焊接機(jī)器人及其柔性?shī)A具控制系統(tǒng)

1、焊接機(jī)器人及其柔性?shī)A具控制系統(tǒng)2005-06-20 11:15:14上?？藖?lái)機(jī)電自動(dòng)化工程有限公司機(jī)器人應(yīng)用工程部王衛(wèi)峰焊接機(jī)器人及柔性?shī)A具控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由兩部分組成：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)器人 工作房、機(jī)器人本體、機(jī)器人外軸回轉(zhuǎn)臺(tái)及機(jī)器人周邊設(shè)備等；控制系統(tǒng)可分為機(jī)器人控制系統(tǒng)、工裝夾 具識(shí)別及控制系統(tǒng)、人機(jī)界面等輔助單元。機(jī)械結(jié)構(gòu)1 機(jī)器人工作房機(jī)器人工作房的布置及主要部件如圖1所示，工作房外形為六邊梯形， 房間由方管框架加薄鐵板焊接而成,焊接機(jī)器人在房間中央位置，左右對(duì)稱位置各有一個(gè)工作臺(tái)，分別由兩個(gè)機(jī)器人外軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。兩工 作臺(tái)之間有30。左右的夾角，機(jī)器人工作時(shí)

2、可在兩工位之間切換，即機(jī)器人在左側(cè)工位焊接時(shí)，操作工可 在右側(cè)工位上下料，同樣，當(dāng)機(jī)器人在右側(cè)工位工作時(shí)，操作工可在左側(cè)裝拆工件，這樣可使機(jī)器人停機(jī) 等待時(shí)間大大減少，從而提高生產(chǎn)效率。在機(jī)器人和回轉(zhuǎn)臺(tái)之間有氣缸驅(qū)動(dòng)的隔離裝置，它可以遮擋弧焊時(shí)產(chǎn)生的弧光和焊渣，并保護(hù)操作者在另 一側(cè)操作時(shí)不受影響。在兩工位外側(cè)開(kāi)了兩個(gè)門(mén)，以便操作，該門(mén)上方安裝了氣動(dòng)門(mén)簾，焊接時(shí)可自動(dòng)關(guān) 上，以遮擋弧光和焊渣。c<*.MMLftAA* 令暉耙專至勒 npwtt <*< 心圖1機(jī)器人工作房頂視圖圖2機(jī)器人工作房圖兩工位外側(cè)分別有一個(gè)雙手啟動(dòng)操作盒，用以操作焊接夾具盒啟動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行焊接工作。在整個(gè)

3、工作房的 前側(cè)有一個(gè)主操作面板，上面安裝了觸摸屏和若干按鈕，在此可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和操作。機(jī)器人工作房 的外觀如圖2所示。2 機(jī)器人本體圖3機(jī)器人本體我們采用的FANUC ROBOWELIDOi系列焊接機(jī)器人是標(biāo)準(zhǔn)的六軸機(jī)器人，具有六個(gè)自由度，理論上可以 達(dá)到運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)，其臂展范圍為1440mm配以松下的焊槍，足以滿足本系統(tǒng)的需要。另外，汽車(chē)零部件的焊接對(duì)機(jī)器人軌跡的重復(fù)定位精度有一定要求，一般應(yīng)小于0.5mm而該機(jī)器人可達(dá)到 0.2mm可以滿足生產(chǎn)需要。此外，整車(chē)廠商對(duì)及時(shí)供貨和零庫(kù)存的要求決定了零部件廠商對(duì)生產(chǎn)效率的關(guān)注，所 以對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化程度和零件生產(chǎn)節(jié)拍有近乎苛刻的要求，F(xiàn)

4、ANUC機(jī)器人2000mm/s的直線速度可以大大減少機(jī)器人軌跡中空行程所浪費(fèi)的時(shí)間。機(jī)器人本體外形如圖3所示。3 機(jī)器人外軸回轉(zhuǎn)臺(tái)外軸回轉(zhuǎn)臺(tái)由支架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器和回轉(zhuǎn)框架等構(gòu)成，焊接夾具就固定在該框架上?；剞D(zhuǎn)由機(jī)器人外 軸直接控制，除去了以往由 PLC控制的轉(zhuǎn)臺(tái)單獨(dú)回轉(zhuǎn)、位置確認(rèn)以及與機(jī)器人通信等過(guò)程所增加的許多時(shí) 間。由于該回轉(zhuǎn)臺(tái)主動(dòng)側(cè)和從動(dòng)側(cè)之間的跨度較大（1800mm，而且在工作時(shí)轉(zhuǎn)速又很高，因此對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)在回轉(zhuǎn)時(shí)的跳動(dòng)范圍是有一定要求的，需認(rèn)真調(diào)校才能使回轉(zhuǎn)臺(tái)在工作時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，否則很容易引起電機(jī) 過(guò)載、過(guò)熱等情況，嚴(yán)重時(shí)將損壞設(shè)備。4 機(jī)器人周邊設(shè)備機(jī)器人焊接時(shí)還需要用到其他輔助設(shè)備

