汽車白車身機(jī)器人焊裝中的干涉區(qū)控制研究

王健強(qiáng), 王華國(guó), 童育華, 李 斌

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

0 引 言

當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)已在軍事、航天、工業(yè)、類人以及仿生等多方面發(fā)展,借助先進(jìn)的控制、傳感和通訊技術(shù),機(jī)器人變得更加智能。在工業(yè)領(lǐng)域,IP67甚至更高防護(hù)等級(jí)設(shè)備的開發(fā),使機(jī)器人具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)使機(jī)器人具備超強(qiáng)辨別能力。但在高速自動(dòng)化的生產(chǎn)車間,運(yùn)動(dòng)設(shè)備之間發(fā)生碰撞的可能性卻不斷增加。目前國(guó)內(nèi)外常見的解決措施有如下幾種：①進(jìn)行物理上絕對(duì)隔離,如將機(jī)器人與其它運(yùn)動(dòng)設(shè)備的作業(yè)空間隔離開,這樣會(huì)浪費(fèi)大量空間;②借助人工示教方式,使機(jī)器人對(duì)障礙物進(jìn)行有效避讓,如點(diǎn)焊機(jī)器人在進(jìn)行車體焊接時(shí),通過(guò)大量輔助點(diǎn)來(lái)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)位置;③借助高靈敏度傳感系統(tǒng),機(jī)器人在發(fā)生碰撞的瞬間將速度降為零或是觸發(fā)中斷程序使機(jī)器人向反方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行避讓,以故障的形式告知操作者,如弧焊系統(tǒng)中防碰撞裝置在機(jī)器人碰撞的瞬間發(fā)出碰撞信號(hào)。以上諸多方式共同的特點(diǎn)是設(shè)備間運(yùn)動(dòng)空間無(wú)法重疊。在機(jī)器人智能控制系統(tǒng)的幫助下,利用機(jī)器人語(yǔ)言進(jìn)行邏輯控制,機(jī)器人作業(yè)空間可重疊,在任意一方進(jìn)入干涉區(qū)之前進(jìn)行判斷,直到干涉區(qū)條件滿足,才能進(jìn)入,這樣可以有效地避免碰撞的發(fā)生,也不會(huì)影響生產(chǎn)效率。

在各汽車廠家對(duì)質(zhì)量和效率的不懈追求的同時(shí),安全愈來(lái)愈多地得到重視,尤其是在自動(dòng)化程度較高的焊裝車間和總裝車間,大量的焊接機(jī)器人和裝配機(jī)械手的出現(xiàn),造成了許多危險(xiǎn)區(qū)域。其主要表現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)設(shè)備之間的干涉問(wèn)題,這些問(wèn)題的解決依賴于機(jī)器人與其它運(yùn)動(dòng)設(shè)備之間的協(xié)調(diào)與配合。

本文研究的是德國(guó)KUKA機(jī)器人在某焊裝線中的應(yīng)用,通過(guò)干涉區(qū)的創(chuàng)建和設(shè)置,在軟件中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與其它設(shè)備之間的運(yùn)動(dòng)互鎖,從而保障了相關(guān)設(shè)備之間的安全。在通訊上,采用Profibus通訊協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行信息交互,保障信息可靠性和傳輸穩(wěn)定性,增強(qiáng)系統(tǒng)的柔性[1]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成分析

1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本研究對(duì)象針對(duì)的是國(guó)內(nèi)某汽車廠家一條使用了近60臺(tái)機(jī)器人、可容納3種車型的混合柔性焊裝線,本文主要涉及其中UB(Under Body)線中的單個(gè)機(jī)器人工作站,通過(guò)此應(yīng)用實(shí)例來(lái)闡述、分析和解決問(wèn)題。如圖1所示,其硬件組成部分有：1個(gè)滾床(Roller)工位及其線體,1個(gè)輔助中轉(zhuǎn)臺(tái)(Assistant table),2把OBARA固定式焊鉗(Gun1與Gun4),2把OBARA工頻焊鉗,2臺(tái)OBARA電極修磨器,3套板件輸送設(shè)備(Conveyer),3套機(jī)器人抓具,5臺(tái)KUKA機(jī)器人(R1～R5)。

