淺析高壓水射流工作站中多臺機器人協(xié)同工作方法

林曉東，李紹峰，劉 彤LIN Xiao-dong， LI Shao-feng， LIU Tong（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

設計與應用

淺析高壓水射流工作站中多臺機器人協(xié)同工作方法

林曉東，李紹峰，劉 彤
LIN Xiao-dong， LI Shao-feng， LIU Tong
（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

一些工廠受場地等因素限制，為了提高工作效率，采用單工位多機器人工作站，下面以三機器人水切割設備為例，從工作過程、協(xié)作方法等方面來詳述此類系統(tǒng)的工作特點。實踐證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，達到了原設計的要求，對類似工作站的設計非常有借鑒意義。

多臺機器人協(xié)作；水切割；現(xiàn)場總線

1　設備概述

機器人高壓水射流工作站主要由三臺倒掛機器人、封閉切割間、高壓泵、負壓吸附裝置和控制系統(tǒng)組成。機器人控制各自獨立的高壓水刀協(xié)作完成對同一工件的切割，切割過程中的工件的固定，通過負壓系統(tǒng)將其牢牢吸附在模架上來完成，由此保證了工件一致性，降低了廢品率。設備自交付以來，客戶反映良好。

1.1設備布局

1.2機器人安裝方式

圖1　設備布局圖

機器人倒立安裝于封閉操作間框架之上，其機器人工作范圍可覆蓋整個切割模架，并保證各機器人六軸上的水刀以最優(yōu)姿態(tài)切割模架上的工件。

圖2　設備視圖

2　工作方式及過程

設備采用三臺機器人協(xié)作工作方式，前后進退料口各設置一部卷簾門及一個控制盒，使切割工件在一個封閉的空間內進行，保證人員的安全。操作員可根據(jù)現(xiàn)場情況，通過控制柜上的觸摸屏設置單面或雙面工作方式，通過此設置，使設備可以靈活的配置人員及生產(chǎn)方式，方便了操作，提高了工作效率。

2.1單面工作方式

在設置有效側上下料，操作員將待切工件放入工作臺，按下負壓啟動按鈕，負壓吸附開始，待切割件被牢牢的吸附在模架上，操作員退出切割間，按下啟動按鈕，該側卷簾門落下，機器人開始切割，待切割完成后，負壓吸附自動停止，卷簾門升起，等待操作員取走切割完成的工件，之后放入待切割件，如此循環(huán)。

2.2雙面工作方式

一側上料，一側下料。壓機下來的待切割件從一側放入工作間，整理放平后，按下吸附按鈕，吸附開始，按下啟動按鈕，上料側卷簾門落下，此時另一側操作員同樣按下吸附按鈕，啟動按鈕，該側卷簾門落下，機器人開始切割，切割完成后兩側卷簾門同時升起，下料側操作員取走切割完成件，上料側操作員放入待切割件，在兩側都完成啟動程序后，機器人再次開始自動切割，如此循環(huán)。

圖3　設備正面視圖

3　配置及連接

3.1機器人本體控制柜的選擇

三臺機器人本體控制柜可選擇一拖三或三臺獨立的控制柜，現(xiàn)對其優(yōu)缺點進行分析。

1）一拖三控制柜

即三臺機器人本體由一臺IRC5控制柜（本身帶一組驅動單元）及兩臺驅動單元進行控制，此種配置方式三臺機器人本體只能在同一示教器下工作，通過切換來完成對三臺機器人本體的控制，只能單臺一一動作。在自動運行時，機器人同步運行較好，不會出現(xiàn)個別機器人本體意外停止造成碰撞的問題。

