基于多工業(yè)機(jī)器人的輪轂打磨工作站系統(tǒng)

劉海龍,張 蕾,吳海波

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 株洲 412001)

0 引 言

在“中國制造2025”戰(zhàn)略背景下，以工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用為核心的智能制造工廠近年得到極大的發(fā)展[1]。重復(fù)性的批量加工作業(yè)采用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線不但可以極大地提高生產(chǎn)效率，還可極大地提高產(chǎn)品的良品率和生產(chǎn)穩(wěn)定性，可以說智能制造生產(chǎn)依然是未來制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要發(fā)展方向[2-4]。本文以汽車輪轂打磨作業(yè)為研究對(duì)象，研究多工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)汽車輪轂打磨作業(yè)的協(xié)同生產(chǎn)設(shè)計(jì)方案。

汽車輪轂的生產(chǎn)過程需先后經(jīng)歷熔煉、鑄造、熱處理、機(jī)加工和打磨等多道工序，未打磨的汽車輪轂存在多毛刺與毛邊的問題，目前很多企業(yè)還是通過人工使用銼刀、磨棒等工具進(jìn)行手工打磨作業(yè)，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低和噪聲大等問題[5]。針對(duì)以上問題，德國亞深工業(yè)大學(xué)的Connolly[6]提出了將機(jī)器人集成到銑床上，研究分析機(jī)器人與銑床同時(shí)執(zhí)行打磨步驟的組合。該方案投資較大，普適性較窄。瑞典隆德大學(xué)的Moyne[7]提出了輪轂打磨柔性制造方案，采用新的Gantry-Tau機(jī)械手，適用于打磨、去毛刺等任務(wù)。但該方案對(duì)打磨機(jī)器人有特殊要求，在大規(guī)模推廣應(yīng)用上存在不足。美國斯蒂文理工學(xué)院的Qi等人[8]提出了設(shè)計(jì)一種機(jī)器人去打磨去毛刺的新型氣動(dòng)工具，將機(jī)器人和工具控制集成一起，協(xié)調(diào)打磨工具和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡并模擬了仿真系統(tǒng)。但該方案沒有針對(duì)輪轂的背面和異型處如何轉(zhuǎn)換工件角度問題提出解決方案，還需進(jìn)一步研究。在國內(nèi)，文獻(xiàn)[9]提出了一種使用離線軌跡法向恒定控制的機(jī)器人打磨去毛刺的控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)調(diào)整不合理位置點(diǎn)，實(shí)時(shí)修正初始軌跡。但該方法仍采用示教器獲得毛刺邊緣輪廓，使用中存在一定的缺陷。文獻(xiàn)[10]基于力反饋的機(jī)器人打磨軟硬件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)未知輪轂打磨軌跡自適應(yīng)控制軌跡。但該方案針對(duì)異型內(nèi)側(cè)的打磨力覺反饋值可能會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，影響精確性。

針對(duì)上述問題，本文按企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求，利用SolidWorks和RobotStudio建模和仿真軟件構(gòu)建汽車輪轂自動(dòng)打磨加工生產(chǎn)線。通過真實(shí)現(xiàn)場環(huán)境搭建外圍設(shè)備模型生產(chǎn)工序，創(chuàng)建雙工業(yè)機(jī)器人協(xié)同控制作業(yè)模型，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)來動(dòng)態(tài)調(diào)整雙機(jī)器人的相對(duì)位置。該方案可實(shí)現(xiàn)汽車輪轂工件的正反面裝換、角度轉(zhuǎn)換，動(dòng)態(tài)調(diào)整打磨去毛刺軌跡，具有良好的普適性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作流程

RobotStudio是世界500強(qiáng)之一的ABB公司開發(fā)的離線仿真軟件，該軟件是以ABB工業(yè)機(jī)器人為核心的機(jī)械、電氣、傳感器、通信等綜合性的動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用[11-12]。RobotStudio所需的精確三維模型需要通過CAD軟件預(yù)先設(shè)計(jì)并導(dǎo)入，導(dǎo)入后進(jìn)行工作站環(huán)境布局和搭建，隨后構(gòu)建傳感器、I/O網(wǎng)絡(luò)、電氣控制邏輯和動(dòng)態(tài)組件等功能。仿真工作站在模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)、尺寸、電氣控制邏輯、I/O端口及配置等方面均與實(shí)際工作站需求設(shè)計(jì)一致[13]。保證了調(diào)試好的仿真設(shè)計(jì)方案可直接應(yīng)用于生產(chǎn)。