5、來(lái)使生產(chǎn)順利進(jìn)行，并減少停機(jī)時(shí)間、降低設(shè)備故障率、提高安全 性等，所以，該機(jī)器人工作房中還安裝了一些周邊設(shè)備，如焊絲剪切裝置、噴硅油裝置、焊槍清洗裝置、 光電保護(hù)裝置、焊絲管平衡吊空裝置等?？刂葡到y(tǒng)石和并疥筒閏:ROBOTPOSlTlONEftWELDERPLCMU-10G>-«sh<SDlfSTNI-B圖4控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖該機(jī)器人工作房的控制系統(tǒng)可分為主控系統(tǒng)和機(jī)器人控制系統(tǒng)兩個(gè)層次，其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。1、主控系統(tǒng)主控系統(tǒng)采用OMRON CQM系列中小型PLC,該機(jī)種采用非機(jī)架結(jié)構(gòu)的模塊拼裝方式，從左向右分別由電 源模塊PM CPU模塊、功能模塊、輸入輸出模塊及終端

6、蓋板組成。根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的不同，用戶可以選擇相 應(yīng)的模塊來(lái)組成所需的控制系。由于 CQM1I系列PLC的模塊種類豐富，功能齊全，幾乎可以適應(yīng)控制系統(tǒng) 的各種需求，由其組成的系統(tǒng)也具有相當(dāng)?shù)娜嵝曰潭?。本控制系統(tǒng)采用的模塊及其功能如下： 電源模塊PA206:提供穩(wěn)定的直流工作電源給各模塊使用CPU模塊CQM1H-CPU51這是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，支持最大數(shù)量為512點(diǎn)的I/O ;支持OMRO特殊指令如PID控制、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、宏指令、脈沖指令等；支持Compobus/S和AS接口的多種主從網(wǎng)絡(luò)模塊；支持OMRON 最新版編程軟件CXP3.1;程序容量最大可達(dá)15.2K;內(nèi)建16點(diǎn)直流1224V的輸入

7、點(diǎn)。將編制好的程序下 載運(yùn)行后可維持系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。該模塊提供一個(gè)RS232端口，和兩個(gè)內(nèi)裝板插槽，RS232端口可以和其他串口設(shè)備進(jìn)行通訊，該系統(tǒng)中納入的一個(gè)觸摸屏TP,就是通過(guò)CPU上自帶的RS232串口進(jìn)行通訊的；內(nèi)裝板插槽上最多可以安裝兩塊特殊功能卡，由于本系統(tǒng)無(wú)特殊功能需求，所以該槽上是空著的。網(wǎng)絡(luò)主模塊CQM1-SRM21-V：系統(tǒng)采用OMRON Compobus/網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以大大減少現(xiàn)場(chǎng)接線工作量，并有效延長(zhǎng)連接電纜的使用壽命，增加可靠性。機(jī)器人工作房?jī)?nèi)兩個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)上各安裝一塊遠(yuǎn)程從模塊，通過(guò)網(wǎng) 絡(luò)電纜和主模塊進(jìn)行通信，交換信息（ I/O 狀態(tài)刷新）。從模塊為 16點(diǎn)的遠(yuǎn)程輸入模

8、塊，其中低 8位分配 給該工位夾具上的氣缸檢測(cè)夾緊和松開(kāi)狀態(tài)使用，高八位分配給系統(tǒng)用于識(shí)別夾具編號(hào)，進(jìn)而設(shè)定和儲(chǔ)存 夾具控制信息，然后系統(tǒng)可以根據(jù)此信息來(lái)對(duì)不同夾具進(jìn)行相應(yīng)控制。I/O 輸入輸出模塊：輸入模塊用于接收機(jī)器人工作房中各按鈕、傳感器等信號(hào)，輸出模塊用于控制各種執(zhí) 行器件，如氣缸、電機(jī)、機(jī)器人等根據(jù)工藝要求進(jìn)行動(dòng)作，滿足生產(chǎn)和安全的需要。機(jī)器人的控制由主控 系統(tǒng)通過(guò)與機(jī)器人控制器之間的 I/O 信號(hào)交換來(lái)實(shí)現(xiàn)。2、機(jī)器人控制系統(tǒng) 機(jī)器人控制系統(tǒng)由機(jī)器人控制器、外軸控制器、焊機(jī)等構(gòu)成；在控制屬性上，機(jī)器人控制系統(tǒng)是下層，是 被控制的對(duì)象，它受上層主控系統(tǒng)的指揮和調(diào)用，處于被動(dòng)地位。機(jī)器