圖1 系統(tǒng)布局

1.2 工作原理及流程

汽車底板由發(fā)動(dòng)機(jī)艙(前底板)、中底板和后底板拼接而成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)3塊底板的輸送順序,此工位的工作流程是發(fā)動(dòng)機(jī)艙由發(fā)動(dòng)機(jī)艙焊接工位完成,從輸送裝置2(Conveyer 2)傳遞過(guò)來(lái),再通過(guò)空中輸送到滑橇上定位裝夾;后底板先由手工工位完成焊接,輸送裝置1輸送至抓取位,通過(guò)機(jī)器人R1抓起至固定焊槍Gun1進(jìn)行補(bǔ)焊,然后再抓送至滑橇上進(jìn)行定位、裝夾;中底板由手工焊接完成部分焊點(diǎn),輸送裝置3輸送至抓取位,再利用機(jī)器人R4抓取,在固定焊槍Gun4進(jìn)行補(bǔ)焊,完成后抓送至輔助中轉(zhuǎn)臺(tái),此時(shí),機(jī)器人R5進(jìn)行工件抓取,并對(duì)滾床上工件裝夾狀態(tài)進(jìn)行判斷,待前后底板均裝夾完畢后,R5將中底板抓送至滑橇上定位;機(jī)器人R2和R3進(jìn)行焊接,焊接完成后,機(jī)器人R5抓手脫離工件返回,等待下一輪循環(huán)。此工作流程如圖2所示。

圖2 上件流程

1.3 系統(tǒng)控制方式

考慮到現(xiàn)場(chǎng)情況和安全性要求,本系統(tǒng)采用總線控制方式,形成2層網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu),即主網(wǎng)絡(luò)(如圖3所示)和子網(wǎng)絡(luò)[2]。Profibus是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化[3]。其中Profibus-DP是一種高速(數(shù)據(jù)傳輸速率9.6～12000 kb/s)的經(jīng)濟(jì)的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò),主要用于現(xiàn)場(chǎng)控制器與分散I/O之間的通信,可滿足交直流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時(shí)間要求,根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要,本系統(tǒng)采用Profibus-DP總線。

KUKA機(jī)器人自身帶有可編程邏輯處理軟件SoftPLC,可以取代實(shí)際的硬件PLC,其中機(jī)器人前96對(duì)I/O就是專門用于和自身SoftPLC進(jìn)行通信。KUKA機(jī)器人控制系統(tǒng)又提供了西門子CP5614卡[2,3],作為Profibus總線的一種標(biāo)準(zhǔn)通信卡,此板卡提供了豐富的通信資源,機(jī)器人程序可以對(duì)其提供的1024個(gè)I/O進(jìn)行直接編程。其中,R1為主網(wǎng)絡(luò)中的Master(主站),R2～R5作為主網(wǎng)絡(luò)中的Slave(從站),部分也扮演子網(wǎng)絡(luò)中的Master角色。機(jī)器人的各種外設(shè)I/O也根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)固定分配在不同的地址段,這樣機(jī)器人和外部設(shè)備的接口就通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的方式做到統(tǒng)一,方便后期的編程。其中3臺(tái)機(jī)器人的抓具的控制采用閥島模塊SMC VALVE UNIT,用于抓具上的夾爪控制。此閥島集成了支持Profibus-DP總線協(xié)議的EX245-SPR1-X35等總線通訊模塊,作為從站的KUKA機(jī)器人R2～R4通過(guò)Profibus總線與主機(jī)器人之間進(jìn)行通訊。而其余工作站內(nèi)公共設(shè)備,如滾床、傳送帶、安全門、光柵等信號(hào)通過(guò)Siemens提供的ET200S現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程模塊來(lái)進(jìn)行收發(fā)處理,再通過(guò)Profibus總線與主站機(jī)器人進(jìn)行通訊。硬件組態(tài)如圖3所示,其中3號(hào)地址給ET200S模塊使用,4、5、6分別作為SMC閥島模塊通訊總線地址,10以后的地址分給KUKA機(jī)器人。

