CN115446456A - 一种车身激光焊接柔性智能制造单元及轨迹优化方法 - Google Patents

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陈刚
蒋志坚
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Abstract

一种车身激光焊接柔性智能制造单元及轨迹优化方法，单元包括工作站、机器人与激光设备、电控柜、机器人控制柜；电控柜，与PLC控制器通信；在工作站的内部设置有可根据PLC控制器指令执行对应操作工艺的机器人与激光设备，用于按照控制系统的程序对工件进行焊接作业；工作站上设有旋转工作台，旋转台的上方两端分别设置有一个用于夹持工件的夹具，满足其中一个夹具位于工作站内部时另一个夹具处于工作站外部；夹具多个点位上均布置有工件到位检测传感器，以辨别被加工工件的种类；工件到位检测传感器检测到工件到位后发送信号给PLC控制器，PLC控制器接收信号后，分辨出工件种类，调取用于生产该产品的程序数据。增加了生产过程的柔性。

Description

一种车身激光焊接柔性智能制造单元及轨迹优化方法
技术领域
本发明属于新能源汽车车身激光焊接技术领域，具体为一种车身激光焊接柔性智能制造单元及轨迹优化方法。
背景技术
车身焊接是新能源汽车制造过程中十分关键的一步。为提高生产效率和焊接质量，增加制造过程中的柔性，以机器人与激光设备为核心的激光焊接自动化装备被广泛应用。
目前大部分激光焊接自动化设备均为高度定制化的非标产品，在生产现场的配置过程中需要耗费大量的人力物力。CN 114669918 A公布了一种机器人焊接工作站和多功能焊接控制方法，能够通过更换一部分零件使得单双轴变位机可以灵活转换，对于一些焊接简单工件的场合，可以有效的降低成本。但其属于典型的非标定制化设备，在配置过程中流程繁琐，会造成大量的人力物力浪费，导致成本增加。在进行大批量焊接工作时，现有激光加工设备的自动化程度均较低，需要技术人员依据被加工零件的特点进行针对性的机器人轨迹示教，不仅造成了人力的浪费，还导致生产效率低下。CN 111344102 公布了一种焊接轨迹跟踪方法，装置及系统，主要是根据想干光扫描仪、感光元件和激光焊接装置构成，可以根据焊接轨迹生成焊接控制信号。但是其所述的系统不仅构成复杂，而且控制技术实现难度较大，同时伴随着高昂的成本。另外现有产品不便于实现不同车型小批量多批次的柔性生产以及同一车型不同部件的柔性生产。另外车身激光焊接工艺包括激光深熔焊，激光钎焊，激光填丝熔焊等，不同工艺对机械臂运行轨迹过程中的冲击、时间、能量消耗等指标有着不同需求，需要根据不同的工艺对轨迹参数进行优化。CN 106563900 A公布了一种汽车内外饰件最优焊接轨迹的方法，提供不同焊接部件多焊点情况下的移动距离最小的路径。但是其所述方法只是针对点焊工艺，对于多种激光焊接工艺并不适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新能源汽车车身激光焊接柔性智能制造单元及轨迹优化方法，能够自动选择生产工艺程序，提高生产效率，增加生产过程的柔性。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种车身激光焊接柔性智能制造单元，包括工作站、机器人与激光设备、电控柜、机器人控制柜；
机器人控制柜，用于机器人的控制操作；
电控柜，与PLC控制器通信，并存储有机器人与激光设备的型号及品牌，能够进行选择；
在工作站的内部设置有可根据PLC控制器指令执行对应操作工艺的机器人与激光设备，机器人与激光设备用于按照控制系统的程序对工件进行焊接作业；
工作站上设有旋转工作台，旋转台的上方两端分别设置有一个用于夹持工件的夹具，旋转工作台转动时能够从工作站上的进料孔处穿过，且满足其中一个夹具位于工作站内部时另一个夹具处于工作站外部；
夹具多个点位上均布置有工件到位检测传感器，以辨别被加工工件的种类；
