基于總線技術(shù)的螺釘擰緊機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)

王 蟬，徐六喜，周 建，蔣立正

（1.中聚（杭州）新能源有限公司，杭州 311100；2.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)系，杭州 310053；3.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，杭州 310014）

0 引言

智能制造已經(jīng)成為全球制造業(yè)發(fā)展的新趨勢，為了應(yīng)對日益增高的工業(yè)制造成本和激烈的行業(yè)競爭形勢，越來越多的傳統(tǒng)制造型業(yè)開始改變以往的生產(chǎn)制造經(jīng)營模式，通過引進(jìn)高端智能制造裝備實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，進(jìn)一步提升工業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向智能化方向調(diào)整，而工業(yè)機(jī)器人憑借其高效穩(wěn)定、精細(xì)制造加工以及柔性生產(chǎn)等技術(shù)特點(diǎn)成為智能制造裝備技術(shù)的關(guān)鍵[1,2]。

我國新能源汽車行業(yè)正在迅猛發(fā)展，新能源汽車的核心技術(shù)主要是電池包，其生產(chǎn)裝配質(zhì)量直接影響新能源汽車的性能[3]。本研究將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力電池包螺釘擰緊工作站中，采用基于Profibus總線技術(shù)的西門子S7-1513系列PLC控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線技術(shù)將ABB工業(yè)機(jī)器人和遠(yuǎn)程I/O從站ET200sp連接在一起，形成一個(gè)高速、可靠和經(jīng)濟(jì)型的通訊網(wǎng)絡(luò)。

1 螺栓擰緊機(jī)器人工作站的總體設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)力電池包的銅排組裝工序簡介

在新能源行業(yè)動(dòng)力電池包（結(jié)構(gòu)如圖1所示）的銅排組裝工序中，傳統(tǒng)螺釘擰緊主要依靠人工手動(dòng)操作電動(dòng)扭矩扳手的方式進(jìn)行作業(yè)。作業(yè)人員首先把螺釘放入螺紋孔然后用電動(dòng)扳手?jǐn)Q緊，當(dāng)電動(dòng)扳手扭矩達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)停止。由于每個(gè)電池包所需要組裝的螺釘數(shù)量較多，該工序的作業(yè)人員很容易少裝螺釘，產(chǎn)品流入到下一工序不僅增加了下一工序的工作量，而且嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 動(dòng)力電池包的結(jié)構(gòu)示意圖

本文研制的螺釘擰緊機(jī)器人工作站是將扭矩電動(dòng)扳手安裝到機(jī)器人的第六軸上，當(dāng)電池包被流水線輸送到螺釘擰緊工位上，機(jī)器人在該等待位置等待，通過震動(dòng)盤自動(dòng)上料系統(tǒng)將螺釘用壓縮空氣吹送到電動(dòng)扳手的批頭處，此時(shí)機(jī)器人開始動(dòng)作，運(yùn)行到電池包螺釘擰緊工位處，氣缸推動(dòng)電動(dòng)扳手將螺釘送入到螺紋孔中，啟動(dòng)電動(dòng)扳手開始擰緊螺釘。每擰緊一顆螺釘，系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到當(dāng)前電池包的所有螺釘擰緊完成，電池包被放行，進(jìn)入下一工序。電池包螺釘擰緊工藝流程如圖2所示。

圖2 動(dòng)力電池包的螺釘擰緊工藝流程

1.2 螺釘擰緊機(jī)器人工作站的總體布局

動(dòng)力電池包螺釘擰緊機(jī)器人工作站的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由ABB工業(yè)機(jī)器人、螺釘上料震動(dòng)盤、電動(dòng)扭矩扳手、輸送鏈、控制柜及機(jī)械防護(hù)欄等幾個(gè)部分組成，其總體布局如圖3所示。

圖3 機(jī)器人螺釘擰緊工作站布局

2 螺釘擰緊機(jī)器人工作站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 螺釘擰緊機(jī)器人工作站控制系統(tǒng)的架構(gòu)和主要通信方式

柔性制造生產(chǎn)線以西門子PLC S7-1513作為主站結(jié)合一臺(tái)ABB機(jī)器人、阿特拉斯電動(dòng)扳手、ET200SPI/O模塊作為從站的智能制造組裝單元。機(jī)器人位于傳輸線體一側(cè)，通過接收PLC控制器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移動(dòng)扳手到擰螺絲孔位置。機(jī)器人不直接與電動(dòng)扳手和螺釘上料震動(dòng)盤信號(hào)交互，通過接受PLC的控制指令，并反饋運(yùn)行的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)與電動(dòng)扳手、螺釘上料震動(dòng)盤間的協(xié)同動(dòng)作，如圖4所示。

