劉海龍,張 蕾,吳海波

(湖南鐵道職業(yè)技術學院,湖南 株洲 412001)

0 引 言

在“中國制造2025”戰(zhàn)略背景下，以工業(yè)機器人應用為核心的智能制造工廠近年得到極大的發(fā)展[1]。重復性的批量加工作業(yè)采用工業(yè)機器人自動化生產線不但可以極大地提高生產效率，還可極大地提高產品的良品率和生產穩(wěn)定性，可以說智能制造生產依然是未來制造業(yè)轉型升級的重要發(fā)展方向[2-4]。本文以汽車輪轂打磨作業(yè)為研究對象，研究多工業(yè)機器人實現(xiàn)汽車輪轂打磨作業(yè)的協(xié)同生產設計方案。

汽車輪轂的生產過程需先后經歷熔煉、鑄造、熱處理、機加工和打磨等多道工序，未打磨的汽車輪轂存在多毛刺與毛邊的問題，目前很多企業(yè)還是通過人工使用銼刀、磨棒等工具進行手工打磨作業(yè)，存在勞動強度大、效率低和噪聲大等問題[5]。針對以上問題，德國亞深工業(yè)大學的Connolly[6]提出了將機器人集成到銑床上，研究分析機器人與銑床同時執(zhí)行打磨步驟的組合。該方案投資較大，普適性較窄。瑞典隆德大學的Moyne[7]提出了輪轂打磨柔性制造方案，采用新的Gantry-Tau機械手，適用于打磨、去毛刺等任務。但該方案對打磨機器人有特殊要求，在大規(guī)模推廣應用上存在不足。美國斯蒂文理工學院的Qi等人[8]提出了設計一種機器人去打磨去毛刺的新型氣動工具，將機器人和工具控制集成一起，協(xié)調打磨工具和機器人的運動軌跡并模擬了仿真系統(tǒng)。但該方案沒有針對輪轂的背面和異型處如何轉換工件角度問題提出解決方案，還需進一步研究。在國內，文獻[9]提出了一種使用離線軌跡法向恒定控制的機器人打磨去毛刺的控制系統(tǒng)，動態(tài)調整不合理位置點，實時修正初始軌跡。但該方法仍采用示教器獲得毛刺邊緣輪廓，使用中存在一定的缺陷。文獻[10]基于力反饋的機器人打磨軟硬件系統(tǒng)，可實現(xiàn)針對未知輪轂打磨軌跡自適應控制軌跡。但該方案針對異型內側的打磨力覺反饋值可能會出現(xiàn)一定的偏差，影響精確性。

針對上述問題，本文按企業(yè)實際生產需求，利用SolidWorks和RobotStudio建模和仿真軟件構建汽車輪轂自動打磨加工生產線。通過真實現(xiàn)場環(huán)境搭建外圍設備模型生產工序，創(chuàng)建雙工業(yè)機器人協(xié)同控制作業(yè)模型，實時調整機器人運動速度參數(shù)來動態(tài)調整雙機器人的相對位置。該方案可實現(xiàn)汽車輪轂工件的正反面裝換、角度轉換，動態(tài)調整打磨去毛刺軌跡，具有良好的普適性。

1 系統(tǒng)總體結構與工作流程

RobotStudio是世界500強之一的ABB公司開發(fā)的離線仿真軟件，該軟件是以ABB工業(yè)機器人為核心的機械、電氣、傳感器、通信等綜合性的動態(tài)仿真設計應用[11-12]。RobotStudio所需的精確三維模型需要通過CAD軟件預先設計并導入，導入后進行工作站環(huán)境布局和搭建，隨后構建傳感器、I/O網(wǎng)絡、電氣控制邏輯和動態(tài)組件等功能。仿真工作站在模型的機械結構、尺寸、電氣控制邏輯、I/O端口及配置等方面均與實際工作站需求設計一致[13]。保證了調試好的仿真設計方案可直接應用于生產。

1.1 系統(tǒng)組成結構

針對市場上主流的轎車鋁合金輪轂質量約為12～18 kg[14]，再結合材料、加工精度、尺寸等多方面實際情況，系統(tǒng)選用ABB IRB2600型工業(yè)機器人為核心，配合PLC、輸送鏈、上料夾具、打磨工具和傳感器網(wǎng)絡等多設備進行集成和綜合應用。ABB IRB2600型工業(yè)機器人最高載荷20 kg，臂長1.65 m[15]，主要應用于上下料、搬運等工作站中，非常適合本設計方案。PLC可編程控制器在虛擬仿真軟件中采用Smart組件模擬實現(xiàn)其功能[16]。輸送帶則通過創(chuàng)建機械裝置實現(xiàn)其功能，在實際應用中輸送帶的步進電機由PLC輸出信號控制。工業(yè)機器人對輪轂的上料通過啟動夾爪實現(xiàn)，控制邏輯原理為機器人輸出數(shù)字信號控制啟動夾爪對應的電磁閥，仿真中對配置與實際一致的I/O進行控制。在通信網(wǎng)絡上，PLC、上料機器人、打磨機器人三者之間通過I/O端口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構框圖

