楊寧 曹金學(xué) 秦基偉

（安徽埃夫特智能裝備有限公司，安徽蕪湖，241000）

0 引言

在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，人們對(duì)機(jī)器人控制器的開放性要求也越來越高。20 世紀(jì)90年代,出現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，性能不斷增強(qiáng)，且具有開放的總線結(jié)構(gòu)以及豐富的軟硬件資源，因此，基于計(jì)算機(jī)的新一代控制系統(tǒng)也成為工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主流和發(fā)展方向：利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、信息輸入等非實(shí)時(shí)處理，插補(bǔ)運(yùn)算、伺服控制等實(shí)時(shí)任務(wù)由運(yùn)動(dòng)控制器承擔(dān)。

1 基于DYNAX 系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人

基于DYNAX 運(yùn)動(dòng)控制器的機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠應(yīng)用安裝在QH-165C 工業(yè)機(jī)器人上，該機(jī)器人是奇瑞汽車股份有限公司自主研發(fā)的大負(fù)載工業(yè)機(jī)器人，最大負(fù)載165kg，有6 個(gè)自由度。QH-165C 工業(yè)機(jī)器人也是我國首臺(tái)自主研發(fā)的大負(fù)載工業(yè)機(jī)器人，各項(xiàng)性能參數(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

1.1 負(fù)載及桿件參數(shù)

QH-165C 工業(yè)機(jī)器人示意圖見圖1，負(fù)載及具體的桿件參數(shù)如下：

負(fù)載：165kg

a1=0 a2=90° a3=0

a4=0 a5=0 a6=0

L1=680mm L2=1100mm L3=230mm

L4=1111mm L5=244mm L6=400mm L7=0

圖1 QH-165C 工業(yè)機(jī)器人模型結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 各軸轉(zhuǎn)角

a1(1 軸)：-180°～180°

a2(2 軸)： 30°～170°

a3(3 軸)∶ 0°～300°

a4(4 軸)∶ -360°～360°

a5(5 軸)∶ -125°～125°

a6(6 軸)：-360°～360°

1.3 單關(guān)節(jié)最大速度

a1 100°/s

a2 90°/s

a3 95°/s

a4 120°/s

a5 120°/s

a6 160°/s

2 QH-165C 機(jī)器人DYNAX 系統(tǒng)構(gòu)架

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2 DYNAX 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

DYNAX 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

1）該系統(tǒng)采用PC+PCI 運(yùn)動(dòng)控制卡的形式。

2）I/O 模塊與運(yùn)動(dòng)控制卡采用RS-422 通信的方式對(duì)I/O 進(jìn)行控制。

3）示教器與工控機(jī)采用RS-485 通信的方式。通過示教器給上位機(jī)發(fā)送指令，上位機(jī)收到指令對(duì)控制卡進(jìn)行操作，從而控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

4）驅(qū)動(dòng)器與控制卡之間采用RS-485 通信。

2.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)程序由系統(tǒng)初始化界面、系統(tǒng)手動(dòng)操作界面、I/O 模塊設(shè)置界面、驅(qū)動(dòng)器伺服參數(shù)設(shè)置界面等組成。

初始啟動(dòng)完成數(shù)據(jù)庫初始化、示教盒的通信連接、DYNAX 控制卡的通信建立、外部I/O的初始化等，啟動(dòng)界面如圖3 所示。

圖3 上位機(jī)軟件啟動(dòng)界面

2.2.1 手動(dòng)操作界面

上位機(jī)軟件手動(dòng)界面如圖4所示，這是機(jī)器人在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系、工具及自定義坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)界面。

圖4 上位機(jī)軟件手動(dòng)界面

在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下，執(zhí)行CDYNAX∶∶Move_Jog( BYTE axis,BYTE dir)命令，即執(zhí)行DYNAX 的JOG 運(yùn)動(dòng)，當(dāng)松開控制鍵盤時(shí)運(yùn)動(dòng)停止。

在直角坐標(biāo)系下，執(zhí)行CDYNAX∶∶Move_ML(int route, int dir,float speed)命令，即是在ML 函數(shù)中順序執(zhí)行：CAM 模式設(shè)定；新建CAM 運(yùn)動(dòng)線程；根據(jù)速度、方向進(jìn)行正逆解算法；CAM 數(shù)據(jù)設(shè)置；CAM 數(shù)據(jù)獲??；CAM 數(shù)據(jù)下傳；CAM 運(yùn)動(dòng)。完成后再重新正逆解循環(huán)執(zhí)行，直至運(yùn)動(dòng)線程結(jié)束。

在工具坐標(biāo)系下，命令執(zhí)行過程與直角坐標(biāo)系下相同，但正逆解算法有所差異。

在程序界面運(yùn)行MJ 時(shí)執(zhí)行步驟：

1）獲取程序執(zhí)行各軸角度值；

2）計(jì)算各軸所需運(yùn)動(dòng)脈沖數(shù)；

3）PTP 運(yùn)動(dòng)或者采用CAM 模式運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的脈沖數(shù)。

當(dāng)采用PTP 運(yùn)動(dòng)時(shí)，要根據(jù)脈沖數(shù)計(jì)算各軸的速度；當(dāng)采用CAM 模式運(yùn)動(dòng)時(shí)，要進(jìn)行每個(gè)時(shí)間間隔脈沖數(shù)的計(jì)算，每個(gè)功能使用專用的函數(shù)完成。