2）三臺獨立的機器人控制柜

每臺機器人本體使用獨立的機器人控制柜，此種方式可三個人同時示教，單臺機器人可獨立運行；自動運行時，如信號交互不好，易造成碰撞。

采用三臺獨立的機器人須解決如下問題：

1）三臺示教器在同時運行時的集中控制問題；

2）單臺或其中兩臺機器人意外停止時的故障處理；

3）三臺機器人的通訊一致性問題，如出現(xiàn)調用不同工件號則會造成碰撞。

綜合考慮，經(jīng)過評估，選擇三臺獨立的機器人來完成協(xié)作切割。

3.2機器人與PLC連接

PLC采用通用強的西門子S7 300系列，PLC與機器人的通訊選擇Profibus DP協(xié)議通信方式，具有可靠性高，兼容性強，數(shù)據(jù)量大，速度快等優(yōu)點，便于三臺機器人的同步運行。對其進行硬件配置前須將機器人廠家提供的GSD文件導入PLC庫中，之后在硬件中選擇相應的模塊，完成在PLC中基于Profibus協(xié)議的硬件配置。DP總線上PLC作為主站，機器人作為從站。機器人間的通訊，通過PLC來進行中轉。至此，PLC與機器人間的DP通訊網(wǎng)絡建立完成。

3.3機器人間的備份通訊及信號的傳遞

機器人內置Devicenet總線，可利用其進行無PLC的三臺機器人間互聯(lián)，機器人通過本身內置的Devicenet總線直接訪問其他兩臺機器人中的定義信號，實現(xiàn)脫離PLC條件下的彼此通訊，作為DP總線之外的備份總線，提高了系統(tǒng)的可靠性。

4　機器人安全保護及協(xié)作工作方式

4.1三臺機器人同步運行方法

三臺機器人聯(lián)動運行時，須通過信號的鏈接使其成為一個整體，每臺機器人時刻監(jiān)控另外兩臺機器人的工作狀態(tài)，如任一機器人出現(xiàn)故障，則該機器人本體會處于停止狀態(tài)，正常工作的機器人如未對其監(jiān)測，就可能造成機器人間的碰撞。而造成機器人意外停止的原因很多，因此需要通過PLC監(jiān)測機器人信號來確認是否工作正常。由此解決了三臺機器人運行的同步問題，防止了由于單臺機器人的意外停止造成的碰撞。另外，使用安全繼電器將三臺機器人安全鏈串在一起，當一臺機器人急停時，三臺機器人會同時停止，保證安全。

4.2三臺機器人同一區(qū)域內協(xié)作切割時的防撞保護

1）防撞方式的選擇

三臺機器人同步工作時，在機器人工作的重疊區(qū)域內可能會產(chǎn)生碰撞，因此需要采取措施來避免該危險情況的發(fā)生。

一般情況下，可通過設置機器人干涉區(qū)域的方法來實現(xiàn)，保證在干涉區(qū)域內只有一臺機器人工作，在該機器人退出干涉區(qū)后，其他機器人才能進入，但由于三臺機器人安裝位置較近且機器人的切割區(qū)域重疊區(qū)較多，設置其干涉區(qū)域實現(xiàn)起來有難度，因此采用在程序中添加防撞命令的方式來實現(xiàn)防撞。

2）防撞命令的使用說明

當機器人進入到有可能與其他機器人碰撞區(qū)域前時，將防撞命令打開，此時該機器人檢測防撞信號是否為0，如為0則等待，如為1則進入該區(qū)域，同時將防撞信號置0，在該機器人退出干涉區(qū)后，關閉防撞命令，此時防撞信號為1。通過此種防撞命令，編程人員可以在機器人任何可能產(chǎn)生碰撞位置前方便靈活的加入防撞命令，避免了機器人間的碰撞風險。

該防撞方式操作簡便，設置方便，穩(wěn)定可靠，經(jīng)實踐，得到了客戶一致認可。

5　結束語

本文通過此倒掛三臺機器人水切割設備論述了多臺獨立機器人的通訊及同步運行方法，闡述了多臺機器人工作的區(qū)域內的防撞機制；作為范例對多機器人工作站的設計具有良好的借鑒意義。

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Analysis of multi robots cooperative work
method on high pressure water jet workstation

TP29

B

1009-0134（2016）08-0082-03

2016-03-14

林曉東（1975 -），男，吉林雙遼人，電氣工程師，學士，研究方向為電氣設計。