9、人控制器由電源模塊、CPU伺服控制單元、輸入輸出模塊、焊機(jī)接口模塊等組成，用以控制機(jī)器人本體的自如運(yùn)動(dòng)， 控制方法為程序示教和再現(xiàn)法，這是通過(guò)連接于控制器上的 TP （Teach-Pandent 示教器 ） 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。外軸控制器 它是機(jī)器人控制器的擴(kuò)展，內(nèi)含一個(gè)伺服放大模塊，可以同時(shí)控制兩個(gè)外軸的運(yùn)動(dòng)。由于這兩個(gè)外軸是機(jī) 器人控制器的一部分，所以它們可以在機(jī)器人本體移動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將焊接軌跡中通常需要由外 軸單獨(dú)回轉(zhuǎn)的時(shí)間節(jié)約下來(lái)，提高了焊接效率。焊機(jī)控制器用于控制弧焊時(shí)的規(guī)范，如電流、電壓、焊絲的送給、焊接保護(hù)氣體通斷等，對(duì)焊接質(zhì)量的控制起關(guān)鍵作用。關(guān)鍵控制方法研究客戶要求中關(guān)鍵及難

10、點(diǎn)在于：多套夾具能在一套系統(tǒng)中共存，夾具的更換時(shí)間不應(yīng)超過(guò)五分鐘，新制夾具 加入系統(tǒng)時(shí)，無(wú)需改動(dòng) PLC程序，做到自動(dòng)識(shí)別和控制（即所謂的柔性控制），且系統(tǒng)中的夾具可擴(kuò)展容 量不應(yīng)小于 100 臺(tái) / 套。1夾具控制字的形成控制對(duì)象特點(diǎn)主要控制對(duì)象為夾具上的氣缸，每套夾具上的氣缸數(shù)量可能不一樣，但總數(shù)不超過(guò)4 組，每組氣缸使用一個(gè)三位五通電磁閥，這樣每套夾具有2x4=8個(gè)輸出點(diǎn)控制電磁閥動(dòng)作，有兩個(gè)工位總共16個(gè)輸出點(diǎn)；同時(shí)為了檢測(cè)氣缸的夾緊或松開(kāi)狀態(tài)，每組氣缸配有兩個(gè)傳感器（干簧管磁性開(kāi)關(guān)），每套夾具2x4=8 點(diǎn)輸入；鑒于夾具識(shí)別的需要， 另分配 8點(diǎn)輸入用于以兩進(jìn)制識(shí)別不同夾具， 這樣每

11、個(gè)工位上的 16點(diǎn)遠(yuǎn)程輸入模塊 正好用足，且?jiàn)A具最大可擴(kuò)展數(shù)量為20+21 +"26+27=28=256理論上兩工位有 2x256=512套夾具容量，已足夠。控制特征夾具上四組氣缸分別稱為第 1、2、3、4組，在控制上的特征是：夾緊時(shí)的順序?yàn)? 號(hào)夾緊， 1 號(hào)夾緊到位后2號(hào)夾緊， 依此類推， 全部氣缸都夾緊后啟動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行焊接作業(yè)； 待機(jī)器人焊接完成后氣缸逐次松開(kāi)， 通常的順序與夾緊時(shí)相反。根據(jù)夾具制造時(shí)的使用要求和工件焊接工藝的不同，有些夾具氣缸數(shù)量可能少于四；有些氣缸的夾緊或松 開(kāi)位置可能不必要進(jìn)行檢測(cè)等情況，設(shè)想在程序數(shù)據(jù)區(qū)中開(kāi)辟若干存儲(chǔ)區(qū)間，分別用于存放該套夾具上的 每組氣

12、缸實(shí)際是否存在，每組氣缸的傳感器是否需要檢測(cè)等信息。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方式為了適應(yīng)更多的情況，每類信息分別形成數(shù)據(jù)后在相鄰的數(shù)據(jù)區(qū)儲(chǔ)存，每套夾具包含的信息暫定為3類:氣缸使用字、夾緊檢測(cè)字、松開(kāi)檢測(cè)字，再加上1個(gè)備用字，故夾具控制字長(zhǎng)度為四個(gè)字；該信息可存放于以?shī)A具編號(hào)作為索引間接尋址的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，當(dāng)需要控制時(shí)可由系統(tǒng)將夾具信息再次尋址調(diào)岀，按固定格式對(duì)夾具氣缸進(jìn)行控制，具體內(nèi)容見(jiàn)表 1 :弟組汽缸 信息、位Dn>0韶二組W ®&位 On. 1第三組氣缸 倍息位Dm 2弟四粗氣缸ISSft bn. 3吒缸粳用字：D1=便用0=不用0=不用i=IS 用0=不用1=粳用0=不用夾黑檢測(cè)

