DYNAX 系統(tǒng)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的仿真與應(yīng)用

楊寧 曹金學 秦基偉

（安徽埃夫特智能裝備有限公司，安徽蕪湖，241000）

0 引言

在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，工業(yè)機器人的應(yīng)用越來越廣泛，人們對機器人控制器的開放性要求也越來越高。20 世紀90年代,出現(xiàn)了基于計算機的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)。由于計算機發(fā)展迅速，性能不斷增強，且具有開放的總線結(jié)構(gòu)以及豐富的軟硬件資源，因此，基于計算機的新一代控制系統(tǒng)也成為工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的主流和發(fā)展方向：利用計算機進行顯示、信息輸入等非實時處理，插補運算、伺服控制等實時任務(wù)由運動控制器承擔。

1 基于DYNAX 系統(tǒng)的工業(yè)機器人

基于DYNAX 運動控制器的機器人控制系統(tǒng)能夠應(yīng)用安裝在QH-165C 工業(yè)機器人上，該機器人是奇瑞汽車股份有限公司自主研發(fā)的大負載工業(yè)機器人，最大負載165kg，有6 個自由度。QH-165C 工業(yè)機器人也是我國首臺自主研發(fā)的大負載工業(yè)機器人，各項性能參數(shù)達到國際先進水平。

1.1 負載及桿件參數(shù)

QH-165C 工業(yè)機器人示意圖見圖1，負載及具體的桿件參數(shù)如下：

負載：165kg

a1=0 a2=90° a3=0

a4=0 a5=0 a6=0

L1=680mm L2=1100mm L3=230mm

L4=1111mm L5=244mm L6=400mm L7=0

圖1 QH-165C 工業(yè)機器人模型結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 各軸轉(zhuǎn)角

a1(1 軸)：-180°～180°

a2(2 軸)： 30°～170°

a3(3 軸)∶ 0°～300°

a4(4 軸)∶ -360°～360°

a5(5 軸)∶ -125°～125°

a6(6 軸)：-360°～360°

1.3 單關(guān)節(jié)最大速度

a1 100°/s

a2 90°/s

a3 95°/s

a4 120°/s

a5 120°/s

a6 160°/s

2 QH-165C 機器人DYNAX 系統(tǒng)構(gòu)架

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2 DYNAX 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

DYNAX 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

1）該系統(tǒng)采用PC+PCI 運動控制卡的形式。

2）I/O 模塊與運動控制卡采用RS-422 通信的方式對I/O 進行控制。

3）示教器與工控機采用RS-485 通信的方式。通過示教器給上位機發(fā)送指令，上位機收到指令對控制卡進行操作，從而控制機器人運動。

4）驅(qū)動器與控制卡之間采用RS-485 通信。

2.2 上位機軟件

上位機程序由系統(tǒng)初始化界面、系統(tǒng)手動操作界面、I/O 模塊設(shè)置界面、驅(qū)動器伺服參數(shù)設(shè)置界面等組成。

初始啟動完成數(shù)據(jù)庫初始化、示教盒的通信連接、DYNAX 控制卡的通信建立、外部I/O的初始化等，啟動界面如圖3 所示。

圖3 上位機軟件啟動界面

2.2.1 手動操作界面

上位機軟件手動界面如圖4所示，這是機器人在關(guān)節(jié)坐標系、直角坐標系、工具及自定義坐標系下的運動界面。

圖4 上位機軟件手動界面

在關(guān)節(jié)坐標系下，執(zhí)行CDYNAX∶∶Move_Jog( BYTE axis,BYTE dir)命令，即執(zhí)行DYNAX 的JOG 運動，當松開控制鍵盤時運動停止。

在直角坐標系下，執(zhí)行CDYNAX∶∶Move_ML(int route, int dir,float speed)命令，即是在ML 函數(shù)中順序執(zhí)行：CAM 模式設(shè)定；新建CAM 運動線程；根據(jù)速度、方向進行正逆解算法；CAM 數(shù)據(jù)設(shè)置；CAM 數(shù)據(jù)獲??；CAM 數(shù)據(jù)下傳；CAM 運動。完成后再重新正逆解循環(huán)執(zhí)行，直至運動線程結(jié)束。

在工具坐標系下，命令執(zhí)行過程與直角坐標系下相同，但正逆解算法有所差異。

在程序界面運行MJ 時執(zhí)行步驟：

1）獲取程序執(zhí)行各軸角度值；

2）計算各軸所需運動脈沖數(shù)；

3）PTP 運動或者采用CAM 模式運動相應(yīng)的脈沖數(shù)。

當采用PTP 運動時，要根據(jù)脈沖數(shù)計算各軸的速度；當采用CAM 模式運動時，要進行每個時間間隔脈沖數(shù)的計算，每個功能使用專用的函數(shù)完成。