2.2 Profibus網(wǎng)絡(luò)組態(tài)技術(shù)

PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)[4]。適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化[5]。PROFIBUS-DP具有高速低成本通信優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信[6]。

圖4 螺釘擰緊機(jī)器人工作站控制系統(tǒng)的架構(gòu)和主要通信方式

本文應(yīng)用采用西門子全新系列PLC S71513-1pn和Profibus模塊CM 1542-5做主站，I/O模塊ET200SP和ABB工業(yè)機(jī)器人IRB_2600做從站。在西門子編程軟件TIA Portal v13中安裝ABB機(jī)器人GSD文件HMS_1811.GSD，在Profibus網(wǎng)絡(luò)中添加Anybus-CC PROFIBUS DP-V1并進(jìn)行站地址分配，如圖6所示。

圖5 Profibus網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

在設(shè)備Anybus-CC PROFIBUS DP-V1中添加I/O通訊字節(jié)數(shù)量，指定通訊字節(jié)所對應(yīng)PLC中的I/O地址，如表1所示。

表1 PLC與機(jī)器人組態(tài)點(diǎn)表

2.3 PLC與機(jī)器人信號(hào)交互

I/O信號(hào)用于機(jī)器人運(yùn)行中與PLC信號(hào)交互，PLC通過Profibus數(shù)據(jù)交換控制機(jī)器人的啟動(dòng)停止、錯(cuò)誤復(fù)位、參數(shù)設(shè)置等，同時(shí)接收到機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)、動(dòng)作完成、錯(cuò)誤信息等反饋數(shù)據(jù)。PLC與機(jī)器人邏輯信號(hào)參照表[7]，如表2所示。

2.4 ABB機(jī)器人Profibus適配器DSQC667的連接

ABB機(jī)器人提供了DSQC667模塊基于Profibus總線技術(shù)與PLC進(jìn)行快捷和大數(shù)據(jù)量的通訊。DSQC667模塊安裝在IRC5主機(jī)上，最多支持512個(gè)數(shù)字輸入和輸出，完全能夠滿足用戶的通訊數(shù)據(jù)量。通過ABB工業(yè)機(jī)器人的FlexPendant設(shè)定DSQC667模塊參數(shù)，如表3所示。

表2 I/O信號(hào)的邏輯關(guān)系

表3 DSQC667參數(shù)設(shè)定值

3 ABB機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

通過工業(yè)機(jī)器人的示教操作，調(diào)整工業(yè)機(jī)器人及扭矩扳手與輸送鏈、螺釘上料震動(dòng)盤之間的空間位置，使它們與工業(yè)機(jī)器人相對位置正確。圖6給出了ABB機(jī)器人程序控制流程圖，ABB機(jī)器人啟動(dòng)后首先執(zhí)行初始化程序，復(fù)位PLC交互的邏輯信號(hào)，然后回到原點(diǎn)位置等待。當(dāng)接收到動(dòng)力電池包即工件到位，扳手和震動(dòng)盤就緒信號(hào)后，執(zhí)行螺釘擰緊程序，當(dāng)螺釘擰緊失敗后，ABB機(jī)器人運(yùn)行到退釘位置執(zhí)行自動(dòng)退釘程序，然后，重新執(zhí)行螺釘擰緊程序，螺釘擰緊完成，運(yùn)行程序結(jié)束，機(jī)器人回原點(diǎn)等待。

ABB工業(yè)機(jī)器人提供了軟件RobotStudio和FlexPendant兩種方式，可以完成機(jī)器人程序的編寫。一般而言，利用RobotStudio軟件編寫ABB機(jī)器人程序顯得更為方便和高效。

圖6 ABB機(jī)器人程序控制流程圖及機(jī)器人程序（部分）

4 實(shí)際應(yīng)用

目前設(shè)計(jì)的螺釘擰緊工作站已經(jīng)投入使用，與傳統(tǒng)手動(dòng)螺釘擰緊方式相比，操作簡單，大幅度提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1）應(yīng)用基于總線技術(shù)把機(jī)器人連接到PLC控制系統(tǒng)中，提高了螺釘擰緊工作站的智能化程度。

2）實(shí)踐應(yīng)用表明，工作站系統(tǒng)穩(wěn)定，螺釘擰緊工作質(zhì)量優(yōu)良，具有良好的推廣意義。