劉鵬飛，朱 隆

(中建材凱盛機(jī)器人(上海)有限公司,上海 201601)

隨著社會的不斷進(jìn)步，玻璃行業(yè)的發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)的許多行業(yè)都存在著聯(lián)系，玻璃行業(yè)對推動整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都起著積極作用。在新的社會形勢下，玻璃工業(yè)必須按照科學(xué)發(fā)展觀的要求，轉(zhuǎn)變增長方式，有效調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，才能促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展。與當(dāng)今世界玻璃工業(yè)占統(tǒng)治地位的浮法工藝相比，格法玻璃普遍品質(zhì)不夠好，有氣泡、夾雜物、線道、表面不光滑、不均勻、易碎、機(jī)器人抓取難度大等缺陷，其中機(jī)器人抓放難度加大也是工業(yè)機(jī)器人在格法玻璃中推廣不易的原因。中建材凱盛機(jī)器人(上海)有限公司新建材事業(yè)部利用分級堆垛機(jī)器人、加工上下片機(jī)器人，在光伏玻璃加工連線和浮法玻璃自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中不斷創(chuàng)新與發(fā)展工業(yè)機(jī)器人。

1 Kawasaki CX210L工業(yè)機(jī)器人工作的特點

工業(yè)機(jī)器人是一種通用的、可編程的、并具有某些人類特征的機(jī)械裝置。工業(yè)機(jī)器人最明顯的類人特征就是能夠執(zhí)行各種工業(yè)任務(wù)的機(jī)械手臂。其他的類人特征包括對傳感器輸入的反應(yīng)、與其他機(jī)器的通信以及決策能力等。這些能力使得機(jī)器人能夠完成很多有用的任務(wù)。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展在數(shù)字控制技術(shù)發(fā)展之后，而且這兩項技術(shù)相當(dāng)相似，它們都涉及多軸協(xié)調(diào)控制(機(jī)器人學(xué)中的軸稱為關(guān)節(jié))，且都是用專用數(shù)字計算機(jī)作為控制器。然而，設(shè)計數(shù)控機(jī)床是為了完成特定的加工工藝，例如加工、鈑金沖孔和熱切削等，而機(jī)器人則是為執(zhí)行更廣泛的任務(wù)而設(shè)計的。工業(yè)機(jī)器人的典型生產(chǎn)應(yīng)用包括點焊、物料搬運、工件裝卸、噴涂和裝配等[1]。

工業(yè)機(jī)器人具有商業(yè)和技術(shù)上的重要性，其原因包括[1]：1)機(jī)器人能夠在危險或不舒適的工作環(huán)境中取代人。2)機(jī)器人完成工作循環(huán)的一致性和重復(fù)精度是人類無法達(dá)到的。3)機(jī)器人可以被編程。當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)完成之后，機(jī)器人可以重新編程并安裝上所需的工具來執(zhí)行完成不同的任務(wù)。4)機(jī)器人是由計算機(jī)控制的，因此可以與其它計算機(jī)系統(tǒng)相連來實現(xiàn)計算機(jī)集成制造。

Kawasaki CX210L工業(yè)機(jī)器人采用六軸垂直多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，此類機(jī)器人又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系工業(yè)機(jī)器人，這種工業(yè)機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副，其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積小，能與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，負(fù)載高的同時精度也很高，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。這種機(jī)器人常用于弧焊、搬運、噴漆等工作。由于采用了準(zhǔn)確的控制算法以及高精度的檢測元件，大幅度提高了高速動作時的軌跡精度。公司經(jīng)過多年將機(jī)器人應(yīng)用于玻璃產(chǎn)業(yè)的技術(shù)研究，使得分級堆垛、加工上下片、光伏玻璃加工連線和浮法玻璃自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中作業(yè)質(zhì)量得到了極大提高。

2 格法生產(chǎn)線自動堆垛系統(tǒng)

