焊接機器人及其柔性夾具控制系統(tǒng)

1、焊接機器人及其柔性夾具控制系統(tǒng)2005-06-20 11:15:14 上?？藖頇C電自動化工程有限公司機器人應(yīng)用工程部  王衛(wèi)峰焊接機器人及柔性夾具控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由兩部分組成：機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機械系統(tǒng)包括機器人工作房、機器人本體、機器人外軸回轉(zhuǎn)臺及機器人周邊設(shè)備等；控制系統(tǒng)可分為機器人控制系統(tǒng)、工裝夾具識別及控制系統(tǒng)、人機界面等輔助單元。機械結(jié)構(gòu)1機器人工作房機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，焊接機器人在房間中央位置，左右對稱位置各有一個工作臺，分別由兩個機器人外軸電機直接驅(qū)動。兩工作臺之間有30°

2、;左右的夾角，機器人工作時可在兩工位之間切換，即機器人在左側(cè)工位焊接時，操作工可在右側(cè)工位上下料，同樣，當(dāng)機器人在右側(cè)工位工作時，操作工可在左側(cè)裝拆工件，這樣可使機器人停機等待時間大大減少，從而提高生產(chǎn)效率。在機器人和回轉(zhuǎn)臺之間有氣缸驅(qū)動的隔離裝置，它可以遮擋弧焊時產(chǎn)生的弧光和焊渣，并保護(hù)操作者在另一側(cè)操作時不受影響。在兩工位外側(cè)開了兩個門，以便操作，該門上方安裝了氣動門簾，焊接時可自動關(guān)上，以遮擋弧光和焊渣。圖1  機器人工作房頂視圖圖2  機器人工作房圖兩工位外側(cè)分別有一個雙手啟動操作盒，用以操作焊接夾具盒啟動機器人進(jìn)行焊接工作。在整個工作房的前側(cè)有

3、一個主操作面板，上面安裝了觸摸屏和若干按鈕，在此可以對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和操作。機器人工作房的外觀如圖2所示。2機器人本體 圖3  機器人本體我們采用的FANUC  ROBOWELD 100i系列焊接機器人是標(biāo)準(zhǔn)的六軸機器人，具有六個自由度，理論上可以達(dá)到運動范圍內(nèi)的任意一點，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，汽車零部件的焊接對機器人軌跡的重復(fù)定位精度有一定要求，一般應(yīng)小于0.5mm，而該機器人可達(dá)到0.2mm，可以滿足生產(chǎn)需要。此外，整車廠商對及時供貨和零庫存的要求決定了零部件廠商對生產(chǎn)效率的關(guān)注，所以對設(shè)備的自動化程度和

4、零件生產(chǎn)節(jié)拍有近乎苛刻的要求，F(xiàn)ANUC機器人2000mm/s的直線速度可以大大減少機器人軌跡中空行程所浪費的時間。機器人本體外形如圖3所示。3機器人外軸回轉(zhuǎn)臺外軸回轉(zhuǎn)臺由支架、驅(qū)動電機、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)由機器人外軸直接控制，除去了以往由PLC控制的轉(zhuǎn)臺單獨回轉(zhuǎn)、位置確認(rèn)以及與機器人通信等過程所增加的許多時間。由于該回轉(zhuǎn)臺主動側(cè)和從動側(cè)之間的跨度較大（1800mm），而且在工作時轉(zhuǎn)速又很高，因此對回轉(zhuǎn)臺在回轉(zhuǎn)時的跳動范圍是有一定要求的，需認(rèn)真調(diào)校才能使回轉(zhuǎn)臺在工作時運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，否則很容易引起電機過載、過熱等情況，嚴(yán)重時將損壞設(shè)備。4機器人周邊設(shè)備機器人焊接時

