淺談工業(yè)機(jī)器人啟?？刂品椒?/h1>
2020-09-06 13:28:22吳金旭張亞軍師彥超陳爭光畢平安
汽車實用技術(shù) 2020年16期 關(guān)鍵詞：啟動
吳金旭 張亞軍 師彥超 陳爭光 畢平安
摘 要：隨著工業(yè)4.0技術(shù)革新的到來，工業(yè)機(jī)器人在制造行業(yè)的應(yīng)用得到廣泛普及，汽車行業(yè)尤為明顯。目前國內(nèi)外的機(jī)器人品類繁多，而且針對不同用途（焊接、搬運、噴涂）采用不同品類、特性的機(jī)器人，一個主機(jī)廠可能擁有3類以上品牌、型號的機(jī)器人。因此需要設(shè)備人員掌握相應(yīng)技術(shù)特性。文章著手對機(jī)器人啟?？刂葡到y(tǒng)的梳理，歸納總結(jié)出不同類別機(jī)器人的通用技術(shù)特點，搭建底層控制邏輯，為設(shè)備工程人員開展現(xiàn)場安裝調(diào)試、預(yù)防維保提供參考。
關(guān)鍵詞：啟動;停止;再啟動
中圖分類號：U462 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-228-04
Abstract： With the advent of industry 4.0 technology innovation， industrial robots have been widely used in the manufactur -ing industry， especially in the automobile industry. At present， there are various kinds of robots at home and abroad， and robots of different categories and characteristics are used for different purposes （welding， handling and spraying）. A main engine factory may have more than three types of robots of different brands and models. Therefore， equipment personnel need to master the corresponding technical characteristics. This paper starts to sort out the robots start-stop control system， summarizes the general technical characteristics of different types of robots， builds the underlying control logic， and provides references for equipment engineers to carry out on-site installation， debugging， prevention and maintenance.
Keywords： Robot start; Robot stop; Robot restart
CLC NO.： U462 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-228-04
1 機(jī)器人啟動控制
機(jī)器人的伺服上電主要為手/自動兩種模式，手動模式下，安全回路正常時（因為要手動示教，安全門在此模式下可以不啟用）按下機(jī)器人的伺服準(zhǔn)備按鈕，機(jī)器人處于待機(jī)狀態(tài)，按下示教啟動開關(guān)，伺服使能開始示教。自動模式相對復(fù)雜，本文重點講解在自動模式下的機(jī)器人啟動控制邏輯。
1.1 KUKA機(jī)器人啟動
1.1.1 伺服使能—DRIVEON/OFF
初始狀態(tài)下，機(jī)器人在HOME位，DRIVE_OFF要一直給定ON的信號，DRIVE _ON是在機(jī)器人自身安全回路、外部光電、光柵OK且PRI_RDY為OFF時，05s之后接通。當(dāng)0.5s接通之后，PRI_RDY反饋為ON，此時DRIVE_ON置為OFF。
1.1.2 動作可能—MOVE_ENABLE
