張 鈞 單世平

（蘭州石化公司電儀事業(yè)部 甘肅 蘭州 730060）

0 概述

目前機(jī)器人在自動(dòng)碼垛包裝線(xiàn)上大量使用，已替代原來(lái)由人工碼垛的工作，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)碼垛機(jī)，減少了大量勞動(dòng)力和勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了生產(chǎn)的效率。

1 機(jī)器人硬件組成

機(jī)器人由通用執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)、控制系統(tǒng)、手持示教控制器、手爪及人機(jī)界面五大部分組成。具體如下：

1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

即機(jī)器人本體，其中的運(yùn)動(dòng)部（轉(zhuǎn)動(dòng)部和移動(dòng)部）稱(chēng)為關(guān)節(jié)，從仿生學(xué)角度將機(jī)械人本體的有關(guān)部位分別稱(chēng)為基座、平衡缸、腰部、臂部、碗部和手部。

1.2 檢測(cè)、控制系統(tǒng)

包括機(jī)器人控制柜，碼垛機(jī)控制柜，機(jī)器人6個(gè)軸的伺服數(shù)據(jù)采集卡、編碼器、測(cè)溫元件及限位開(kāi)關(guān)組成；手爪控制部件由接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、電磁閥及氣缸等組成。

機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心是機(jī)器人控制柜，其硬件組成如下：計(jì)算控制單元；軸計(jì)算單元；電源模塊；整流單元；電容器儲(chǔ)能單元；伺服驅(qū)動(dòng)單元；通訊控制單元；繼電器控制單元；串行測(cè)量電路板；后備電池及以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)；強(qiáng)制風(fēng)冷單元；急停開(kāi)關(guān)、鑰匙開(kāi)關(guān)及按鈕控制等組成。

1.3 手持示教控制器

手持示教控制器是機(jī)器人軟件設(shè)置、編輯程序、參數(shù)設(shè)置、故障診斷、零點(diǎn)校對(duì)、抓取膠塊點(diǎn)示教、膠塊卸垛點(diǎn)示教等。

1.4 手爪

手爪是機(jī)器人抓取膠塊的部件。包括連接閥蘭、夾板、直線(xiàn)導(dǎo)軌、電磁閥、汽缸、接近及光電開(kāi)關(guān)等。

1.5 人機(jī)界面

人機(jī)界面是對(duì)碼垛機(jī)控制進(jìn)行操作，是連接碼垛控制柜和機(jī)器人控制柜總線(xiàn)通訊，人機(jī)界面主畫(huà)面共有7個(gè)按鈕，包括“工作參數(shù)查詢(xún)”、“初始參數(shù)設(shè)定”、“I/O 點(diǎn)操作”、“系統(tǒng)故障查詢(xún)”、“手動(dòng)操作”、“自動(dòng)操作”、“要求回零界面”，根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)按鈕操作實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)碼垛等工作。

2 控制系統(tǒng)組成

控制器可以安裝一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用Robot Ware5&Robot Studio5軟件開(kāi)發(fā)橡膠碼垛應(yīng)用功能，應(yīng)用程序用稱(chēng)為RAPID編程語(yǔ)言的特定詞匯和語(yǔ)法編寫(xiě)而成。這種編程語(yǔ)言包含了一些英文指令。指令能實(shí)現(xiàn)的功能很強(qiáng)大，可以移動(dòng)機(jī)器人、配置輸出、讀取輸入。還能實(shí)現(xiàn)決策、重復(fù)其它指令、構(gòu)造程序、與系統(tǒng)操作員交流等。

2.1 應(yīng)用程序組件包括的內(nèi)容

2.1.1 任務(wù)。包含了一個(gè)RAPID程序和系統(tǒng)模塊，并實(shí)現(xiàn)一種特定的功能。

2.1.2 任務(wù)屬性參數(shù)：設(shè)置所有任務(wù)項(xiàng)目的特定屬性。

2.1.3 程序：通常都包含具有不同作用的 RAPID代碼的程序模塊。所有程序必須定義可執(zhí)行的錄入例行程序。

2.1.4 程序模塊：每個(gè)程序模塊都包含特定作用的數(shù)據(jù)和例行程序。每個(gè)模塊表示一種特定的機(jī)器人動(dòng)作或類(lèi)似動(dòng)作。

2.1.5 數(shù)據(jù)：是程序或系統(tǒng)模塊中設(shè)定的值和定義。數(shù)據(jù)由同一模塊或若干模塊中的指令引用，其可用性取決于數(shù)據(jù)類(lèi)型。