圖3 PLC硬件組態(tài)

KUKA機(jī)器人提供了一個(gè)除主循環(huán)函數(shù)之外的自運(yùn)行函數(shù)“SPS”,只要機(jī)器人程序開機(jī)并且相關(guān)的程序沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤,SPS程序就在后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行。利用SPS和機(jī)器人應(yīng)用主程序是2個(gè)相互獨(dú)立進(jìn)程的特性,多使用SPS函數(shù)和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、各種狀態(tài)監(jiān)控、電極壽命監(jiān)控管理以及其它的一些非常規(guī)應(yīng)用,提高編程的靈活性。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)2個(gè)機(jī)器人外接ET200M現(xiàn)場(chǎng)模塊收發(fā)焊鉗大小開、打點(diǎn)動(dòng)作、水、氣等信號(hào);所有抓具均通過(guò)總線與自身機(jī)器人進(jìn)行信號(hào)交互。在這些子網(wǎng)絡(luò)中,機(jī)器人都充當(dāng)Master,將一些需要與PLC進(jìn)行交互的信號(hào)通過(guò)SPS實(shí)時(shí)傳遞,發(fā)往主網(wǎng)絡(luò)中Master機(jī)器人,再由主網(wǎng)絡(luò)中Master機(jī)器人的 SPS傳遞給SoftPLC,實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)交互。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)Profibus總線控制方案,實(shí)現(xiàn)雙層網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu),方便項(xiàng)目前期的硬件設(shè)計(jì)和后期現(xiàn)場(chǎng)的安裝和調(diào)試,簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)布線的繁雜工作,也美化了現(xiàn)場(chǎng),可以使控制方案達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化,提高設(shè)計(jì)和安裝的效率。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線在從站發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響其它從站的工作,可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分批調(diào)試,具有相同IO配置設(shè)備的控制軟件可以直接進(jìn)行移植。

2 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及干涉區(qū)

2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)問(wèn)題分析

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,為保證節(jié)拍,必須提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度。在工作中希望設(shè)備能避免由于等待而出現(xiàn)的時(shí)間延誤現(xiàn)象,所以有時(shí)需要多臺(tái)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行,這就需要設(shè)備之間進(jìn)行很好的時(shí)空上的協(xié)調(diào)。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,任何運(yùn)動(dòng)設(shè)備之間在空間上存在重疊區(qū)域時(shí),都可能會(huì)產(chǎn)生碰撞問(wèn)題。例如,機(jī)器人R1在抓取位取件的時(shí)候,可能會(huì)與夾具之間發(fā)生空間上的干涉,離去的時(shí)候,夾具要及時(shí)打開到位。同樣,機(jī)器人R4在傳送裝置3的抓取位進(jìn)行抓件時(shí),要避免與運(yùn)動(dòng)夾具間干涉。在中轉(zhuǎn)臺(tái)上,機(jī)器人R4和R5要進(jìn)行工件轉(zhuǎn)接任務(wù),在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要控制好各自的運(yùn)動(dòng)時(shí)序。最后,在中底板進(jìn)行補(bǔ)焊過(guò)程中,共有3臺(tái)機(jī)器人將會(huì)處在工作區(qū)域內(nèi),機(jī)器人 R2和R3在各自焊接時(shí)既要避免相互之間發(fā)生干涉,又要考慮與機(jī)器人 R5之間的干涉問(wèn)題。焊接完成,機(jī)器人R5要在滾床夾具打開后,才能打開自身夾爪離開工作區(qū)域。