1.2 系統(tǒng)工作流程設計

根據(jù)汽車輪轂特性及打磨去毛刺作業(yè)工序要求，工作站為整個輪轂生產線的組成部分，本文在工作站的輸送鏈上游工序和下游工序均設計良好的擴展性，方便不同工序工作站的無縫對接[17-18]。在一個循環(huán)作業(yè)工序中，當輸送鏈將輪轂待打磨工件運送至指定位置時，觸發(fā)傳感器檢測信號，信號以I/O端口發(fā)送給Smart控制組件，該步驟相當于模擬PLC功能。Smart停止輸送鏈并固定后，由上料機器人接收上料信號并上料抓取輪轂；上料成功后機器人與打磨機器人實時通信互聯(lián)獲取雙方設備的狀態(tài)，打磨機器人根據(jù)上料機器人狀態(tài)信號進行精確配合和打磨作業(yè)；接著打磨機器人啟動邊緣檢測傳感器跟隨機器人運動軌跡檢測輪轂的合格性[19]；然后重新放置輸送鏈進行下一道工序。整個工作站需要雙機器人、輸送鏈、傳感器、PLC等多設備相互連接與精密配合才能完成，在設計中加入了機器人的運行狀態(tài)監(jiān)控和防碰撞設計，防止碰撞及危險因素的發(fā)生。系統(tǒng)詳細作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 打磨工作站作業(yè)流程

2 動態(tài)組件的設計

在RobotStudio軟件中，動態(tài)組件是通過Smart功能設計的，是工作站系統(tǒng)設計核心內容之一[21-22]。首先在SolidWorks軟件中設計并創(chuàng)建傳送帶、上料機器人夾爪、打磨機器人工具和汽車輪轂模型，格式保存為STEP AP203或AP214格式。將設計好的模型組件導入到RobotStudio軟件中，對其空間進行合理布局與規(guī)劃；然后選用ABB IRB2600型工業(yè)機器人2臺，并安裝設計好的專用工具組件，生成機器人系統(tǒng)工作站。以上步驟完成后，將進行Smart組件的設計。

2.1 Smart組件及控制邏輯

Smart功能組件是RobotStudio軟件中重要的功能，仿真中涉及的機械活動部件和電氣控制邏輯組件可通過Smart組件實現(xiàn)[23-24]。為實現(xiàn)輸送帶的物料輸送功能，使用“創(chuàng)建機械裝置”功能設計輸送鏈的機械運動屬性，如速度、控制I/O、運動距離等，并生成輸送鏈機械裝置Conveyor。為實現(xiàn)汽車輪轂工件的上料，針對上料機器人的法蘭盤和工件特征，創(chuàng)建Smart組件SC_Gripper，并在夾具中創(chuàng)建線傳感器LineSensor，對輪轂工件進行目標定位檢測；邏輯上為實現(xiàn)控制氣缸夾取與釋放，創(chuàng)建Attacher夾取控制邏輯和Detacher釋放控制邏輯；由于控制氣缸的電磁閥是通過I/O控制的，需添加LogicGate[NOT]非門邏輯；夾具啟動信號為diGripper,完成作業(yè)輸出doVacuumOK，機械動作時間配置為0.5 s，其詳細邏輯控制關系如圖3所示。同理，針對打磨機器人專用打磨工具，創(chuàng)建SC_Polish Smart組件，并為其配置相關邏輯功能。

