王曉玉 趙 智 化春雷 林劍鋒

（沈陽機床（集團）有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110142）

隨著汽車市場產(chǎn)品的更新要求加快，汽車制造越來越呈現(xiàn)出注重產(chǎn)品多元化、小批量生產(chǎn)和以市場需求為導(dǎo)向等發(fā)展新趨勢。因此，汽車零部件生產(chǎn)線也向著適應(yīng)多品種、小批量、低成本的高速化、柔性化和高效設(shè)備的生產(chǎn)方式發(fā)展。作為汽車零部件之一的汽車輪轂，其市場需求量大，單純使用人工進(jìn)行加工不僅生產(chǎn)效率低，而且勞動強度大，難以保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

為了實現(xiàn)高速化、柔性化、自動化的輪轂生產(chǎn)單元，在輪轂生產(chǎn)的過程中，采用工業(yè)機器人代替人工操作，構(gòu)成自動化生產(chǎn)單元或組成全自動生產(chǎn)線，進(jìn)行高速、高效、高質(zhì)量的輪轂生產(chǎn)，是現(xiàn)代輪轂生產(chǎn)技術(shù)的重要發(fā)展方向。

1 輪轂加工單元組成及功能

本輪轂加工單元為輪轂自動生產(chǎn)線，可同時加工1～5個輪轂，加工過程安全高效。輪轂加工單元由立式車削中心、立式加工中心、機器人、PLC單元、上位機監(jiān)控系統(tǒng)、厚度測量裝置、視覺檢測裝置和傳感器等設(shè)備組成，各工位布局如圖1所示。

2 機器人在輪轂加工單元中的應(yīng)用

若要實現(xiàn)輪轂加工單元的自動化生產(chǎn)，機器人的應(yīng)用是必不可少的。機器人在輪轂加工單元中的作用是通過接收PLC的控制信號，實現(xiàn)汽車輪轂從上料到加工完成所有工序的自動搬運功能。

機器人控制柜中主要由計算機控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、I/O接口及示教編程器等構(gòu)成。計算機控制系統(tǒng)是機器人控制的核心，機器人在運行過程中要求計算機控制系統(tǒng)隨時響應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸、方式切換等隨機發(fā)生多種動作;伺服驅(qū)動系統(tǒng)在計算機控制系統(tǒng)的控制下，控制并驅(qū)動各關(guān)節(jié)伺服電動機，實現(xiàn)機器人的運動控制;I/O接口通過硬線連接或總線的方式實現(xiàn)與外部控制系統(tǒng)或外部設(shè)備的通訊連接;示教編程器用于手動操作機器人動作，完成示教工作和參數(shù)設(shè)置、程序存取等系統(tǒng)基本操作。

2.1 機器人的組成

輪轂加工單元使用一臺機器人，可搬運重量為166 kg，未安裝手爪的情況下工作半徑為2 890 mm，機器人與控制柜之間通過纜線組連接，示教編程器與控制柜之間通過專用的電纜連接，如圖2所示。

機器人控制柜中包含著機器人的控制核心，電氣控制柜包含CPU單元、驅(qū)動單元、電源單元和電路保護器等部件，具體部分如表1所示。

表1 控制柜各部分概要

2.2 機器人外部I/O的硬件連接

控制柜通過I/O基板與控制其動作的外部PLC進(jìn)行連接，I/O基板為選配件。該項目選用一片I/O基板，其中 CNIN端口為輸入信號，數(shù)量為32點，CNOUT端口為輸出信號，數(shù)量為32點。

由于機器人I/O基板的輸入為源型輸入（負(fù)邏輯），因此需要將PLC的輸出連接為漏型輸出（負(fù)邏輯），PLC輸出模塊的COM端接電源負(fù)極，連接方法如圖3所示。機器人I/O基板的輸出端子為漏型輸出（負(fù)邏輯），需要連接到源型的 PLC輸入（負(fù)邏輯），PLC輸出模塊的COM端接電源正極，如圖4所示。

2.3 機器人對外部信號的處理方式

在控制系統(tǒng)中，機器人的輸入輸出信號按照構(gòu)造可分為邏輯信號和物理信號兩類。邏輯信號是從軟件側(cè)可存取的信號的總稱，物理信號是指被連接與DC24 V、工業(yè)總線等外界的輸入輸出信號的總稱。通常所說的控制裝置的輸入輸出信號指的是邏輯信號，可以在機器人程序和用戶程序中直接使用，I＊＊表示邏輯信號的輸入，O＊＊表示邏輯信號的輸出，X＊＊表示物理信號的輸入，Y＊＊表示物理信號的輸出，在程序中是不能直接使用物理信號的?？刂蒲b置可以自由地將物理信號分配給邏輯信號，稱為“輸入輸出信號的分配”，如圖5所示。

將邏輯輸入輸出信號與物理介質(zhì)的分配對應(yīng)，并能夠自由地更換，這樣的功能稱為I/O區(qū)域映射功能。I/O區(qū)域映射可以通過示教編程器進(jìn)行設(shè)定。