2.2 干涉區(qū)設(shè)定

在傳統(tǒng)防干涉問(wèn)題中,采用上述幾種方式來(lái)實(shí)現(xiàn),浪費(fèi)大量作業(yè)空間。而通過(guò)時(shí)間上的互鎖,在某個(gè)運(yùn)動(dòng)結(jié)束后,才允許其它運(yùn)動(dòng)進(jìn)行,這些互鎖很可靠,可輕易地在PLC中實(shí)現(xiàn);但這種做法是利用犧牲大量的工作時(shí)間來(lái)?yè)Q取絕對(duì)的安全性,造成了大量不必要的時(shí)間損耗[4],且時(shí)序缺乏靈活性,特別是在這種規(guī)模龐大的焊裝線中,會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)拍[5]。在本系統(tǒng)中,將這些空間上的干涉問(wèn)題用干涉區(qū)這一概念來(lái)描述,具體設(shè)置在程序中進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)備的運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)所有可能有干涉的地方,都劃分出一塊盡可能小的區(qū)域,作為干涉區(qū),此干涉區(qū)內(nèi)同時(shí)最多只允許1臺(tái)運(yùn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)入,請(qǐng)求進(jìn)入順序是隨機(jī)的。本系統(tǒng)所有的干涉區(qū)見表1所列。

這里的干涉區(qū)具有安全性和盡可能小2大特點(diǎn)。其中,為了保障安全性,每次最多只允許1個(gè)設(shè)備進(jìn)入干涉區(qū);而盡可能小的特點(diǎn),可以保障設(shè)備在更多空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)不受制約,可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍的優(yōu)化。

表1 系統(tǒng)干涉區(qū)分布

3 控制方案

德國(guó)KUKA機(jī)器人向客戶提供了豐富的機(jī)器人語(yǔ)言和相關(guān)系統(tǒng)信息,客戶可以根據(jù)自身實(shí)際需要,在機(jī)器人內(nèi)部開放的庫(kù)函數(shù)中隨意開發(fā)新的功能。

將上述這些干涉區(qū)分為3類,即機(jī)器人與線體、機(jī)器人與機(jī)器人以及機(jī)器人抓具與夾具之間干涉問(wèn)題。無(wú)論是哪一類,在運(yùn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)入干涉區(qū)之前都要進(jìn)行請(qǐng)求,PLC經(jīng)過(guò)判斷,給出干涉區(qū)狀態(tài),決定其進(jìn)入與否。所以,邏輯上是一致的,可以利用3類結(jié)構(gòu)相同的機(jī)器人程序塊來(lái)表達(dá)3類干涉區(qū)的邏輯,由機(jī)器人應(yīng)用主程序分別調(diào)用。這3類函數(shù)庫(kù)分別是Area Logic、Collision Logic和Tool Logic[6]。

每個(gè)干涉區(qū)通過(guò)設(shè)定的3個(gè)變量(Request、Release以及Ready)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與PLC之間的信號(hào)交互,就可以得出干涉區(qū)的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)目的。其中機(jī)器人給 PLC的信號(hào)是“請(qǐng)求(Request)”和“釋放(Release)”,而 PLC 經(jīng)過(guò)邏輯處理,給機(jī)器人的信號(hào)是“區(qū)域空(Ready)”。

當(dāng)機(jī)器人需要進(jìn)入某干涉區(qū)的時(shí)候,調(diào)用Collision Logic中的 antcol-req()函數(shù),在 Ready==0時(shí),此函數(shù)將Request置 1,向 PLC發(fā)出進(jìn)入干涉區(qū)的請(qǐng)求。當(dāng)所有相關(guān)設(shè)備的Release==1并且Request==0,即區(qū)域內(nèi)無(wú)相關(guān)設(shè)備的時(shí)候,PLC將干涉區(qū)空的信號(hào)Ready置1。此時(shí),機(jī)器人antcol-req()函數(shù)將Release信號(hào)清0。在此機(jī)器人離開干涉區(qū)時(shí),調(diào)用antcol-rel()函數(shù),將 Request清0,Release置1。PLC 將 Ready清0,準(zhǔn)許下一設(shè)備進(jìn)入。