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

針對(duì)市場上主流的轎車鋁合金輪轂質(zhì)量約為12～18 kg[14]，再結(jié)合材料、加工精度、尺寸等多方面實(shí)際情況，系統(tǒng)選用ABB IRB2600型工業(yè)機(jī)器人為核心，配合PLC、輸送鏈、上料夾具、打磨工具和傳感器網(wǎng)絡(luò)等多設(shè)備進(jìn)行集成和綜合應(yīng)用。ABB IRB2600型工業(yè)機(jī)器人最高載荷20 kg，臂長1.65 m[15]，主要應(yīng)用于上下料、搬運(yùn)等工作站中，非常適合本設(shè)計(jì)方案。PLC可編程控制器在虛擬仿真軟件中采用Smart組件模擬實(shí)現(xiàn)其功能[16]。輸送帶則通過創(chuàng)建機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)其功能，在實(shí)際應(yīng)用中輸送帶的步進(jìn)電機(jī)由PLC輸出信號(hào)控制。工業(yè)機(jī)器人對(duì)輪轂的上料通過啟動(dòng)夾爪實(shí)現(xiàn)，控制邏輯原理為機(jī)器人輸出數(shù)字信號(hào)控制啟動(dòng)夾爪對(duì)應(yīng)的電磁閥，仿真中對(duì)配置與實(shí)際一致的I/O進(jìn)行控制。在通信網(wǎng)絡(luò)上，PLC、上料機(jī)器人、打磨機(jī)器人三者之間通過I/O端口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

根據(jù)汽車輪轂特性及打磨去毛刺作業(yè)工序要求，工作站為整個(gè)輪轂生產(chǎn)線的組成部分，本文在工作站的輸送鏈上游工序和下游工序均設(shè)計(jì)良好的擴(kuò)展性，方便不同工序工作站的無縫對(duì)接[17-18]。在一個(gè)循環(huán)作業(yè)工序中，當(dāng)輸送鏈將輪轂待打磨工件運(yùn)送至指定位置時(shí)，觸發(fā)傳感器檢測信號(hào)，信號(hào)以I/O端口發(fā)送給Smart控制組件，該步驟相當(dāng)于模擬PLC功能。Smart停止輸送鏈并固定后，由上料機(jī)器人接收上料信號(hào)并上料抓取輪轂；上料成功后機(jī)器人與打磨機(jī)器人實(shí)時(shí)通信互聯(lián)獲取雙方設(shè)備的狀態(tài)，打磨機(jī)器人根據(jù)上料機(jī)器人狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行精確配合和打磨作業(yè)；接著打磨機(jī)器人啟動(dòng)邊緣檢測傳感器跟隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡檢測輪轂的合格性[19]；然后重新放置輸送鏈進(jìn)行下一道工序。整個(gè)工作站需要雙機(jī)器人、輸送鏈、傳感器、PLC等多設(shè)備相互連接與精密配合才能完成，在設(shè)計(jì)中加入了機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和防碰撞設(shè)計(jì)，防止碰撞及危險(xiǎn)因素的發(fā)生。系統(tǒng)詳細(xì)作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 打磨工作站作業(yè)流程

2 動(dòng)態(tài)組件的設(shè)計(jì)

在RobotStudio軟件中，動(dòng)態(tài)組件是通過Smart功能設(shè)計(jì)的，是工作站系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心內(nèi)容之一[21-22]。首先在SolidWorks軟件中設(shè)計(jì)并創(chuàng)建傳送帶、上料機(jī)器人夾爪、打磨機(jī)器人工具和汽車輪轂?zāi)Ｐ停袷奖４鏋镾TEP AP203或AP214格式。將設(shè)計(jì)好的模型組件導(dǎo)入到RobotStudio軟件中，對(duì)其空間進(jìn)行合理布局與規(guī)劃；然后選用ABB IRB2600型工業(yè)機(jī)器人2臺(tái)，并安裝設(shè)計(jì)好的專用工具組件，生成機(jī)器人系統(tǒng)工作站。以上步驟完成后，將進(jìn)行Smart組件的設(shè)計(jì)。