2.4 機器人的編程與操作

機器人的運送動作是采用示教的方式編程的，就是在手動的狀態(tài)下，調(diào)整機器人的動作，記錄動作中關(guān)鍵點的位置（如動作起點、抓取物體的位置點等），指定兩個動作點之間的運行速度，運行方式（直線、圓弧等）、定位精度和所使用的工具等。編好的機器人程序可以通過外部的I/O信號來觸發(fā)執(zhí)行，這就是機器人搬運的基本思想。在示教方式下操作機器人的前提是了解機器人的坐標(biāo)系。

2.4.1 機器人的坐標(biāo)系

對機器人進(jìn)行操作時可以使用軸坐標(biāo)、機械坐標(biāo)和工具坐標(biāo)3個坐標(biāo)系，正確地判斷各個坐標(biāo)系下機器人的動作方向?qū)τ跈C器人動作和姿態(tài)的調(diào)整是十分關(guān)鍵的。

我們所使用的機器人有6個軸，在軸坐標(biāo)系的情況下，通過示教編程器的按鍵單獨控制每一個軸的動作，如圖6a所示。

圖6b表示的是機器人在機械坐標(biāo)系下的運動方向情況，與軸坐標(biāo)系的情況不同，使用機械坐標(biāo)系時，機器人的動作是由多個軸同時運動產(chǎn)生的，合成運動使機器人的手端做直線或曲線運動，是調(diào)試機器人動作時常用的坐標(biāo)系。

工具坐標(biāo)系是以機器人手端安裝的工具作為參照的，其運動軌跡是使工具產(chǎn)生所需要的動作，工具的參數(shù)需要輸入到工具配置中，也可以通過示教程序使機器人自動獲得工具信息。

2.4.2 機器人示教編程的步驟

（1）選擇示教模式。

（2）輸入作業(yè)程序號碼。號碼的輸入范圍是0～9 999。

（3）記錄移動命令（動作位置與姿勢）。將機器人以手動操作移動到要記錄的位置，按下［覆蓋/記錄］以記錄步驟，重復(fù)地依序記錄步驟。

（4）如果需要，記錄應(yīng)用命令。應(yīng)用命令包括將信號輸出到外部、等待輸入信號、程序調(diào)用等非移動命令。

（5）將表示程序結(jié)束的終端命令（應(yīng)用命令END＜FN92＞）加以記錄。

（6）進(jìn)行示教內(nèi)容的確認(rèn)。依序移動至所記錄步驟，進(jìn)行記錄位置或姿勢的確認(rèn)。

（7）進(jìn)行示教內(nèi)容的修正。包括記錄點變更，步驟的追加及刪除，速度和插補方式修改等。

2.4.3 示教編程舉例

如圖7所示，使機器人自第1步驟移動至第5步驟，并記錄位置，在第6步驟，為使其與第1步驟位置相同，進(jìn)行記錄位置的重合。

在示教編程器上產(chǎn)生的程序如圖8，圈中的100%表示再生時機器人的運行速度，用百分制表示;JOINT表示機器人在兩個動作點之間的內(nèi)插種類（運動方式），具體情況見表2;A1表示通過步驟記錄點時，機器人的精度，分為8級A1～A8，其中A1精度最高;T1表示機器人當(dāng)前所使用的工具（可以是搬運或焊接等工具）。

2.5 機器人程序的運行方式

輪轂加工單元一共包含9個工位，如圖1所示，根據(jù)輪轂加工工藝要求，在這9個工位之間機器人一共要做8個搬運動作:

（1）1→2號位運送動作:將工件從上料區(qū)運送至儲料區(qū)。

（2）2→3號位運送動作:將工件從儲料區(qū)運送至立車轉(zhuǎn)臺進(jìn)行反面加工。

（3）3→5號位運送動作:將工件從立車轉(zhuǎn)臺運送至沖洗工位。

（4）5→6號位運送動作:將工件從沖洗工位運送至測量站進(jìn)行厚度測量。

（5）6→3號位運送動作:將工件從測量站運送至立車轉(zhuǎn)臺進(jìn)行正面加工。

（6）6→9號位運送動作:將工件從測量站運送至廢料區(qū)。

（7）3→8號位運送動作:將工件從立車轉(zhuǎn)臺運送至視覺系統(tǒng)進(jìn)行拍照，拍照完成后將工件運送至立加，并根據(jù)視覺系統(tǒng)提供的角度偏差進(jìn)行調(diào)整。

（8）8→1號位運送動作:將工件從立加運送回上料區(qū)。

將這8個搬運動作分別示教編程為8個子程序，對應(yīng)為子程序1～8，主程序中不執(zhí)行運送動作，根據(jù)PLC發(fā)送的輸入信號調(diào)用相應(yīng)的子程序，實現(xiàn)所需要的搬運。輪轂加工單元中的各個工位是否滿足運送條件由PLC來判斷，并向機器人發(fā)出運送指令。子程序的執(zhí)行過程如圖9所示。

部分程序如下:

主程序:

子程序1:

3 結(jié)語

通過輪轂加工單元中機器人的應(yīng)用，闡述了機器人使用過程中的連接方式，程序編制和運動時序控制等方法，為機器人在其他柔性生產(chǎn)線的進(jìn)一步應(yīng)用具有范例的作用。

［1］AX控制裝置操作說明書直到機器人運作［Z］.16版.不二越，2009.

［2］AX controller operating manual software PLC［Z］.4th ed.不二越，2009.