工件到位检测传感器检测到工件到位后发送信号给PLC控制器，PLC控制器接收信号后，分辨出工件种类，调取该型机器人与激光设备用于生产该产品的程序数据。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)模块化配置：通过以可编程逻辑控制器为核心的控制系统能够将各种品牌不同类型的子系统(激光源、激光加工工具、机器人子系统等)整合为一个完整的智能制造单元。
(2)自动化程度高：通过传感器及控制系统的程序设置，此智能制造单元可以自动识别到当前工件的种类，并调用相应的机器人轨迹与工艺参数，大幅降低人力资源的浪费。
(3)具备柔性生产能力：通过机械设计，在转台上配备不同的工装夹具可以实现被加工工件的柔性；通过工艺设备与参数的切换、机器人运动轨迹的针对性优化，可以实现加工工艺的柔性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为自动化加工流程图；
图3为对不同激光焊接工艺进行机器人运动轨迹针对性优化的流程图；
图4为轨迹多目标优化后所得到的pareto最优解集示例。
图1中：1-激光源，2-水冷机，3-电控柜，4-机器人控制器，5-检修门，6-底板，7- 激光防护房墙体，8-旋转工作台，9-除尘机，10-风管，11-机器人。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
本实施例的为一种车身激光焊接柔性智能制造单元，如图1所示：包括工作站、机器人与激光设备、旋转工作台、水冷机、除尘设备、电控柜、机器人控制柜；
工作站，该工作站包括底板6，底板6上方四周拼接固定有铝合金型材的激光防护房墙体7，激光防护房墙体7的顶端固定有顶板，通过底板6、激光防护房墙体7以及顶板围成四方形工作室。墙体采用的是拼接成的具备激光防护能力的墙体，不但便于安装，大小灵活，而且安全性也很高。
为了方便检修，在工作站的一侧墙体上安装有检修门5。
机器人与激光设备，在工作站的内部设置有可根据PLC控制器指令执行对应操作工艺的机器人11与激光设备，激光设备包括,设置于工业机器人11上的激光头以及用于提供给激光的激光源1。机器人与激光设备可以按照控制系统的程序对工件进行焊接作业。
旋转工作台，在工作站的其中一面墙体上开设有进料孔，在底座上固定有旋转工作台8，旋转台的上方两端处可分别设置有一个用于夹持工件的柔性夹具，旋转工作台8 转动时能够从进料孔处穿过，且满足其中一个柔性夹具位于工作站内部时另一个柔性夹具处于工作站外部，双夹具的使用可以在其中一侧工件加工时，另一侧进行装卸工件，提高了工作效率。
在柔性夹具多个点位上均布置有工件到位检测传感器，通过多个传感器的输出结果组合，可使得控制系统辨别被加工工件的种类。
水冷机2，设置在工作站的外部，用于在工件焊接时给激光设备提供水冷。
除尘设备，包括除尘机9和风管10，抽风机9设置在工作站的外部，抽风机9的输入端连接有风管10，风管10连通至工作站的内部，通过抽风机9将工作站内部的焊接过程中产生灰尘抽出，以达到除尘的效果。
电控柜3，内嵌于工作站的外部墙体上，内置有用于控制给工作站的全部电气附件，其外部设置有液晶屏，用于显示UI用户界面。
机器人控制柜4，内嵌于工作站的外部墙体上，与机器人11配合使用，用于机器人11的控制操作。
自动化加工过程介绍：
本实施例所提及的自动化加工流程如图2所示：
S1、在UI用户界面选择待机器人与激光设备的型号及品牌，PLC控制器根据产品类型访问GSD电子设备数据库中所对应机器人与激光设备的电子数据进行匹配；
S2、将待加工的工件通过柔性夹具固定在旋转工作台8上，柔性夹具上的红外传感器检测到工件到位后发送信号给PLC控制器，PLC控制器接收信号后，可根据传感器点位信号分辨出工件种类，调取该型机器人与激光设备用于生产该产品的程序数据；
S3、机器人与激光设备通过S2中调取的程序数据进行生产产品，生产完成后反馈信号给PLC控制器，控制旋转工作台8旋转，使得所加工的工件转至工作站外部，操作人员将加工完成的工件取下。