2.1 Smart組件及控制邏輯

Smart功能組件是RobotStudio軟件中重要的功能，仿真中涉及的機(jī)械活動(dòng)部件和電氣控制邏輯組件可通過Smart組件實(shí)現(xiàn)[23-24]。為實(shí)現(xiàn)輸送帶的物料輸送功能，使用“創(chuàng)建機(jī)械裝置”功能設(shè)計(jì)輸送鏈的機(jī)械運(yùn)動(dòng)屬性，如速度、控制I/O、運(yùn)動(dòng)距離等，并生成輸送鏈機(jī)械裝置Conveyor。為實(shí)現(xiàn)汽車輪轂工件的上料，針對(duì)上料機(jī)器人的法蘭盤和工件特征，創(chuàng)建Smart組件SC_Gripper，并在夾具中創(chuàng)建線傳感器LineSensor，對(duì)輪轂工件進(jìn)行目標(biāo)定位檢測；邏輯上為實(shí)現(xiàn)控制氣缸夾取與釋放，創(chuàng)建Attacher夾取控制邏輯和Detacher釋放控制邏輯；由于控制氣缸的電磁閥是通過I/O控制的，需添加LogicGate[NOT]非門邏輯；夾具啟動(dòng)信號(hào)為diGripper,完成作業(yè)輸出doVacuumOK，機(jī)械動(dòng)作時(shí)間配置為0.5 s，其詳細(xì)邏輯控制關(guān)系如圖3所示。同理，針對(duì)打磨機(jī)器人專用打磨工具，創(chuàng)建SC_Polish Smart組件，并為其配置相關(guān)邏輯功能。

圖3 SC_Gripper設(shè)計(jì)邏輯圖

2.2 I/O信號(hào)配置及連接

工作站系統(tǒng)各個(gè)模型組件及Smart組件設(shè)計(jì)完成后，需要通過配置I/O實(shí)現(xiàn)PLC、多工業(yè)機(jī)器人、傳送帶組件、夾具組件、打磨組件和傳感器等設(shè)備的無縫連接。在實(shí)際應(yīng)用中所采用的PLC S7-1200在軟件中可通過Smart組件模擬其控制功能。在系統(tǒng)的I/O設(shè)計(jì)中，機(jī)器人控制設(shè)備對(duì)象采用數(shù)字輸出信號(hào)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的Smart組件數(shù)字輸入信號(hào)連接，傳感器信號(hào)則根據(jù)類型以數(shù)字輸出信號(hào)、模型輸出信號(hào)的形式與機(jī)器人、PLC組件的對(duì)應(yīng)信號(hào)連接。系統(tǒng)以上料機(jī)器人和打磨機(jī)器人為核心，配置4路數(shù)字輸入信號(hào)分別為合作機(jī)器人配合完成、工件準(zhǔn)備就緒、上料完成和打磨工序完成。配置4路數(shù)字輸出信號(hào)分別表示與合作機(jī)器人配合本機(jī)完成、上料夾具控制、啟動(dòng)傳感器檢查和工件定位擋板。配置2路模擬輸出信號(hào)為打磨工具電機(jī)控制信號(hào)和傳送帶電機(jī)控制信號(hào)。系統(tǒng)詳細(xì)I/O信號(hào)的配置參數(shù)如表1所示。

表1 I/O信號(hào)的變量參數(shù)

3 系統(tǒng)編程與調(diào)試

3.1 機(jī)器人離線編程

完成打磨生產(chǎn)線的模型布局、Smart組件設(shè)計(jì)和I/O連接設(shè)計(jì)后，根據(jù)輪轂打磨工序流程設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡和打磨流程。工業(yè)機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)根據(jù)功能的區(qū)分設(shè)置不同的功能程序模塊，由Main主函數(shù)進(jìn)行邏輯控制和功能函數(shù)調(diào)用。程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)工件定位、鏤空部位打磨定位這2方面的配合，若達(dá)到一定誤差則有發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。在程序設(shè)計(jì)中，為保證硬件設(shè)備的穩(wěn)定性需要首先進(jìn)行硬件初始化，如I/O端口的初始狀態(tài)、變量初始狀態(tài)等。由于系統(tǒng)拾取和搬運(yùn)的動(dòng)作邏輯較多，此處以打磨機(jī)器人主程序模塊舉例，展示工作邏輯，其主程序如下：

CONST.robtarget.Target_10:=[…];

!定義上料目標(biāo)點(diǎn)位置

CONST.robtarget.Target_20:=[…];