5、還需要用到其他輔助設(shè)備來使生產(chǎn)順利進(jìn)行，并減少停機時間、降低設(shè)備故障率、提高安全性等，所以，該機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。控制系統(tǒng)圖4  控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖該機器人工作房的控制系統(tǒng)可分為主控系統(tǒng)和機器人控制系統(tǒng)兩個層次，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 CQM1H系列中小型PLC，該機種采用非機架結(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)的模塊來組成所需的控制系。由于CQM1H

6、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潭取１究刂葡到y(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：這是整個系統(tǒng)的核心部分，支持最大數(shù)量為512點的I/O；支持OMRON特殊指令如PID控制、浮點數(shù)運算、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點直流1224V的輸入點。將編制好的程序下載運行后可維持系統(tǒng)的自動運行。該模塊提供一個RS232端口，和兩個內(nèi)裝板

7、插槽，RS232端口可以和其他串口設(shè)備進(jìn)行通訊，該系統(tǒng)中納入的一個觸摸屏TP，就是通過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)無特殊功能需求，所以該槽上是空著的。網(wǎng)絡(luò)主模塊CQM1-SRM21-V1：系統(tǒng)采用OMRON Compobus/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以大大減少現(xiàn)場接線工作量，并有效延長連接電纜的使用壽命，增加可靠性。機器人工作房內(nèi)兩個回轉(zhuǎn)臺上各安裝一塊遠(yuǎn)程從模塊，通過網(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點的遠(yuǎn)程輸入模塊，其中低8位分配給該工位夾具上的氣缸檢測夾緊和松開狀態(tài)使用，高八位分配給系統(tǒng)用于識別夾具編號，進(jìn)

8、而設(shè)定和儲存夾具控制信息，然后系統(tǒng)可以根據(jù)此信息來對不同夾具進(jìn)行相應(yīng)控制。I/O輸入輸出模塊：輸入模塊用于接收機器人工作房中各按鈕、傳感器等信號，輸出模塊用于控制各種執(zhí)行器件，如氣缸、電機、機器人等根據(jù)工藝要求進(jìn)行動作，滿足生產(chǎn)和安全的需要。機器人的控制由主控系統(tǒng)通過與機器人控制器之間的I/O信號交換來實現(xiàn)。2、機器人控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)由機器人控制器、外軸控制器、焊機等構(gòu)成；在控制屬性上，機器人控制系統(tǒng)是下層，是被控制的對象，它受上層主控系統(tǒng)的指揮和調(diào)用，處于被動地位。機器人控制器由電源模塊、CPU、伺服控制單元、輸入輸出模塊、焊機接口模塊等組成，用以控制機器人本體的自如運動，控制方法為程

9、序示教和再現(xiàn)法，這是通過連接于控制器上的TP (Teach-Pandent示教器) 來實現(xiàn)的。外軸控制器它是機器人控制器的擴展，內(nèi)含一個伺服放大模塊，可以同時控制兩個外軸的運動。由于這兩個外軸是機器人控制器的一部分，所以它們可以在機器人本體移動的同時進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而將焊接軌跡中通常需要由外軸單獨回轉(zhuǎn)的時間節(jié)約下來，提高了焊接效率。焊機控制器用于控制弧焊時的規(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)鍵及難點在于：多套夾具能在一套系統(tǒng)中共存，夾具的更換時間不應(yīng)超過五分鐘，新制夾具加入系統(tǒng)時，無需改動PLC程序，做到自動識別和控制（即所

10、謂的柔性控制），且系統(tǒng)中的夾具可擴展容量不應(yīng)小于100臺/套。1夾具控制字的形成控制對象特點主要控制對象為夾具上的氣缸，每套夾具上的氣缸數(shù)量可能不一樣，但總數(shù)不超過4組，每組氣缸使用一個三位五通電磁閥，這樣每套夾具有2x4=8個輸出點控制電磁閥動作，有兩個工位總共16個輸出點；同時為了檢測氣缸的夾緊或松開狀態(tài)，每組氣缸配有兩個傳感器（干簧管磁性開關(guān)），每套夾具2x4=8點輸入；鑒于夾具識別的需要，另分配8點輸入用于以兩進(jìn)制識別不同夾具，這樣每個工位上的16點遠(yuǎn)程輸入模塊正好用足，且夾具最大可擴展數(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?？刂?/p>

