiān)控。此外，因?yàn)樗械拇a出自同一中心，所以可以實(shí)現(xiàn)用戶專用代碼的參數(shù)化。通過使用Ethercat，用戶專用代碼可以較為簡(jiǎn)單地書寫。因?yàn)锳RC公司接到的委托大多是特殊工件焊接，因此該公司接受的焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)委托往往還是較為麻煩和復(fù)雜的。
如果比較考慮ARC-11-RB焊接機(jī)器人的控制設(shè)計(jì)方案的復(fù)雜性，ARC-11-RB焊接機(jī)器人從設(shè)計(jì)到應(yīng)用僅用了4周時(shí)間，之后的結(jié)構(gòu)和組裝在3周之內(nèi)便完成了。在此，ARC公司實(shí)現(xiàn)了焊接工件自動(dòng)化張緊與取下，與人工張緊和取下焊接作業(yè)的方法相比，產(chǎn)量提高了30%。在這種情況下，只有焊接工件的裝車和卸車是手工進(jìn)行。由于采用Twincat，所以在簡(jiǎn)單的拓?fù)鋵W(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人控制裝置的軸布線，僅需要1h便能完成。該焊接機(jī)器人的控制裝置組件少，且機(jī)構(gòu)緊湊，所以配電箱的外形尺寸較小。
采用Windows軟件的PC控制裝置可提供遙控
ARC公司提供的焊接機(jī)器人PC控制裝置采用的是Windows軟件，因此有著為用戶提供遙控的可能性。用戶可與他們的局域網(wǎng)相連，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接機(jī)器人的遙控，也可得到ARC公司的網(wǎng)上售后服務(wù)。世界各地的焊接機(jī)器人用戶均可通過遙控得到ARC公司在問題分析方面所給予的支持，以便找到機(jī)器人焊接設(shè)備所產(chǎn)生問題的原因，并通過在軟件里的更改來排除這些問題，這樣便大大降低了用戶在焊接機(jī)器人設(shè)備維修保養(yǎng)上的成本。
ARC公司與Beckhoff公司在Twincat 3系統(tǒng)方面具有進(jìn)一步合作的潛在可能性：在一體化機(jī)器編程、可視化技術(shù)、HMI可視化方面共同形成一個(gè)唯一的必要的軟件環(huán)境方面，兩個(gè)公司的合作具有優(yōu)勢(shì)。ARC公司表示，鑒于迄今為止雙方在合作提高焊接作業(yè)生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本方面所取得的成效，ARC公司今后還將在其他機(jī)器設(shè)備和機(jī)器人上采用德國Beckhoff公司的自動(dòng)化控制裝置。