在沒有外部急停（安全門、光柵、掃描儀等）故障時，發(fā)MOVE_ENABLE信號且一直為ON 的信號。MOVE_ ENABLE為ON，且STOP_MESS信號反饋為1時，延遲50ms后PLC發(fā)給機(jī)器人脈沖信號CON_MASS（當(dāng)CON_MESS為1時，STOP_MESS會被置位0）。
1.1.3 Submit程序解釋器啟動—Cell程序運行
在自動模式下，STOP_MESS為0且在HOME位，機(jī)器人執(zhí)行程序激活（PRO_ACT）反饋為0時，機(jī)器人準(zhǔn)備OK（PERI_RDY），按下啟動按鈕信號，EXSTART發(fā)出脈沖信號，PRO_ACT被置為1。
1.1.4 用戶程序執(zhí)行
機(jī)器人發(fā)送程序號請求，PLC將車型號發(fā)送給機(jī)器人，并比對機(jī)器人反饋的程序號與PLC發(fā)送的程序號，程序號一致則由PLC發(fā)出PGNO_VALID，機(jī)器人開始執(zhí)行用戶子程序。
1.1.5 自動模式下的循環(huán)執(zhí)行
在無外部異常情況（急停安全類故障、一般性故障）時，MOVE_ENABLE信號常ON，DRIVE_OFF信號常OFF，DRIVE _ON首次啟動為脈沖信號，機(jī)器人運行時為常OFF，STOP_MASS信號為OFF，PRO_ACT為常ON信號，PGNO_ REQ和PGNO_VALID信號間隔性通斷。
1.1.6 機(jī)器人再啟動
當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)外部異常情況（急停安全類故障、一般性故障）時，在機(jī)器人的內(nèi)部STOP_MASS信號為ON，MOVE_ENABLE信號為OFF，EX_START信號被復(fù)位，但是ON_PATH和PRO_ACT信號不受影響，一直為ON的信號，此時需要我們將異常情況解除，故障復(fù)位后，MOVE_ENABLE信號為ON。
1.2 安川機(jī)器人啟動
圖2為安川機(jī)器人啟動時序，類比ABB機(jī)器人，除伺服使能和外部啟動外，兩者都可以不用MOVE_ENABLE動作可能信號（動作可能的意義就是在其信號為OFF時，機(jī)器人處于停機(jī)狀態(tài)，安川與ABB通過與PLC建立STOP指令來實現(xiàn)的，這個異曲同工），安川機(jī)器人的伺服使能和外部啟動可以用硬線連接控制（如圖3所示）。
另外安川機(jī)器人的MASTER程序是需要提前用戶來建立和定義的，建立后方可編程。
1.3 ABB機(jī)器人啟動
ABB啟動控制相較KUKA更直觀，核心點就是MOTOR _ON，MOTOR_OFF用于伺服上電使能，CYCLE_START用于動作可能（程序循環(huán)開啟），在這里也可不配置此信號點直接用示教器上面的啟動按鍵做動作可能， EX_START用于MAIN（CELL）程序啟用，當(dāng)接收到PLC發(fā)生的程序號及校驗有效時，機(jī)器人執(zhí)行用戶程序。
1.4 NACHI機(jī)器人啟動
NACHI啟動參考KUKAD 啟動時序，其中NACHI機(jī)器人作為固定信號輸入輸出不可變更，通用信號輸入輸出部分可以根據(jù)現(xiàn)場需要在“輸入輸出信號”中設(shè)定相應(yīng)的信號點，比如程序號、啟動、停止信號。關(guān)于程序掃描類比KUKA，做了一個“外部個別停止”等同于MOVE_ENABLE和CYCLE_START。
1.5 機(jī)器人啟動總結(jié)——核心前置三要素
1.5.1 伺服使能
首先機(jī)器人要啟動，核心就是機(jī)器人伺服使能（無論是DRIVE_ON、MOTOR_ON，還是SEVER_ON），它是驅(qū)動硬件系統(tǒng)的硬性需求，在伺服使能狀態(tài)下，各機(jī)器人軸電機(jī)勵磁，制動抱閘打開。
1.5.2 動作可能
在伺服使能過后，自動模式運行情況下，通過（MOVE -ABLE、外部個別停止、CYCLE_START等命令）讓機(jī)器人系統(tǒng)啟動起來，當(dāng)出現(xiàn)一般性停止時（第二章節(jié)講到），上述信號置為OFF，機(jī)器人斜坡停止，無抖動現(xiàn)象。
1.5.3 機(jī)器人外部啟動
當(dāng)機(jī)器人伺服使能、動作可能都OK時，PLC滿足其他條件后會給機(jī)器人發(fā)EX_START信號（這一點所有機(jī)器人都是相通的），機(jī)器人進(jìn)入MAIN循環(huán)程序，此時機(jī)器人并不執(zhí)行用戶程序，當(dāng)接收到PLC發(fā)送的程序號且校驗程序號有效之后才開始執(zhí)行用戶程序。