11、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：夾緊時的順序為1號夾緊，1號夾緊到位后2號夾緊，依此類推，全部氣缸都夾緊后啟動機器人進(jìn)行焊接作業(yè)；待機器人焊接完成后氣缸逐次松開，通常的順序與夾緊時相反。根據(jù)夾具制造時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位置可能不必要進(jìn)行檢測等情況，設(shè)想在程序數(shù)據(jù)區(qū)中開辟若干存儲區(qū)間，分別用于存放該套夾具上的每組氣缸實際是否存在，每組氣缸的傳感器是否需要檢測等信息。數(shù)據(jù)儲存方式為了適應(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)儲存，每套夾具包含的信息暫定為3類：氣缸使用字、夾緊檢測字、松開檢測字，

12、再加上1個備用字，故夾具控制字長度為四個字；該信息可存放于以夾具編號作為索引間接尋址的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，當(dāng)需要控制時可由系統(tǒng)將夾具信息再次尋址調(diào)出，按固定格式對夾具氣缸進(jìn)行控制，具體內(nèi)容見表1：2夾具自動識別的實現(xiàn)：硬件組成主要依賴夾具接線盒中的識別芯片，該芯片其實只是一塊小線路板，裝了一塊8位DIP撥碼開關(guān)，通過二進(jìn)制方式來表明該夾具的編號，每套夾具上都安裝了一個接線盒，通過這種方式從硬件上來實現(xiàn)對夾具的編碼，既簡單也實用，且容易實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)：PLC程序上，每次程序循環(huán)中都對遠(yuǎn)程模塊上對應(yīng)于夾具編號的輸入點進(jìn)行掃描，并放入暫存區(qū)，同時與記憶區(qū)中的夾具編號進(jìn)行比較。如果兩者相同，則表明該工位上的夾具

13、狀態(tài)正常，無需任何動作；如果不同，則提示夾具編號變化，需操作員確認(rèn)，此時又分為兩種情況： 有新夾具換上工作臺，且系統(tǒng)已經(jīng)正確識別出新放入的夾具的編號，那么操作員需要在觸摸屏上確認(rèn)該夾具編號的正確性。如果放上的夾具以前從未在該系統(tǒng)中使用過，則需對該夾具的控制字進(jìn)行正確設(shè)置后寫入PLC數(shù)據(jù)區(qū)；如果該夾具曾經(jīng)在本系統(tǒng)中使用過至少一次，即數(shù)據(jù)區(qū)中保留有該夾具號對應(yīng)的控制信息，那么操作員在確認(rèn)夾具編號后，該夾具的控制信息會由系統(tǒng)以間接尋址方式自動調(diào)用出來，并顯示在觸摸屏上，確認(rèn)無誤，即可開始生產(chǎn)。 由于硬件故障（連線斷裂、網(wǎng)絡(luò)故障等）造成自動識別出的夾具編號與實際不符時，（識別出錯）可通過強行寫入正確夾

14、具編號的方式來讓系統(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。綜合兩點可知，夾具識別流程如圖5：圖5  夾具識別流程圖3多夾具系統(tǒng)氣缸柔性控制根據(jù)夾具控制特點，各氣缸由電磁閥控制，按工藝要求進(jìn)行先后動作，編制程序如圖6：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，需要夾緊時將1寫入200通道，則200.00位成為一號氣缸夾緊動作標(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，此時一號氣缸夾緊電磁閥通電，產(chǎn)生氣缸夾緊動作；當(dāng)程序檢測到該氣缸夾緊后，一號夾緊標(biāo)志位HR65.00為ON，所以輸出200.01為ON，并自保，同時切斷201.00的通路，使201.00為OFF，一號氣缸夾緊電磁閥斷電，不再動作，此時一號氣缸夾緊動作完成；當(dāng)然，如果一號