2.1.6 例行程序：包含一些指令集，指令是對(duì)特定事件的執(zhí)行請(qǐng)求，它定義了機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)際執(zhí)行的任務(wù)。例行程序也包含指令需要的數(shù)據(jù)。

2.1.7 錄入例行程序：被定義為程序執(zhí)行的起點(diǎn)。每個(gè)程序必須含有名為main的錄入例行程序，否則程序無(wú)法執(zhí)行。

2.1.8 系統(tǒng)模塊：每個(gè)系統(tǒng)模塊都包含有實(shí)現(xiàn)特定功能的數(shù)據(jù)和例行程序。系統(tǒng)模塊通常由機(jī)器人制造商或生產(chǎn)線(xiàn)建立者編寫(xiě)。

2.2 內(nèi)存結(jié)構(gòu)

2.2.1 主機(jī)RAM內(nèi)存

RAM內(nèi)存是主機(jī)位于計(jì)算機(jī)主板上的主要內(nèi)存，內(nèi)存在所有程序執(zhí)行過(guò)程中通過(guò)處理器使用，該內(nèi)存的內(nèi)容包括：RAPID代碼；配置數(shù)據(jù)，配置文件創(chuàng)建后不能更改；文本；內(nèi)部狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)記錄所有機(jī)器人軸的狀態(tài)和位置、所有I/O以及與系統(tǒng)相連接的每一操縱器狀態(tài)等；事件日志。

2.2.2 系統(tǒng)硬盤(pán)/閃盤(pán)驅(qū)動(dòng)

這是控制模塊的主要海量存儲(chǔ)單元，位于控制模塊前端。取決于控制器版本，存儲(chǔ)單元是硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)或閃盤(pán)驅(qū)動(dòng)，而且大小也不同，啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)從硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)加載入RAM內(nèi)存中。如果系統(tǒng)被人為關(guān)閉，或因停電而關(guān)閉，文件將保存到控制器硬盤(pán)或閃盤(pán)中。

2.2.3 SMB板（串行測(cè)量電路板）存儲(chǔ)器

機(jī)器人識(shí)別數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、負(fù)荷計(jì)時(shí)器數(shù)據(jù)保存于此。

3 工作原理

碼垛機(jī)器人是整個(gè)碼垛機(jī)設(shè)備的核心部分。該碼垛機(jī)采用ABB生產(chǎn)IRC5系列碼垛機(jī)器人，該機(jī)器人臂展2.55米，有效負(fù)載180kg，該機(jī)器人是6軸多自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)6軸的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)來(lái)完成手臂水平前后運(yùn)動(dòng)，垂直升降運(yùn)動(dòng)，本體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并保持手爪的垂直姿態(tài)。

碼垛機(jī)器人的自動(dòng)動(dòng)作過(guò)程是通過(guò)人為示教確定其運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)、終點(diǎn)，運(yùn)行軌跡由機(jī)器人通過(guò)一定算法實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行路經(jīng)。碼垛機(jī)器人控制平臺(tái)本身對(duì)機(jī)器人所能達(dá)到的空間位置有限位，對(duì)機(jī)器人起限位保護(hù)的作用。在機(jī)器人手腕部分有兩個(gè)電磁閥和兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)在抓取位置的抓取檢測(cè)控制和卸垛位置的卸垛檢測(cè)控制，當(dāng)機(jī)器人手爪夾板關(guān)電磁閥得電并且手爪夾板關(guān)到位接近開(kāi)關(guān)有信號(hào)以后，機(jī)器人認(rèn)為手中已經(jīng)抓住膠塊，然后才進(jìn)行下一步動(dòng)作，當(dāng)機(jī)器人手爪夾板開(kāi)電磁閥得電并且手爪夾板開(kāi)到位接近開(kāi)關(guān)有信號(hào)以后，機(jī)器人認(rèn)為手中所抓膠塊已經(jīng)放下，然后才能進(jìn)行下一步動(dòng)作。碼垛機(jī)器人在抓取至卸垛的碼垛過(guò)程中同時(shí)完成編組計(jì)數(shù)的控制，以滿(mǎn)足4/2和2/4編組的要求，編組方式為：橫袋時(shí)2袋為一組，豎袋時(shí)4袋為一組。

圖1-1 電控系統(tǒng)工作原理框圖

4 日常維護(hù)常見(jiàn)故障及原因分析

機(jī)器人常見(jiàn)故障有：過(guò)載、電腦主板燒壞、運(yùn)行程序數(shù)據(jù)丟失、本體故障、示教點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值偏差故障等。