2 機(jī)器人停止控制
2.1 KUKA機(jī)器人停止
KUKA機(jī)器人的停機(jī)模式可分為安全類故障和非安全類故障停止，安全停止0和STOP0的安全等級最高，并依次降低，等級越高對機(jī)器人的動態(tài)制動響應(yīng)越快速，制動越快不僅會導(dǎo)致其本體的抖動，對機(jī)械傳動系統(tǒng)也存在損傷，所以應(yīng)盡量避免高等級故障停止的發(fā)生。
2.2 安川機(jī)器人停止
安川機(jī)器人的停機(jī)方式也有以下幾種原因：
2.2.1 暫停操作
執(zhí)行暫停后，機(jī)器人暫時停止，暫停可用如下裝置上的 [Hold]完成，它可以通過示教編程器（白色暫停按鈕）、外部輸入信號（PLC與機(jī)器人的IO配置STOP信號點）。
2.2.2 急停操作
急停操作后，伺服電源被切斷，機(jī)器人立即停止，它可以通過安全門、示教器、外部輸入信號（這里的外部輸入信號給定的急停往往都是來自PLC的安全輸出模塊）。
2.2.3 報警引起的停止
動作過程中發(fā)生報警后，機(jī)器人會立刻停止動作。示教編程器上顯示出報警畫面，通知用戶由于報警引起了停止。
2.2.4 其他停止
再現(xiàn)過程中，從再現(xiàn)模式切換到示教模式時機(jī)器人立即停止，執(zhí)行 PAUSE 命令，使機(jī)器人暫停。
2.3 ABB機(jī)器人停止
將安全面板的XS9的5腳與6腳、11腳與12腳的連接斷開，機(jī)器人就會進(jìn)入自動停止?fàn)顟B(tài)，AS1與AS2要分別單獨接入無源NC常閉觸點，AS1與AS2要同時使用。
將安全面板的XS7與XS8的第1腳與2腳的連接斷，機(jī)器人就會進(jìn)入緊急停止?fàn)顟B(tài)。ES1與ES2要分別單獨接入無源NC常閉觸點，ES1與ES2要同時使用。
將安全面板的XS9的5腳與6腳、11腳與12腳的連接斷開，機(jī)器人就會進(jìn)入自動停止?fàn)顟B(tài)。AS1與AS2要分別單獨接入無源NC常閉觸點，AS1與AS2要同時使用。
2.4 NACHI機(jī)器人停止
NACHI與 KUKA機(jī)器人的停機(jī)方式相近，分為安全類停機(jī)與一般故障類停機(jī)，安全類停機(jī)中也是通過安全電路板與外圍安全裝置連接，可以通過PLC安全模塊互聯(lián)或者是安全繼電器觸點連接。
2.5 停止總結(jié)—常見停機(jī)分類
2.5.1 一般性故障停機(jī)
當(dāng)PLC發(fā)送給機(jī)器人的動作可能信號由ON置為OFF時，機(jī)器人以及附加軸沿軌跡的制動斜坡制動，此時伺服驅(qū)動系統(tǒng)不會關(guān)閉，制動器不制動，伺服電機(jī)處于勵磁等待狀態(tài)，機(jī)器人減速平穩(wěn)停機(jī)，無抖動現(xiàn)象。
2.5.2 高級故障停機(jī)
當(dāng)機(jī)器人控制系統(tǒng)內(nèi)部與安全無關(guān)的部件出現(xiàn)內(nèi)部故障，則驅(qū)動系統(tǒng)立即關(guān)閉，制動器制動，機(jī)器人在額定位置快速制動，本體存在抖動現(xiàn)象（如電機(jī)過負(fù)荷、編碼器異常等故障）。
2.5.3 安全性停機(jī)
當(dāng)機(jī)器人安全控制系統(tǒng)或外圍安全設(shè)施異常時，驅(qū)動系統(tǒng)立即關(guān)閉，制動器制動，機(jī)器人快速制動，這種停機(jī)方式會使得機(jī)器人瞬間停機(jī)，存在抖動現(xiàn)象。
3 機(jī)器人停機(jī)再啟動
當(dāng)機(jī)器人因為各種原因停機(jī)后，再啟動首先需要對機(jī)器人停機(jī)的原因查明并解除相應(yīng)故障風(fēng)險點，按下RESET鍵（可以是PLC或者示教器，視具體情況來定）使機(jī)器人滿足再次開啟的前置條件，再啟動與首次啟動不同，因為絕大部分情況機(jī)器人已經(jīng)不在HOME位置而是在運行過程中（運行軌跡程序或是邏輯程序），這個需要PLC的再啟動邏輯并行控制機(jī)器人的啟動指令，當(dāng)故障解除且復(fù)位后再次按下啟動鍵，并可再次運行機(jī)器人。
4 結(jié)論