2.1 設(shè)計原則

首先介紹一下工藝流程：玻璃進(jìn)入設(shè)備區(qū)域后，先在加速輥道進(jìn)行加速，拉開間距為立交移載做準(zhǔn)備，玻璃在立交處頂起，并通過同步帶輥道逐步向外移載，立交輥道同步帶出口處接一段掰斷輥道，對玻璃進(jìn)行縱掰，由于立交節(jié)拍的限制，1線共需要三段掰斷輥道，3線需兩段掰斷輥道以匹配節(jié)拍。1線縱掰后的玻璃依次進(jìn)入大立交輥道，兩片為一組進(jìn)行傳送，3線縱掰后玻璃為一次一片傳送，工作人員在過橋塌梯處對玻璃進(jìn)行檢驗，通過按鈕的方式對玻璃進(jìn)行分等，不合格的玻璃不鋪紙直接進(jìn)入輥道末端的廢料斗，合格的玻璃經(jīng)過在線鋪紙機(jī)，在線鋪紙機(jī)對其鋪紙，下片機(jī)器人根據(jù)人工提供的玻璃分等信息對玻璃進(jìn)行下片,機(jī)器人下片為平拿立放，當(dāng)一垛玻璃滿架時由叉車或者行吊吊走，運送到相應(yīng)位置進(jìn)行包裝。其中一條下片系統(tǒng)，共計：4套機(jī)器人下片系統(tǒng)(只有平臺)，機(jī)器人自動堆垛系統(tǒng)流程如圖1所示。輔助裝置包括2套在線鋪紙機(jī)系統(tǒng)，2套掰斷裝置，10余段輥道及裝置。我們的設(shè)計原則主要是機(jī)器人配以相應(yīng)的周邊設(shè)備，用于完成特定工序作業(yè)的獨立生產(chǎn)系統(tǒng)。一是提高產(chǎn)品的質(zhì)量，確保玻璃的潔凈、無擦傷碼垛；二是滿足作業(yè)的精度要求和產(chǎn)品質(zhì)量等級分類要求；三是必須滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求，通過路徑優(yōu)化，抓放板周期小于10 s；四是整體及各組成部分必須全部滿足安全規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，各設(shè)備及控制系統(tǒng)具有在人機(jī)界面觸摸屏上在線故障顯示及報警裝置；五是便于維修維護(hù)；六是操作系統(tǒng)簡單明了，便于操作和人工干預(yù)，人-機(jī)交互功能。

Kawasaki CX210L機(jī)器人的主要功能包括：一是它能實現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人的位置、速度、加速度等控制功能，對于連續(xù)軌跡運動具有軌跡的規(guī)劃與控制功能；二是人機(jī)界面，操作人員采用直接指令代碼對其進(jìn)行作用指示。使用工業(yè)機(jī)器人具有作業(yè)知識的記憶、修正和工作程序的跳轉(zhuǎn)功能；三是具有對外部環(huán)境的檢測和感覺功能。為使工業(yè)機(jī)器人具有對外部狀態(tài)變化的適應(yīng)能力，Kawasaki CX210L機(jī)器人能應(yīng)對諸如視覺、力覺、觸覺等相關(guān)信息并進(jìn)行測量、識別、判斷、理解等功能。在自動化生產(chǎn)線中，具有與其他設(shè)備交換信息、協(xié)調(diào)工作的能力等。

2.2 系統(tǒng)控制方式

每臺機(jī)器人的工作方式和工作狀態(tài)由上位機(jī)(線控柜)遠(yuǎn)程發(fā)送信號，啟動并完成作業(yè)，圖2為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖。

2.3 機(jī)器人抓取算法

機(jī)器人編程語言是方法、算法和編程技巧的結(jié)合，由于機(jī)器人的類型、作業(yè)要求、控制裝置、傳感信息種類等多種多樣，所以編程語言也是各種各樣，功能、風(fēng)格差別都很大。目前流行有多種機(jī)器人編程語言，如果按照編程功能，可將之分為如下幾個不同的級別[2]。

2.3.1 面向點位控制的編程語言

這種語言要求用戶采用示教盒上的操作按鈕或移動示教操作桿引導(dǎo)機(jī)器人做一系列的運動，然后將這些運動轉(zhuǎn)變成機(jī)器人的控制指令。

2.3.2 面向運動的編程語言

這種語言以描述機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作為中心。編程人員使用編程語言來描述操作機(jī)所要完成的各種動作序列，數(shù)據(jù)是末端執(zhí)行器在基座坐標(biāo)系(或絕對坐標(biāo)系)中位置和姿態(tài)的坐標(biāo)序列。語言的核心部分是描述手部的各種運動語句，語言的指令由系統(tǒng)軟件解釋執(zhí)行，如VAL、EMUY、RCL語言等。