2.2.2 I/O 模塊

DYNAX 控制器可支持256 個輸入（I）及256 個輸出（O），I/O 分布在16 個I/O 板上，每個I/O 板有16 個輸入和16 個輸出。通過控制函數(shù)，操作人員可實現(xiàn)對I/O 的監(jiān)控及設(shè)置。

2.2.3 驅(qū)動器伺服參數(shù)設(shè)置模塊

驅(qū)動器伺服參數(shù)設(shè)置模塊界面如圖5 所示，其中：

G 縮小伺服比例增益調(diào)整；

P 比例增益調(diào)整；

I 積分增益調(diào)整；

D 微分增益調(diào)整；

Rg 縮小G 的值；

Rp 縮小G 的值；

Ri 縮小G 的值；

Rd 縮小G的值。

操作人員通過更改以上參數(shù)，可以調(diào)整機器人伺服系統(tǒng)。

該設(shè)置僅在出廠前進行設(shè)置，以保證機器人出廠時運行狀態(tài)良好。

圖5 驅(qū)動器配置文件

3 DYNAX 系統(tǒng)機器人的示教特點

工業(yè)機器人由本體、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及示教系統(tǒng)四個基本部分組成。在生產(chǎn)過程中，操作人員使用示教器(即示教系統(tǒng))將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按要求的動作順序和運動軌跡運動，在示教的同時，機器人工作程序的信息被自動存入程序存儲器中。

在機器人自動運行時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中調(diào)用相應(yīng)信息，將指令信號傳給驅(qū)動機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作以及I/O 信號的輸入輸出狀態(tài)，完成焊接、搬運等動作。

也可通過離線編程的形式對機器人進行動作以及信號仿真，從而得到運動程序并導入機器人控制系統(tǒng)中，再通過操作人員進行校正，實現(xiàn)機器人運動工作程序的編寫。

4 焊接搬運生產(chǎn)線的構(gòu)建

QH-165C工業(yè)機器人是高負載機器人，已成功應(yīng)用于汽車焊接以及搬運生產(chǎn)線系統(tǒng)中。整個系統(tǒng)采用PLC 控制，機器人作為PLC 從站，PLC 發(fā)送焊接等信號給機器人，機器人作為執(zhí)行機構(gòu)完成焊接、搬運等工作。系統(tǒng)流程圖如圖6 所示。

圖6 機器人焊接系統(tǒng)工作流程圖

5 離線仿真

DYNAX 系統(tǒng)機器人可以在離線仿真軟件中，對機器人現(xiàn)場環(huán)境以及工作節(jié)拍進行深入仿真。

機器人搬運、焊接離線編程及仿真技術(shù)是利用計算機圖形學的成果，在計算機中建立機器人及工作環(huán)境的模型，通過對模型的控制和操作，在不使用實際機器人的情況下進行編程，進而產(chǎn)生機器人程序。

具體仿真過程是：首先將DYNAX 系統(tǒng)的機器人模型以及夾具數(shù)模導入仿真軟件中，確定離線仿真中各工位夾具以及機器人位置、設(shè)置機器人與夾具間的干涉區(qū)、選擇焊接參數(shù)等；其次，在擬態(tài)環(huán)境中對機器人進行示教編程，優(yōu)化機器人運動軌跡，計算出生產(chǎn)線的工作節(jié)拍。

圖7 所示的焊接搬運生產(chǎn)線采用DYNAX 系統(tǒng)機器人，整條生產(chǎn)線采取PLC 控制，共計四個工位，右起：一工位為運送外板工位，二工位進行內(nèi)板放置以及焊接，三工位為補焊工位，四工位為焊接完成搬運至自行小車工位。

圖7 機器人焊接搬運生產(chǎn)系統(tǒng)工位布局設(shè)計

主生產(chǎn)線具有手動以及自動兩種模式，手動模式為生產(chǎn)線維護模式，供維護人員進行日常維護和管理時使用。在自動模式時，機器人自動抓取工件放入生產(chǎn)線中，焊接機器人進行焊接，完成后搬運至自行小車，進行下一步安裝。

機器人在整個焊接過程中，自動記錄焊接板件數(shù)量，完成一定數(shù)量后自動進行電極帽修磨，以提高焊接質(zhì)量。

6 結(jié)束語

DYNAX 系統(tǒng)機器人應(yīng)用于現(xiàn)場，運行良好，已經(jīng)完成數(shù)千套側(cè)圍總成焊接以及搬運工作。使用機器人焊接提高了汽車車身焊接的品質(zhì)，使用機器人搬運則避免了側(cè)圍總成在人工搬運中可能出現(xiàn)的磕蹭現(xiàn)象。

該機器人系統(tǒng)已經(jīng)達到國際先進水平，具有各種檢測功能。在汽車車身焊接過程中采用該機器人系統(tǒng)，既提高了汽車車身的焊接品質(zhì)，也提高了生產(chǎn)效率，減少了員工的勞動強度，為汽車行業(yè)發(fā)展提供了有力保障。

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