重复S2～S3的步骤，进行下一工件的焊接加工。
其中，S2中调取的程序数据包括产品加工的工艺参数和针对不同工艺针对性优化后的机器人轨迹参数。
如图3所示，在实现自动化加工的过程中S2所调用的机器人轨迹所用的针对性优化方法如下：
第一步：确定优化目标与约束条件；
为了提高机器人作业效率、降低能耗、保护机器人关键部件驱动器等，一般期望机器人运动时间最短、轨迹最平滑、能耗最小、驱动力矩变化最小。因此本方法的优化目标如下：
Figure BDA0003868505540000041
Figure BDA0003868505540000042
Figure BDA0003868505540000051
式子中T为机器人沿一定轨迹从初始位姿运动到终止位姿的时间,vi,ai,ji分别为第 i个点的关节速度、加速度和冲击，t代表时间，ti和ti+1分别代表第i个点和第i+1个点所处的时刻，n代表轨迹规划过程中途径点的个数，m代表第几个关节，M代表总关节个数，S1为运动时间，S2为关节的平均加速度，S3为关节平均冲击；
规划的轨迹必须满一些条件如每个机器人的关节驱动器不可能提供无限大的力矩，因此要考虑关节的力矩约束。每个机器人的关节电机额定速度和关节减速器的减速存在使得最大速度受限，因此需要考虑速度限制同理也要考虑加速度甚至加加速度的限制。同时也要考虑机器人的任务空间的约束。同时机器人的运动受到以下约束：
关节力矩：|τm(t)|≤τmmax；
关节加加速度：|jm(t)|≤jmmax；
关节加速度：|am(t)|≤jmmax；
关节速度：|vm(t)|≤vmmax；
关节位移：q∈Ω；
其中τm(t)、jm(t)、am(t)、vm(t)、q分别为第m个关节的关节力矩、关节加加速度、关节加速度、关节速度以及关节位移，τmmax、jmmax、ammax、vmmax、分别为第m个关节的最大力矩、最大加加速度、最大加速度、最大速度，Ω为机器人的工作空间。
第二步：用NSGA-II算法进行多目标优化，得到pareto最优解集。如图4所示。
第三步：得到最优解集后，利用归一权重函数来选取不同激光焊接工艺所对应的工程解。
新能源汽车用激光焊接常见的工艺包括：激光钎焊、填丝熔焊、激光深熔焊等。由于不同工艺特点不同，导致其对机械臂运动轨迹的需求也有所差别，例如，激光钎焊具备光斑大、功率密度较低、且用于激光钎焊的加工设备常带有主动或被动的焊缝跟踪装置，因此激光钎焊工艺对机械臂运行轨迹中的冲击接受度较高，同时激光钎焊的焊接速度相对较低。但对于激光深熔焊来说，其光斑小、功率密度非常高，同时对于汽车车身中大量存在的薄板类零件的激光深熔焊来说，离焦量是非常重要的工艺参数，对焊接质量有着极其重要的影响。因此激光深熔焊对机械臂运行轨迹中的冲击接受度较低，同时激光深熔焊的焊接速度较快，这也是激光焊接的一大优势。
根据上述在新能源汽车车身应用的不同激光焊接工艺特点，针对性选取pareto解集中对应的工程解。
归一权重函数：fc＝α1S1/N1+α2S2/N2+α3S3/N3；
其中：S1为运动时间，衡量机器人的运动效率；
S2为关节的平均加速度，衡量机器人关节消耗的能量；
S3为关节平均冲击，衡量轨迹的平滑度；
α1为运动效率所占的权重系数；
α2为能量消耗所占的权重系数；
α3为平滑度所占的权重系数；
fc用来表征解的合适程度；
N1，N2，N3为各指标在pareto最优解集中所取到的最大值，是为了使各个目标函数处于同一个范围。
以激光钎焊工艺为例。针对其光斑大、功率密度低、对速度需求不高以及对运动过程中冲击容忍度较大等特点，从激光焊接原理出发并参照现场调试经验，取α1＝0.2、α2＝0.6、α3＝0.2，将所得parato最优解集中的各个点所对应的S1、S2、S3分别代入得出fc的值，其中最大的fc所对应的点即为执行激光钎焊工艺的机器人所需的最优工程解。

Claims (9)

1.一种车身激光焊接柔性智能制造单元，包括工作站、机器人与激光设备、电控柜、机器人控制柜；