2.3.3 結(jié)構(gòu)化編程語言

這種語言是在PASCAL語言基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有較好的模塊化結(jié)構(gòu)。它由編譯程序和運行時間系統(tǒng)組成。編譯程序?qū)υa進(jìn)行掃描分析和校驗，生成可執(zhí)行的動作碼，將動作碼和有關(guān)控制數(shù)據(jù)送到運行時間系統(tǒng)進(jìn)行軌跡插補(bǔ)及伺服控制，以實現(xiàn)對機(jī)器人的動作控制，如AL、MCL、MAPL語言等。

2.3.4 面向任務(wù)的編程語言

這類語言是以描述作業(yè)對象的狀態(tài)變化為核心，編程人員通過工件(作業(yè)對象)的位置、姿態(tài)和運動來描述機(jī)器人的任務(wù)。編程時只需規(guī)定出相應(yīng)的任務(wù)，如用表達(dá)式來描述工件的位置和姿態(tài)，工件所承受的力、力矩等，由編輯系統(tǒng)根據(jù)有關(guān)機(jī)器人環(huán)境及其任務(wù)的描述，做出相應(yīng)的動作規(guī)則，如根據(jù)工件幾何形狀確定抓取的位置和姿態(tài)、回避障礙等，然后控制機(jī)器人完成相應(yīng)的動作。

此次格法實踐工作中，我們依靠機(jī)器人強(qiáng)大而準(zhǔn)確的控制算法，通過靈活而科學(xué)的算法得以實現(xiàn)。通過大量的數(shù)據(jù)顯示，在滿足客戶節(jié)拍要求的基礎(chǔ)上，飛抓時機(jī)以及抓取后沿著設(shè)定路徑走到放板木箱離得精度保持在0.5～1 mm，極大地降低了客戶要求的2～3 mm任務(wù)，以此也證明了經(jīng)過多次測試改進(jìn)后所做玻璃位置算法、抓取以及放置程序的精確性和可靠性。對于機(jī)器人抓取物體的準(zhǔn)確預(yù)判，關(guān)系到機(jī)器人堆垛的精確性和機(jī)器人工作的高效性以及穩(wěn)定性，Kawasaki CX210L工業(yè)機(jī)器人滿足我們的控制要求。

2.4 Kawasaki CX210L機(jī)器人與系統(tǒng)通訊過程

現(xiàn)場總線[3]系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備連線，按分控制或回路進(jìn)行連接；位于現(xiàn)場的控制和檢測設(shè)備與位于控制室的主控制器之間采用一對一的物理連接?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用了智能的具有現(xiàn)場通信接口的數(shù)字現(xiàn)場設(shè)備，能夠把原先如plc系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、輸入輸出模塊等放置在現(xiàn)場，加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的控制、測量設(shè)備可以與電動機(jī)、閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。

PROFInet[3]將工廠自動化和企業(yè)信息管理層IT有機(jī)地融為了一體，同時又完全保留了profibus現(xiàn)有的開放性。該總線支持開放的、面向?qū)ο蟮耐ㄐ?，這種通信建立在通用的Ethernet TCP/IP基礎(chǔ)上，優(yōu)化的通信機(jī)制還可以滿足實時通信的要求。

Kawasaki CX210L工業(yè)機(jī)器人控制器適用于Ethernt、device-net、interbus-s、profibus、profinet等標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，可以很容易地完成與可編程控制器等設(shè)備的通訊連接。此次格法平拉項目就是采用profinet通訊方式，滿足了自動化實時性的需求，確保了數(shù)據(jù)通訊實時穩(wěn)定與安全，由于整個項目網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大，profinet為整個項目帶來了全方位的組網(wǎng)優(yōu)勢，可以更好地適應(yīng)系統(tǒng)現(xiàn)場的要求，更重要的是profinet全面兼容TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)，很容易實現(xiàn)各種信息技術(shù)，為機(jī)器人強(qiáng)大的功能以及信號的接收輸送提供了保障，也為整個系統(tǒng)完好實現(xiàn)創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。