機(jī)器人啟?？刂浦?，雖然不同品牌的機(jī)器人各有特點但是其核心的邏輯架構(gòu)是一致的，無論是前期設(shè)計調(diào)試還是后期故障維保，抓住主線，摸清脈絡(luò)就能準(zhǔn)確、快速的解決疑難問題，以上是作者對工業(yè)機(jī)器人啟停動控制邏輯的一些淺見，文章描述過程中不免有不足之處，敬請同行給予指正。
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關(guān)鍵詞：啟動;停止;再啟動
中圖分類號：U462 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-228-04
Abstract： With the advent of industry 4.0 technology innovation， industrial robots have been widely used in the manufactur -ing industry， especially in the automobile industry. At present， there are various kinds of robots at home and abroad， and robots of different categories and characteristics are used for different purposes （welding， handling and spraying）. A main engine factory may have more than three types of robots of different brands and models. Therefore， equipment personnel need to master the corresponding technical characteristics. This paper starts to sort out the robots start-stop control system， summarizes the general technical characteristics of different types of robots， builds the underlying control logic， and provides references for equipment engineers to carry out on-site installation， debugging， prevention and maintenance.
Keywords： Robot start; Robot stop; Robot restart
CLC NO.： U462 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-228-04
1 機(jī)器人啟動控制
機(jī)器人的伺服上電主要為手/自動兩種模式，手動模式下，安全回路正常時（因為要手動示教，安全門在此模式下可以不啟用）按下機(jī)器人的伺服準(zhǔn)備按鈕，機(jī)器人處于待機(jī)狀態(tài)，按下示教啟動開關(guān)，伺服使能開始示教。自動模式相對復(fù)雜，本文重點講解在自動模式下的機(jī)器人啟動控制邏輯。
1.1 KUKA機(jī)器人啟動
1.1.1 伺服使能—DRIVEON/OFF
初始狀態(tài)下，機(jī)器人在HOME位，DRIVE_OFF要一直給定ON的信號，DRIVE _ON是在機(jī)器人自身安全回路、外部光電、光柵OK且PRI_RDY為OFF時，05s之后接通。當(dāng)0.5s接通之后，PRI_RDY反饋為ON，此時DRIVE_ON置為OFF。
1.1.2 動作可能—MOVE_ENABLE
在沒有外部急停（安全門、光柵、掃描儀等）故障時，發(fā)MOVE_ENABLE信號且一直為ON 的信號。MOVE_ ENABLE為ON，且STOP_MESS信號反饋為1時，延遲50ms后PLC發(fā)給機(jī)器人脈沖信號CON_MASS（當(dāng)CON_MESS為1時，STOP_MESS會被置位0）。
1.1.3 Submit程序解釋器啟動—Cell程序運行