机器人控制柜，用于机器人的控制操作；
电控柜，与PLC控制器通信，并存储有机器人与激光设备的型号及品牌，能够进行选择；
在工作站的内部设置有可根据PLC控制器指令执行对应操作工艺的机器人与激光设备，机器人与激光设备用于按照控制系统的程序对工件进行焊接作业；
其特征在于，
工作站上设有旋转工作台，旋转台的上方两端分别设置有一个用于夹持工件的夹具，旋转工作台转动时能够从工作站上的进料孔处穿过，且满足其中一个夹具位于工作站内部时另一个夹具处于工作站外部；
夹具多个点位上均布置有工件到位检测传感器，以辨别被加工工件的种类；
工件到位检测传感器检测到工件到位后发送信号给PLC控制器，PLC控制器接收信号后，分辨出工件种类，调取该型机器人与激光设备用于生产该产品的程序数据。
2.根据权利要求1所述的车身激光焊接柔性智能制造单元，其特征在于，所述程序数据包括产品加工的工艺参数和针对不同工艺针对性优化后的机器人轨迹参数。
3.根据权利要求1所述的车身激光焊接柔性智能制造单元，其特征在于，所述工作站包括底板，底板上方四周拼接固定有激光防护房墙体，激光防护房墙体的顶端固定有顶板。
4.根据权利要求3所述的车身激光焊接柔性智能制造单元，其特征在于，所述工作站的一侧墙体上安装有检修门。
5.根据权利要求1所述的车身激光焊接柔性智能制造单元，其特征在于，还包括水冷机，设置在工作站的外部，用于在工件焊接时给激光设备提供水冷。
6.根据权利要求1所述的车身激光焊接柔性智能制造单元，其特征在于，还包括除尘设备，所述除尘设备包括除尘机和风管，抽风机设置在工作站的外部，抽风机的输入端连接有风管，风管连通至工作站的内部，通过抽风机将工作站内部的焊接过程中产生灰尘抽出。
7.根据权利要求2任一项所述的车身激光焊接柔性智能制造单元，其特征在于，机器人轨迹优化方法如下：
第一步：确定优化目标与约束条件：
将机器人运动时间、关节的平均加速度、关节平均冲击作为优化目标，并对机器人的关节力矩、关节加加速度、关节加速度、关节速度、关节位移设置约束条件；
第二步：用NSGA-II算法进行多目标优化，得到pareto最优解集；
第三步：得到最优解集后，利用归一权重函数来选取不同激光焊接工艺所对应的工程解。
8.根据权利要求7所述的车身激光焊接柔性智能制造单元，其特征在于，优化目标如下：
Figure FDA0003868505530000021
Figure FDA0003868505530000022
Figure FDA0003868505530000023
式子中T为机器人沿一定轨迹从初始位姿运动到终止位姿的时间,vi,ai,ji分别为第i个点的关节速度、加速度和冲击，t代表时间，ti和ti+1分别代表第i个点和第i+1个点所处的时刻，n代表轨迹规划过程中途径点的个数，m代表第几个关节，M代表总关节个数，S1为运动时间，S2为关节的平均加速度，S3为关节平均冲击；
约束条件：
关节力矩：|τm(t)|≤τmmax；
关节加加速度：|jm(t)|≤jmmax；
关节加速度：|am(t)|≤jmmax；
关节速度：|vm(t)|≤vmmax；
关节位移：q∈Ω；
其中τm(t)、jm(t)、am(t)、vm(t)、q分别为第m个关节的关节力矩、关节加加速度、关节加速度、关节速度以及关节位移，τmmax、jmmax、ammax、vmmax、分别为第m个关节的最大力矩、最大加加速度、最大加速度、最大速度，Ω为机器人的工作空间。
9.根据权利要求7所述的车身激光焊接柔性智能制造单元，其特征在于，归一权重函数：
fc＝α1S1/N1+α2S2/N2+α3S3/N3；
其中：S1为运动时间；
S2为关节的平均加速度；
S3为关节平均冲击；
α1为运动效率所占的权重系数；
α2为能量消耗所占的权重系数；
α3为平滑度所占的权重系数；
fc用来表征解的合适程度；
N1，N2，N3为各指标在pareto最优解集中所取到的最大值。
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