4.1 最常見(jiàn)的故障是過(guò)載

過(guò)載分輕過(guò)載和重過(guò)載，發(fā)生輕過(guò)載后，機(jī)器人自動(dòng)停止運(yùn)行，故障復(fù)位后即可重新啟動(dòng)，繼續(xù)執(zhí)行未完程序。發(fā)生重過(guò)載后，機(jī)器人“回零”失敗，只有對(duì)“零位”超程的軸進(jìn)行“校零點(diǎn)”后方可重新啟動(dòng)。

原因分析：箱體變形；垛盤(pán)輸送輥磨損；箱體定位氣缸不到位；工藝原因，膠塊變厚；發(fā)生超程故障后機(jī)器人6個(gè)軸的某些軸找不到初始位而需要校準(zhǔn)零點(diǎn)位置；膠塊試教點(diǎn)位置變動(dòng)不準(zhǔn)；由于突然停電，機(jī)器人停在某處，找不著初始位或主機(jī)數(shù)據(jù)丟失，校準(zhǔn)零點(diǎn)后或恢復(fù)數(shù)據(jù)后與原來(lái)有偏差；膠塊變形；操作工參數(shù)設(shè)置不當(dāng)；緩?fù)C(jī)上的膠塊位置不正，機(jī)器人抓偏。

4.2 機(jī)器人電腦主板燒壞

機(jī)器人電腦主板燒壞主要是過(guò)電壓引起，過(guò)電壓產(chǎn)生是由于未按正常程序進(jìn)行操作或防靜電接地不好造成。

原因分析：設(shè)備運(yùn)行過(guò)程突然停電；機(jī)器人停、送電操作不當(dāng)，產(chǎn)生過(guò)電壓（剛送電后電腦還在自檢過(guò)程突然停電；剛停電后儲(chǔ)能電容器電壓還較高時(shí)馬上又送電，造成控制電源過(guò)電壓）；機(jī)器人“回零”，即伺服初始化過(guò)程中操作“急?！敝獾陌粹o、開(kāi)關(guān)；防靜電接地不可靠。

4.3 運(yùn)行程序數(shù)據(jù)丟失

運(yùn)行程序數(shù)據(jù)丟失是機(jī)器人的RAM內(nèi)存中的內(nèi)部狀態(tài)，即記錄所有機(jī)器人軸的狀態(tài)和位置、所有I/O以及與系統(tǒng)相連接的每一操縱器狀態(tài)等丟失，此故障通過(guò)“備啟動(dòng)”，用存儲(chǔ)的故障前最近一次的正確內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行啟動(dòng)，此時(shí)要對(duì)碼垛機(jī)控制柜人機(jī)界面中有關(guān)塊數(shù)和層數(shù)修改后再啟動(dòng)。

原因分析：設(shè)備運(yùn)行過(guò)程突然停電；機(jī)器人“回零”，即伺服初始化過(guò)程中操作“急?！敝獾陌粹o、開(kāi)關(guān)；人為誤操作造成數(shù)據(jù)丟失。

4.4 機(jī)器人本體故障

機(jī)器人手爪與本體的法蘭連接臂斷裂故障。

原因分析：手爪抓膠不牢，膠塊未完全滑落，在手爪水平運(yùn)動(dòng)時(shí)與裝膠箱體碰撞；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度修改得太低，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)軌跡變化后與裝膠箱體碰撞；其他原因，裝箱位的箱體被抬高，手爪水平運(yùn)動(dòng)時(shí)與裝膠箱體碰撞。

4.5 機(jī)器人示教點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值偏差故障

膠塊示教點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值偏差，引起機(jī)器人過(guò)載故障。

原因分析：是機(jī)器人多次過(guò)載故障后，在校軸的“零點(diǎn)”時(shí)位置偏移累積量大造成膠塊位置示教點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值偏差大引起擦箱和碰膠。

5 結(jié)論

通過(guò)上述分析，機(jī)器人長(zhǎng)周期安全運(yùn)行與維護(hù)是緊密相關(guān)的，我們必須做好每個(gè)環(huán)節(jié)，只有這樣才能使機(jī)器人工作在最佳的狀態(tài)，延長(zhǎng)機(jī)器人的使用壽命。

［1］ABB機(jī)器人操作手冊(cè)[S].

［2］ABB機(jī)器人故障診斷手冊(cè)[S].