機器人在柔性制造系統中的應用

王曉玉 趙 智 化春雷 林劍鋒

（沈陽機床（集團）有限責任公司，遼寧沈陽 110142）

隨著汽車市場產品的更新要求加快，汽車制造越來越呈現出注重產品多元化、小批量生產和以市場需求為導向等發(fā)展新趨勢。因此，汽車零部件生產線也向著適應多品種、小批量、低成本的高速化、柔性化和高效設備的生產方式發(fā)展。作為汽車零部件之一的汽車輪轂，其市場需求量大，單純使用人工進行加工不僅生產效率低，而且勞動強度大，難以保證生產的連續(xù)性。

為了實現高速化、柔性化、自動化的輪轂生產單元，在輪轂生產的過程中，采用工業(yè)機器人代替人工操作，構成自動化生產單元或組成全自動生產線，進行高速、高效、高質量的輪轂生產，是現代輪轂生產技術的重要發(fā)展方向。

1 輪轂加工單元組成及功能

本輪轂加工單元為輪轂自動生產線，可同時加工1～5個輪轂，加工過程安全高效。輪轂加工單元由立式車削中心、立式加工中心、機器人、PLC單元、上位機監(jiān)控系統、厚度測量裝置、視覺檢測裝置和傳感器等設備組成，各工位布局如圖1所示。

2 機器人在輪轂加工單元中的應用

若要實現輪轂加工單元的自動化生產，機器人的應用是必不可少的。機器人在輪轂加工單元中的作用是通過接收PLC的控制信號，實現汽車輪轂從上料到加工完成所有工序的自動搬運功能。

機器人控制柜中主要由計算機控制系統、伺服驅動系統、I/O接口及示教編程器等構成。計算機控制系統是機器人控制的核心，機器人在運行過程中要求計算機控制系統隨時響應數據傳輸、方式切換等隨機發(fā)生多種動作;伺服驅動系統在計算機控制系統的控制下，控制并驅動各關節(jié)伺服電動機，實現機器人的運動控制;I/O接口通過硬線連接或總線的方式實現與外部控制系統或外部設備的通訊連接;示教編程器用于手動操作機器人動作，完成示教工作和參數設置、程序存取等系統基本操作。

2.1 機器人的組成

輪轂加工單元使用一臺機器人，可搬運重量為166 kg，未安裝手爪的情況下工作半徑為2 890 mm，機器人與控制柜之間通過纜線組連接，示教編程器與控制柜之間通過專用的電纜連接，如圖2所示。

機器人控制柜中包含著機器人的控制核心，電氣控制柜包含CPU單元、驅動單元、電源單元和電路保護器等部件，具體部分如表1所示。

表1 控制柜各部分概要

2.2 機器人外部I/O的硬件連接

控制柜通過I/O基板與控制其動作的外部PLC進行連接，I/O基板為選配件。該項目選用一片I/O基板，其中 CNIN端口為輸入信號，數量為32點，CNOUT端口為輸出信號，數量為32點。

由于機器人I/O基板的輸入為源型輸入（負邏輯），因此需要將PLC的輸出連接為漏型輸出（負邏輯），PLC輸出模塊的COM端接電源負極，連接方法如圖3所示。機器人I/O基板的輸出端子為漏型輸出（負邏輯），需要連接到源型的 PLC輸入（負邏輯），PLC輸出模塊的COM端接電源正極，如圖4所示。

2.3 機器人對外部信號的處理方式

在控制系統中，機器人的輸入輸出信號按照構造可分為邏輯信號和物理信號兩類。邏輯信號是從軟件側可存取的信號的總稱，物理信號是指被連接與DC24 V、工業(yè)總線等外界的輸入輸出信號的總稱。通常所說的控制裝置的輸入輸出信號指的是邏輯信號，可以在機器人程序和用戶程序中直接使用，I＊＊表示邏輯信號的輸入，O＊＊表示邏輯信號的輸出，X＊＊表示物理信號的輸入，Y＊＊表示物理信號的輸出，在程序中是不能直接使用物理信號的。控制裝置可以自由地將物理信號分配給邏輯信號，稱為“輸入輸出信號的分配”，如圖5所示。