如圖4所示,在logic里面編寫的antcol-req()和antcol-rel()等庫(kù)函數(shù),共需 6個(gè),然后通過(guò)示教生成的機(jī)器人應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)用,從而機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可實(shí)時(shí)地進(jìn)行判斷和處理干涉區(qū)安全問(wèn)題。圖4所示是KUKA機(jī)器人內(nèi)部的程序結(jié)構(gòu),在自動(dòng)模式下機(jī)器人由PLC啟動(dòng)后,就不斷地運(yùn)行在CELL函數(shù)的LOOP循環(huán)中,等待PLC根據(jù)車型信息傳來(lái)的程序號(hào),若是第1種車型就調(diào)用P01(),第2種車型就調(diào)用P02(),依此類推。若是電極需要修磨,則調(diào)用tipdress1();若是更換電極及進(jìn)行焊槍、抓具等現(xiàn)場(chǎng)維護(hù),則調(diào)用service1()。當(dāng)進(jìn)入P01()程序后,繼續(xù)調(diào)用各種表達(dá)工藝的函數(shù),完成取工具、取件、上件、換工具、焊接等工藝流程。在這些應(yīng)用函數(shù)中,要大量調(diào)用logic()函數(shù)里面的功能庫(kù)函數(shù),這些庫(kù)函數(shù)是支撐整個(gè)機(jī)器人程序安全可靠運(yùn)行的保障[7]。

圖4 機(jī)器人程序架構(gòu)

機(jī)器人R5放件示教程序,如圖5所示。程序的結(jié)構(gòu)是先初始化,進(jìn)行區(qū)域干涉區(qū)(機(jī)器人與線體之間)請(qǐng)求(調(diào)用AREA-REQ2函數(shù)),當(dāng)條件滿足之后,再進(jìn)行碰撞干涉區(qū)進(jìn)入的請(qǐng)求(調(diào)用ACOL-REQ2和A-COL-REQ3函數(shù))。等滿足條件I-CRDY=1之后,R5方可進(jìn)入,運(yùn)動(dòng)到位后向PLC給出前兩區(qū)域釋放命令。向PLC發(fā)出線體夾具夾緊請(qǐng)求TOOL-REQ1,待夾緊完成后給出釋放信號(hào)TOOL-REL1,然后向PLC發(fā)送夾緊動(dòng)作完成信號(hào)。這樣,等工作一段時(shí)間之后,進(jìn)行離開的區(qū)域請(qǐng)求(調(diào)用AREA-REQ3函數(shù)),再判斷與機(jī)器人R2和R3的干涉區(qū)情況,安全之后請(qǐng)求并打開機(jī)器人抓具上的夾爪,離開。發(fā)送工件脫離的信號(hào)給PLC,最后釋放碰撞干涉區(qū)以及區(qū)域干涉區(qū),發(fā)出機(jī)器人自身工作完成信號(hào)[8]。

圖5 機(jī)器人放件示教程序

在定義干涉區(qū)時(shí),只能從空間上去考慮干涉問(wèn)題,不能考慮工作時(shí)間先后性,因?yàn)闀r(shí)間上的避讓是不可靠的。要求機(jī)器人在調(diào)用antcol-req()和antcol-rel()函數(shù)時(shí)的位置要求在干涉區(qū)之外且離干涉區(qū)最近的點(diǎn),并且進(jìn)入干涉區(qū)的設(shè)備運(yùn)動(dòng)范圍不能超出干涉區(qū)的空間。干涉區(qū)每次隨機(jī)最多只允許1臺(tái)設(shè)備進(jìn)入,其它設(shè)備只有在干涉區(qū)外等待。所以,干涉區(qū)空間要盡可能小,才能保障所有設(shè)備能在最大時(shí)間內(nèi)同步運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際的項(xiàng)目應(yīng)用中,采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式,提高了通信的可靠性和實(shí)時(shí)性,實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)柔性設(shè)計(jì),也實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)控制的柔性。通過(guò)此干涉區(qū)的設(shè)定,很好地解決了運(yùn)動(dòng)設(shè)備之間的干涉問(wèn)題,很大程度上提升了設(shè)備運(yùn)動(dòng)的靈活性,即提高安全性,又優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍,更體現(xiàn)了運(yùn)行設(shè)備控制的智能化。這種控制方式以及干涉區(qū)的處理方式可以以一種標(biāo)準(zhǔn)化的形式固化下來(lái),形成干涉區(qū)處理的一種標(biāo)準(zhǔn)模式,可以在后期的實(shí)際項(xiàng)目中不斷應(yīng)用。

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