!定義放置目標(biāo)點(diǎn)位置

CONST.robtarget.Target_30:=[…];

!定義打磨目標(biāo)點(diǎn)位置

PROC main()

rInitAll; !初始化設(shè)備狀態(tài)

VelSet 150,300; !速度控制

WHILE TRUE DO; !循環(huán)

Set Do_ Flapper；!工件定位擋板定位

WaitDI Di_RobotRy&Di_WorkpieceRy,1;

!等待機(jī)器人就位信號(hào)

PickupWorkpiece; !調(diào)用拾取函數(shù)

Set Do_PickupScrew; !拾取完成信號(hào)置1

PolishControl; !調(diào)用打磨程序

WaitDI Di_ PolishOk,1; !等待打磨完成信號(hào)

PlaceWorkpiece; !調(diào)用放置函數(shù)

Movel Home; !機(jī)器人回到home點(diǎn)

ClkStart Timer; !統(tǒng)計(jì)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間

ENDWHILE

ENDPROC

…

3.2 系統(tǒng)仿真與調(diào)試

完成工業(yè)機(jī)器人的軌跡編程和系統(tǒng)的工作邏輯后，需要通過仿真驗(yàn)證功能的可行性和優(yōu)化路徑。在工作站仿真之前需要配置進(jìn)入點(diǎn)指針p指向main主程序，配置系統(tǒng)的啟動(dòng)數(shù)字輸入信號(hào)diStart，并設(shè)置雙機(jī)器人軌跡跟蹤曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人路徑。單擊“仿真-播放”，啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)將diStart置1，系統(tǒng)硬件初始化，I/O端口初始化，輸送鏈啟動(dòng)運(yùn)行，線傳感器檢測工件安裝底座運(yùn)行至指定位置時(shí)觸發(fā)輸送鏈停止信號(hào)，定位擋板上升固定住輪轂工件。

與此同時(shí)，機(jī)器人接收傳感器到達(dá)的信號(hào)，抓取輪轂工件并運(yùn)動(dòng)至指定位置，配合打磨機(jī)器人完成雙機(jī)配合打磨作業(yè)。完成后觸發(fā)輸送鏈運(yùn)行至下一道工序，工作站作為整個(gè)輪轂生產(chǎn)線的一個(gè)組成部分，對(duì)上道工序和后道工序均保留有設(shè)備接口，具有良好的擴(kuò)展性。

通過RobotStudio仿真軟件，在Smart組件的功能上模擬了PLC控制邏輯的功能，動(dòng)態(tài)組件模塊的控制邏輯均通過Smart組件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有豐富的對(duì)外接口，與其他部件進(jìn)行關(guān)聯(lián)和通信，整個(gè)工作站的邏輯在仿真配置中，配置多機(jī)器人、Smart和機(jī)械組件的系統(tǒng)工作邏輯。通過仿真和調(diào)試，整個(gè)工作站能夠循環(huán)、平穩(wěn)、高效運(yùn)行，大大提高現(xiàn)場調(diào)試效率和調(diào)試周期，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。系統(tǒng)仿真示意圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真與調(diào)試圖

4 結(jié)束語

本文根據(jù)汽車輪轂打磨去毛刺生產(chǎn)工序和工藝流程，搭建了工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化打磨工作站，設(shè)計(jì)了工作站相關(guān)組件模型、傳感器、I/O網(wǎng)絡(luò)、Smart動(dòng)態(tài)邏輯組件等機(jī)械、電氣部件，并通過系統(tǒng)工作站邏輯和機(jī)器人離線軌跡程序?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)的生產(chǎn)功能驗(yàn)證和動(dòng)態(tài)仿真。本文方案利用虛擬仿真技術(shù)有效地解決了以工業(yè)機(jī)器人為核心的自動(dòng)化生產(chǎn)線硬件研發(fā)投資大、調(diào)試設(shè)備周期長、機(jī)器人路徑規(guī)劃難等難點(diǎn)問題。仿真平臺(tái)可以為實(shí)際輪轂打磨去毛刺生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供理論依據(jù)和驗(yàn)證平臺(tái)，還能對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)線的改進(jìn)升級(jí)提供有效支撐，對(duì)布局的合理性、優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)行軌跡、提高加工效率和節(jié)能降耗方面可提供便捷的驗(yàn)證平臺(tái)。