將邏輯輸入輸出信號與物理介質的分配對應，并能夠自由地更換，這樣的功能稱為I/O區(qū)域映射功能。I/O區(qū)域映射可以通過示教編程器進行設定。

2.4 機器人的編程與操作

機器人的運送動作是采用示教的方式編程的，就是在手動的狀態(tài)下，調整機器人的動作，記錄動作中關鍵點的位置（如動作起點、抓取物體的位置點等），指定兩個動作點之間的運行速度，運行方式（直線、圓弧等）、定位精度和所使用的工具等。編好的機器人程序可以通過外部的I/O信號來觸發(fā)執(zhí)行，這就是機器人搬運的基本思想。在示教方式下操作機器人的前提是了解機器人的坐標系。

2.4.1 機器人的坐標系

對機器人進行操作時可以使用軸坐標、機械坐標和工具坐標3個坐標系，正確地判斷各個坐標系下機器人的動作方向對于機器人動作和姿態(tài)的調整是十分關鍵的。

我們所使用的機器人有6個軸，在軸坐標系的情況下，通過示教編程器的按鍵單獨控制每一個軸的動作，如圖6a所示。

圖6b表示的是機器人在機械坐標系下的運動方向情況，與軸坐標系的情況不同，使用機械坐標系時，機器人的動作是由多個軸同時運動產生的，合成運動使機器人的手端做直線或曲線運動，是調試機器人動作時常用的坐標系。

工具坐標系是以機器人手端安裝的工具作為參照的，其運動軌跡是使工具產生所需要的動作，工具的參數需要輸入到工具配置中，也可以通過示教程序使機器人自動獲得工具信息。

2.4.2 機器人示教編程的步驟

（1）選擇示教模式。

（2）輸入作業(yè)程序號碼。號碼的輸入范圍是0～9 999。

（3）記錄移動命令（動作位置與姿勢）。將機器人以手動操作移動到要記錄的位置，按下［覆蓋/記錄］以記錄步驟，重復地依序記錄步驟。

（4）如果需要，記錄應用命令。應用命令包括將信號輸出到外部、等待輸入信號、程序調用等非移動命令。

（5）將表示程序結束的終端命令（應用命令END＜FN92＞）加以記錄。

（6）進行示教內容的確認。依序移動至所記錄步驟，進行記錄位置或姿勢的確認。

（7）進行示教內容的修正。包括記錄點變更，步驟的追加及刪除，速度和插補方式修改等。

2.4.3 示教編程舉例

如圖7所示，使機器人自第1步驟移動至第5步驟，并記錄位置，在第6步驟，為使其與第1步驟位置相同，進行記錄位置的重合。

在示教編程器上產生的程序如圖8，圈中的100%表示再生時機器人的運行速度，用百分制表示;JOINT表示機器人在兩個動作點之間的內插種類（運動方式），具體情況見表2;A1表示通過步驟記錄點時，機器人的精度，分為8級A1～A8，其中A1精度最高;T1表示機器人當前所使用的工具（可以是搬運或焊接等工具）。

2.5 機器人程序的運行方式

輪轂加工單元一共包含9個工位，如圖1所示，根據輪轂加工工藝要求，在這9個工位之間機器人一共要做8個搬運動作:

（1）1→2號位運送動作:將工件從上料區(qū)運送至儲料區(qū)。

（2）2→3號位運送動作:將工件從儲料區(qū)運送至立車轉臺進行反面加工。

（3）3→5號位運送動作:將工件從立車轉臺運送至沖洗工位。

（4）5→6號位運送動作:將工件從沖洗工位運送至測量站進行厚度測量。

（5）6→3號位運送動作:將工件從測量站運送至立車轉臺進行正面加工。

（6）6→9號位運送動作:將工件從測量站運送至廢料區(qū)。

（7）3→8號位運送動作:將工件從立車轉臺運送至視覺系統進行拍照，拍照完成后將工件運送至立加，并根據視覺系統提供的角度偏差進行調整。

（8）8→1號位運送動作:將工件從立加運送回上料區(qū)。

將這8個搬運動作分別示教編程為8個子程序，對應為子程序1～8，主程序中不執(zhí)行運送動作，根據PLC發(fā)送的輸入信號調用相應的子程序，實現所需要的搬運。輪轂加工單元中的各個工位是否滿足運送條件由PLC來判斷，并向機器人發(fā)出運送指令。子程序的執(zhí)行過程如圖9所示。

部分程序如下:

主程序:

子程序1:

3 結語

通過輪轂加工單元中機器人的應用，闡述了機器人使用過程中的連接方式，程序編制和運動時序控制等方法，為機器人在其他柔性生產線的進一步應用具有范例的作用。

［1］AX控制裝置操作說明書直到機器人運作［Z］.16版.不二越，2009.

［2］AX controller operating manual software PLC［Z］.4th ed.不二越，2009.