2.5 Kawasaki CX210L機(jī)器人碰撞功能檢測

碰撞檢測功能使機(jī)器人剛碰到周圍物體后就停下來，這樣可以減少碰撞過程中的損失。由于此次項目的堆垛框架是木箱，我們將抓手上分布的三個碰撞信號進(jìn)行了硬接點創(chuàng)新，是考慮到碰撞光電“通訊延遲的問題”，一方面提高精度，避免偶然的碰撞損失，另一方面是對客戶負(fù)責(zé)任的態(tài)度，我們設(shè)定專用“手臂ID板信號板卡”輸入輸出信號，直接將碰撞信號輸入輸出與機(jī)器人控制器精準(zhǔn)連接。經(jīng)過這次改造，不僅為我們這套系統(tǒng)增添了不少亮點，也得到了客戶的高度贊賞。

2.6 首次實現(xiàn)“全木箱”精準(zhǔn)堆垛任務(wù)

對于工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行抓取堆垛技術(shù)，公司經(jīng)過多年的技術(shù)以及經(jīng)驗積累，玻璃堆垛精度是衡量整個項目的最高要求以及成果，在國內(nèi)外的浮法項目現(xiàn)場中幾乎都得到了客戶的高度認(rèn)可，但是這些幾乎都是基于托盤平放、轉(zhuǎn)臺后背立放的模式。此次項目的堆放要求極高，客戶的木箱尺寸為“長×寬×高=1 060×900×1 200 mm”，一個立體的木箱僅僅只拆除前面和上面，并且整個木箱內(nèi)控只比放置玻璃寬度多10 mm，此外木箱是廠內(nèi)木匠現(xiàn)場制作，極為不標(biāo)準(zhǔn)，木箱兩側(cè)木板也加大了堆垛的難度，而且抓手需要攜帶玻璃在滿足線上節(jié)拍的情況下以高于1 000 mm/s的速度深入“探索”900 mm，對抓手造成了潛在的碰撞風(fēng)險，此次項目改變了近些年傳統(tǒng)的堆放模式，需要對Kawasaki CX210L機(jī)器人的tool坐標(biāo)以及繞各軸的角度進(jìn)行全方位考慮，在人機(jī)界面觸摸屏上用一系列的參數(shù)來調(diào)整和在機(jī)器人程序中做大量限制以及報警，這樣才能避免由于木箱各種不利因素對機(jī)器人抓手造成損壞。經(jīng)過了前期一個月的模擬仿真、調(diào)試以及總結(jié)，克服重重困難，機(jī)器人實現(xiàn)正常的裝箱堆垛，到如今連續(xù)兩個月的平穩(wěn)高效地生產(chǎn)，玻璃堆垛精度和生產(chǎn)效率也可與傳統(tǒng)堆垛相媲美。經(jīng)過兩個月的連續(xù)生產(chǎn)堆垛數(shù)據(jù)以及精度證明，Kawasaki CX210L機(jī)器人在格法下片裝箱堆垛系統(tǒng)中的應(yīng)用是成功的。

3 結(jié) 語

近40年來，機(jī)器人制造業(yè)與機(jī)器人學(xué)的研究一直是國際、國內(nèi)極為重視的高科技領(lǐng)域之一，得到了極其迅速的發(fā)展。當(dāng)前，機(jī)器人的應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到人類生產(chǎn)和生活的各個方面，極大地影響和促進(jìn)了工業(yè)、國防和科技事業(yè)的發(fā)展。在早期的機(jī)器人研究中，與機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)相比，其控制用計算機(jī)的價格高且運算能力有限，故只能采用極簡單的控制方案，難滿足高速、高精度機(jī)器人性能要求。自20世紀(jì)70年代以來，隨著電子技術(shù)與計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，計算機(jī)運算能力大大提高而成本不斷下降，這就使得人們越來越重視發(fā)展各種考慮機(jī)器人動力學(xué)模型的計算機(jī)實時控制方案，使機(jī)器人充分發(fā)揮出完成復(fù)雜任務(wù)的能力[4]。實踐證明，Kawasaki CX210L工業(yè)機(jī)器人能很好地完成格法玻璃生產(chǎn)線上自動堆垛的作業(yè)任務(wù)，大大改善了產(chǎn)品質(zhì)量，避免了玻璃在人工堆垛過程中的擦傷及表面污漬導(dǎo)致的產(chǎn)品報廢，為高質(zhì)量玻璃生產(chǎn)線提供了可靠的質(zhì)量保證，同時也提高了格法玻璃作業(yè)的效率和生產(chǎn)效益。