13、家DT尸檢測(cè) g不檢測(cè)尸檢測(cè)0=不檢測(cè)1=檢測(cè) 0=不檢測(cè)1=樓測(cè) g不斕松開(kāi)檢測(cè)宇：IH2仔檢測(cè) 0=不檢測(cè)檢測(cè)0=不檢測(cè)1=檢測(cè)0=不檢測(cè)不檢測(cè)M3注F*Dn=D或D.Dn, 4n,保留L5保留不用.保留保留2夾具自動(dòng)識(shí)別的實(shí)現(xiàn):硬件組成主要依賴夾具接線盒中的識(shí)別芯片，該芯片其實(shí)只是一塊小線路板，裝了一塊8位DIP撥碼開(kāi)關(guān)，通過(guò)二進(jìn)制方式來(lái)表明該夾具的編號(hào)，每套夾具上都安裝了一個(gè)接線盒，通過(guò)這種方式從硬件上來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具的編碼，既簡(jiǎn)單也實(shí)用，且容易實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn):PLC程序上，每次程序循環(huán)中都對(duì)遠(yuǎn)程模塊上對(duì)應(yīng)于夾具編號(hào)的輸入點(diǎn)進(jìn)行掃描，并放入暫存區(qū)，同時(shí)與記憶區(qū)中的夾具編號(hào)進(jìn)行比較。如果兩者

14、相同，則表明該工位上的夾具狀態(tài)正常，無(wú)需任何動(dòng)作；如果不 同，則提示夾具編號(hào)變化，需操作員確認(rèn)，此時(shí)又分為兩種情況： 有新夾具換上工作臺(tái)， 且系統(tǒng)已經(jīng)正確識(shí)別出新放入的夾具的編號(hào)， 那么操作員需要在觸摸屏上確認(rèn)該 夾具編號(hào)的正確性。如果放上的夾具以前從未在該系統(tǒng)中使用過(guò)，則需對(duì)該夾具的控制字進(jìn)行正確設(shè)置后寫(xiě)入PLC數(shù)據(jù)區(qū)；如果該夾具曾經(jīng)在本系統(tǒng)中使用過(guò)至少一次，即數(shù)據(jù)區(qū)中保留有該夾具號(hào)對(duì)應(yīng)的控制信 息，那么操作員在確認(rèn)夾具編號(hào)后，該夾具的控制信息會(huì)由系統(tǒng)以間接尋址方式自動(dòng)調(diào)用出來(lái)，并顯示在 觸摸屏上，確認(rèn)無(wú)誤，即可開(kāi)始生產(chǎn)。 由于硬件故障（連線斷裂、網(wǎng)絡(luò)故障等）造成自動(dòng)識(shí)別出的夾具編號(hào)與實(shí)際不

15、符時(shí)，（識(shí)別出錯(cuò)）可通 過(guò)強(qiáng)行寫(xiě)入正確夾具編號(hào)的方式來(lái)讓系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式進(jìn)行生產(chǎn)，待完成任務(wù)后再進(jìn)行維修等操作， 以緩解生產(chǎn)壓力。綜合兩點(diǎn)可知，夾具識(shí)別流程如圖 5 :圖5夾具識(shí)別流程圖3多夾具系統(tǒng)氣缸柔性控制6:根據(jù)夾具控制特點(diǎn)，各氣缸由電磁閥控制，按工藝要求進(jìn)行先后動(dòng)作，編制程序如圖圖6具夾緊流程梯形圖在程序條“0”中，200通道為夾緊流程控制字，需要夾緊時(shí)將1寫(xiě)入200通道，則200.00位成為一號(hào)氣缸夾緊動(dòng)作標(biāo)志位；條“1”中，HR40.00為根據(jù)間接尋址查表得到的該夾具控制字中一號(hào)氣缸的啟用標(biāo)志， 如果該標(biāo)志為1，則在200.00位為1的條件下，右側(cè)的輸出201.00為ON此時(shí)一號(hào)氣缸夾緊電磁閥通電， 產(chǎn)生氣缸夾緊動(dòng)作；當(dāng)程序檢測(cè)到該氣缸夾緊后，一號(hào)夾緊標(biāo)志位HR65.00為ON所以輸出200.01為ON并自保，同時(shí)切斷201.00的通路，使201.00為OFF, 號(hào)氣缸夾緊電磁閥斷電，不再動(dòng)作，此