在自動模式下，STOP_MESS為0且在HOME位，機(jī)器人執(zhí)行程序激活（PRO_ACT）反饋為0時，機(jī)器人準(zhǔn)備OK（PERI_RDY），按下啟動按鈕信號，EXSTART發(fā)出脈沖信號，PRO_ACT被置為1。
1.1.4 用戶程序執(zhí)行
機(jī)器人發(fā)送程序號請求，PLC將車型號發(fā)送給機(jī)器人，并比對機(jī)器人反饋的程序號與PLC發(fā)送的程序號，程序號一致則由PLC發(fā)出PGNO_VALID，機(jī)器人開始執(zhí)行用戶子程序。
1.1.5 自動模式下的循環(huán)執(zhí)行
在無外部異常情況（急停安全類故障、一般性故障）時，MOVE_ENABLE信號常ON，DRIVE_OFF信號常OFF，DRIVE _ON首次啟動為脈沖信號，機(jī)器人運行時為常OFF，STOP_MASS信號為OFF，PRO_ACT為常ON信號，PGNO_ REQ和PGNO_VALID信號間隔性通斷。
1.1.6 機(jī)器人再啟動
當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)外部異常情況（急停安全類故障、一般性故障）時，在機(jī)器人的內(nèi)部STOP_MASS信號為ON，MOVE_ENABLE信號為OFF，EX_START信號被復(fù)位，但是ON_PATH和PRO_ACT信號不受影響，一直為ON的信號，此時需要我們將異常情況解除，故障復(fù)位后，MOVE_ENABLE信號為ON。
1.2 安川機(jī)器人啟動
圖2為安川機(jī)器人啟動時序，類比ABB機(jī)器人，除伺服使能和外部啟動外，兩者都可以不用MOVE_ENABLE動作可能信號（動作可能的意義就是在其信號為OFF時，機(jī)器人處于停機(jī)狀態(tài)，安川與ABB通過與PLC建立STOP指令來實現(xiàn)的，這個異曲同工），安川機(jī)器人的伺服使能和外部啟動可以用硬線連接控制（如圖3所示）。
另外安川機(jī)器人的MASTER程序是需要提前用戶來建立和定義的，建立后方可編程。
1.3 ABB機(jī)器人啟動
ABB啟動控制相較KUKA更直觀，核心點就是MOTOR _ON，MOTOR_OFF用于伺服上電使能，CYCLE_START用于動作可能（程序循環(huán)開啟），在這里也可不配置此信號點直接用示教器上面的啟動按鍵做動作可能， EX_START用于MAIN（CELL）程序啟用，當(dāng)接收到PLC發(fā)生的程序號及校驗有效時，機(jī)器人執(zhí)行用戶程序。
1.4 NACHI機(jī)器人啟動
NACHI啟動參考KUKAD 啟動時序，其中NACHI機(jī)器人作為固定信號輸入輸出不可變更，通用信號輸入輸出部分可以根據(jù)現(xiàn)場需要在“輸入輸出信號”中設(shè)定相應(yīng)的信號點，比如程序號、啟動、停止信號。關(guān)于程序掃描類比KUKA，做了一個“外部個別停止”等同于MOVE_ENABLE和CYCLE_START。
1.5 機(jī)器人啟動總結(jié)——核心前置三要素
1.5.1 伺服使能
首先機(jī)器人要啟動，核心就是機(jī)器人伺服使能（無論是DRIVE_ON、MOTOR_ON，還是SEVER_ON），它是驅(qū)動硬件系統(tǒng)的硬性需求，在伺服使能狀態(tài)下，各機(jī)器人軸電機(jī)勵磁，制動抱閘打開。
1.5.2 動作可能
在伺服使能過后，自動模式運行情況下，通過（MOVE -ABLE、外部個別停止、CYCLE_START等命令）讓機(jī)器人系統(tǒng)啟動起來，當(dāng)出現(xiàn)一般性停止時（第二章節(jié)講到），上述信號置為OFF，機(jī)器人斜坡停止，無抖動現(xiàn)象。
1.5.3 機(jī)器人外部啟動
當(dāng)機(jī)器人伺服使能、動作可能都OK時，PLC滿足其他條件后會給機(jī)器人發(fā)EX_START信號（這一點所有機(jī)器人都是相通的），機(jī)器人進(jìn)入MAIN循環(huán)程序，此時機(jī)器人并不執(zhí)行用戶程序，當(dāng)接收到PLC發(fā)送的程序號且校驗程序號有效之后才開始執(zhí)行用戶程序。
2 機(jī)器人停止控制
2.1 KUKA機(jī)器人停止
KUKA機(jī)器人的停機(jī)模式可分為安全類故障和非安全類故障停止，安全停止0和STOP0的安全等級最高，并依次降低，等級越高對機(jī)器人的動態(tài)制動響應(yīng)越快速，制動越快不僅會導(dǎo)致其本體的抖動，對機(jī)械傳動系統(tǒng)也存在損傷，所以應(yīng)盡量避免高等級故障停止的發(fā)生。