2.2.2 I/O 模塊

DYNAX 控制器可支持256 個(gè)輸入（I）及256 個(gè)輸出（O），I/O 分布在16 個(gè)I/O 板上，每個(gè)I/O 板有16 個(gè)輸入和16 個(gè)輸出。通過控制函數(shù)，操作人員可實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O 的監(jiān)控及設(shè)置。

2.2.3 驅(qū)動(dòng)器伺服參數(shù)設(shè)置模塊

驅(qū)動(dòng)器伺服參數(shù)設(shè)置模塊界面如圖5 所示，其中：

G 縮小伺服比例增益調(diào)整；

P 比例增益調(diào)整；

I 積分增益調(diào)整；

D 微分增益調(diào)整；

Rg 縮小G 的值；

Rp 縮小G 的值；

Ri 縮小G 的值；

Rd 縮小G的值。

操作人員通過更改以上參數(shù)，可以調(diào)整機(jī)器人伺服系統(tǒng)。

該設(shè)置僅在出廠前進(jìn)行設(shè)置，以保證機(jī)器人出廠時(shí)運(yùn)行狀態(tài)良好。

圖5 驅(qū)動(dòng)器配置文件

3 DYNAX 系統(tǒng)機(jī)器人的示教特點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人由本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及示教系統(tǒng)四個(gè)基本部分組成。在生產(chǎn)過程中，操作人員使用示教器(即示教系統(tǒng))將指令信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，在示教的同時(shí)，機(jī)器人工作程序的信息被自動(dòng)存入程序存儲(chǔ)器中。

在機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)從程序存儲(chǔ)器中調(diào)用相應(yīng)信息，將指令信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動(dòng)作以及I/O 信號(hào)的輸入輸出狀態(tài)，完成焊接、搬運(yùn)等動(dòng)作。

也可通過離線編程的形式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作以及信號(hào)仿真，從而得到運(yùn)動(dòng)程序并導(dǎo)入機(jī)器人控制系統(tǒng)中，再通過操作人員進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)工作程序的編寫。

4 焊接搬運(yùn)生產(chǎn)線的構(gòu)建

QH-165C工業(yè)機(jī)器人是高負(fù)載機(jī)器人，已成功應(yīng)用于汽車焊接以及搬運(yùn)生產(chǎn)線系統(tǒng)中。整個(gè)系統(tǒng)采用PLC 控制，機(jī)器人作為PLC 從站，PLC 發(fā)送焊接等信號(hào)給機(jī)器人，機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成焊接、搬運(yùn)等工作。系統(tǒng)流程圖如圖6 所示。

圖6 機(jī)器人焊接系統(tǒng)工作流程圖

5 離線仿真

DYNAX 系統(tǒng)機(jī)器人可以在離線仿真軟件中，對(duì)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及工作節(jié)拍進(jìn)行深入仿真。

機(jī)器人搬運(yùn)、焊接離線編程及仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果，在計(jì)算機(jī)中建立機(jī)器人及工作環(huán)境的模型，通過對(duì)模型的控制和操作，在不使用實(shí)際機(jī)器人的情況下進(jìn)行編程，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)器人程序。

具體仿真過程是：首先將DYNAX 系統(tǒng)的機(jī)器人模型以及夾具數(shù)模導(dǎo)入仿真軟件中，確定離線仿真中各工位夾具以及機(jī)器人位置、設(shè)置機(jī)器人與夾具間的干涉區(qū)、選擇焊接參數(shù)等；其次，在擬態(tài)環(huán)境中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教編程，優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算出生產(chǎn)線的工作節(jié)拍。

圖7 所示的焊接搬運(yùn)生產(chǎn)線采用DYNAX 系統(tǒng)機(jī)器人，整條生產(chǎn)線采取PLC 控制，共計(jì)四個(gè)工位，右起：一工位為運(yùn)送外板工位，二工位進(jìn)行內(nèi)板放置以及焊接，三工位為補(bǔ)焊工位，四工位為焊接完成搬運(yùn)至自行小車工位。

圖7 機(jī)器人焊接搬運(yùn)生產(chǎn)系統(tǒng)工位布局設(shè)計(jì)

主生產(chǎn)線具有手動(dòng)以及自動(dòng)兩種模式，手動(dòng)模式為生產(chǎn)線維護(hù)模式，供維護(hù)人員進(jìn)行日常維護(hù)和管理時(shí)使用。在自動(dòng)模式時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)抓取工件放入生產(chǎn)線中，焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接，完成后搬運(yùn)至自行小車，進(jìn)行下一步安裝。

機(jī)器人在整個(gè)焊接過程中，自動(dòng)記錄焊接板件數(shù)量，完成一定數(shù)量后自動(dòng)進(jìn)行電極帽修磨，以提高焊接質(zhì)量。

6 結(jié)束語

DYNAX 系統(tǒng)機(jī)器人應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)行良好，已經(jīng)完成數(shù)千套側(cè)圍總成焊接以及搬運(yùn)工作。使用機(jī)器人焊接提高了汽車車身焊接的品質(zhì)，使用機(jī)器人搬運(yùn)則避免了側(cè)圍總成在人工搬運(yùn)中可能出現(xiàn)的磕蹭現(xiàn)象。

該機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，具有各種檢測(cè)功能。在汽車車身焊接過程中采用該機(jī)器人系統(tǒng)，既提高了汽車車身的焊接品質(zhì)，也提高了生產(chǎn)效率，減少了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，為汽車行業(yè)發(fā)展提供了有力保障。

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