2.2 安川機(jī)器人停止
安川機(jī)器人的停機(jī)方式也有以下幾種原因：
2.2.1 暫停操作
執(zhí)行暫停后，機(jī)器人暫時停止，暫停可用如下裝置上的 [Hold]完成，它可以通過示教編程器（白色暫停按鈕）、外部輸入信號（PLC與機(jī)器人的IO配置STOP信號點）。
2.2.2 急停操作
急停操作后，伺服電源被切斷，機(jī)器人立即停止，它可以通過安全門、示教器、外部輸入信號（這里的外部輸入信號給定的急停往往都是來自PLC的安全輸出模塊）。
2.2.3 報警引起的停止
動作過程中發(fā)生報警后，機(jī)器人會立刻停止動作。示教編程器上顯示出報警畫面，通知用戶由于報警引起了停止。
2.2.4 其他停止
再現(xiàn)過程中，從再現(xiàn)模式切換到示教模式時機(jī)器人立即停止，執(zhí)行 PAUSE 命令，使機(jī)器人暫停。
2.3 ABB機(jī)器人停止
將安全面板的XS9的5腳與6腳、11腳與12腳的連接斷開，機(jī)器人就會進(jìn)入自動停止?fàn)顟B(tài)，AS1與AS2要分別單獨接入無源NC常閉觸點，AS1與AS2要同時使用。
將安全面板的XS7與XS8的第1腳與2腳的連接斷，機(jī)器人就會進(jìn)入緊急停止?fàn)顟B(tài)。ES1與ES2要分別單獨接入無源NC常閉觸點，ES1與ES2要同時使用。
將安全面板的XS9的5腳與6腳、11腳與12腳的連接斷開，機(jī)器人就會進(jìn)入自動停止?fàn)顟B(tài)。AS1與AS2要分別單獨接入無源NC常閉觸點，AS1與AS2要同時使用。
2.4 NACHI機(jī)器人停止
NACHI與 KUKA機(jī)器人的停機(jī)方式相近，分為安全類停機(jī)與一般故障類停機(jī)，安全類停機(jī)中也是通過安全電路板與外圍安全裝置連接，可以通過PLC安全模塊互聯(lián)或者是安全繼電器觸點連接。
2.5 停止總結(jié)—常見停機(jī)分類
2.5.1 一般性故障停機(jī)
當(dāng)PLC發(fā)送給機(jī)器人的動作可能信號由ON置為OFF時，機(jī)器人以及附加軸沿軌跡的制動斜坡制動，此時伺服驅(qū)動系統(tǒng)不會關(guān)閉，制動器不制動，伺服電機(jī)處于勵磁等待狀態(tài)，機(jī)器人減速平穩(wěn)停機(jī)，無抖動現(xiàn)象。
2.5.2 高級故障停機(jī)
當(dāng)機(jī)器人控制系統(tǒng)內(nèi)部與安全無關(guān)的部件出現(xiàn)內(nèi)部故障，則驅(qū)動系統(tǒng)立即關(guān)閉，制動器制動，機(jī)器人在額定位置快速制動，本體存在抖動現(xiàn)象（如電機(jī)過負(fù)荷、編碼器異常等故障）。
2.5.3 安全性停機(jī)
當(dāng)機(jī)器人安全控制系統(tǒng)或外圍安全設(shè)施異常時，驅(qū)動系統(tǒng)立即關(guān)閉，制動器制動，機(jī)器人快速制動，這種停機(jī)方式會使得機(jī)器人瞬間停機(jī)，存在抖動現(xiàn)象。
3 機(jī)器人停機(jī)再啟動
當(dāng)機(jī)器人因為各種原因停機(jī)后，再啟動首先需要對機(jī)器人停機(jī)的原因查明并解除相應(yīng)故障風(fēng)險點，按下RESET鍵（可以是PLC或者示教器，視具體情況來定）使機(jī)器人滿足再次開啟的前置條件，再啟動與首次啟動不同，因為絕大部分情況機(jī)器人已經(jīng)不在HOME位置而是在運行過程中（運行軌跡程序或是邏輯程序），這個需要PLC的再啟動邏輯并行控制機(jī)器人的啟動指令，當(dāng)故障解除且復(fù)位后再次按下啟動鍵，并可再次運行機(jī)器人。
4 結(jié)論
機(jī)器人啟?？刂浦?，雖然不同品牌的機(jī)器人各有特點但是其核心的邏輯架構(gòu)是一致的，無論是前期設(shè)計調(diào)試還是后期故障維保，抓住主線，摸清脈絡(luò)就能準(zhǔn)確、快速的解決疑難問題，以上是作者對工業(yè)機(jī)器人啟停動控制邏輯的一些淺見，文章描述過程中不免有不足之處，敬請同行給予指正。
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