圖3 SC_Gripper設計邏輯圖

2.2 I/O信號配置及連接

工作站系統(tǒng)各個模型組件及Smart組件設計完成后，需要通過配置I/O實現(xiàn)PLC、多工業(yè)機器人、傳送帶組件、夾具組件、打磨組件和傳感器等設備的無縫連接。在實際應用中所采用的PLC S7-1200在軟件中可通過Smart組件模擬其控制功能。在系統(tǒng)的I/O設計中，機器人控制設備對象采用數(shù)字輸出信號與執(zhí)行機構的Smart組件數(shù)字輸入信號連接，傳感器信號則根據(jù)類型以數(shù)字輸出信號、模型輸出信號的形式與機器人、PLC組件的對應信號連接。系統(tǒng)以上料機器人和打磨機器人為核心，配置4路數(shù)字輸入信號分別為合作機器人配合完成、工件準備就緒、上料完成和打磨工序完成。配置4路數(shù)字輸出信號分別表示與合作機器人配合本機完成、上料夾具控制、啟動傳感器檢查和工件定位擋板。配置2路模擬輸出信號為打磨工具電機控制信號和傳送帶電機控制信號。系統(tǒng)詳細I/O信號的配置參數(shù)如表1所示。

表1 I/O信號的變量參數(shù)

3 系統(tǒng)編程與調試

3.1 機器人離線編程

完成打磨生產線的模型布局、Smart組件設計和I/O連接設計后，根據(jù)輪轂打磨工序流程設計工業(yè)機器人的運動軌跡和打磨流程。工業(yè)機器人的程序設計根據(jù)功能的區(qū)分設置不同的功能程序模塊，由Main主函數(shù)進行邏輯控制和功能函數(shù)調用。程序設計的關鍵點在于對工件定位、鏤空部位打磨定位這2方面的配合，若達到一定誤差則有發(fā)生碰撞的危險。在程序設計中，為保證硬件設備的穩(wěn)定性需要首先進行硬件初始化，如I/O端口的初始狀態(tài)、變量初始狀態(tài)等。由于系統(tǒng)拾取和搬運的動作邏輯較多，此處以打磨機器人主程序模塊舉例，展示工作邏輯，其主程序如下：

CONST.robtarget.Target_10:=[…];

!定義上料目標點位置

CONST.robtarget.Target_20:=[…];

!定義放置目標點位置

CONST.robtarget.Target_30:=[…];

!定義打磨目標點位置

PROC main()

rInitAll; !初始化設備狀態(tài)

VelSet 150,300; !速度控制

WHILE TRUE DO; !循環(huán)

Set Do_ Flapper；!工件定位擋板定位

WaitDI Di_RobotRy&Di_WorkpieceRy,1;

!等待機器人就位信號

PickupWorkpiece; !調用拾取函數(shù)

Set Do_PickupScrew; !拾取完成信號置1

PolishControl; !調用打磨程序

WaitDI Di_ PolishOk,1; !等待打磨完成信號

PlaceWorkpiece; !調用放置函數(shù)

Movel Home; !機器人回到home點

ClkStart Timer; !統(tǒng)計機器人運行時間

ENDWHILE

ENDPROC

…

3.2 系統(tǒng)仿真與調試

完成工業(yè)機器人的軌跡編程和系統(tǒng)的工作邏輯后，需要通過仿真驗證功能的可行性和優(yōu)化路徑。在工作站仿真之前需要配置進入點指針p指向main主程序，配置系統(tǒng)的啟動數(shù)字輸入信號diStart，并設置雙機器人軌跡跟蹤曲線，實時監(jiān)控機器人路徑。單擊“仿真-播放”，啟動觸發(fā)信號將diStart置1，系統(tǒng)硬件初始化，I/O端口初始化，輸送鏈啟動運行，線傳感器檢測工件安裝底座運行至指定位置時觸發(fā)輸送鏈停止信號，定位擋板上升固定住輪轂工件。

與此同時，機器人接收傳感器到達的信號，抓取輪轂工件并運動至指定位置，配合打磨機器人完成雙機配合打磨作業(yè)。完成后觸發(fā)輸送鏈運行至下一道工序，工作站作為整個輪轂生產線的一個組成部分，對上道工序和后道工序均保留有設備接口，具有良好的擴展性。

通過RobotStudio仿真軟件，在Smart組件的功能上模擬了PLC控制邏輯的功能，動態(tài)組件模塊的控制邏輯均通過Smart組件設計。系統(tǒng)設計有豐富的對外接口，與其他部件進行關聯(lián)和通信，整個工作站的邏輯在仿真配置中，配置多機器人、Smart和機械組件的系統(tǒng)工作邏輯。通過仿真和調試，整個工作站能夠循環(huán)、平穩(wěn)、高效運行，大大提高現(xiàn)場調試效率和調試周期，達到了預期設計目標。系統(tǒng)仿真示意圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真與調試圖

4 結束語

本文根據(jù)汽車輪轂打磨去毛刺生產工序和工藝流程，搭建了工業(yè)機器人自動化打磨工作站，設計了工作站相關組件模型、傳感器、I/O網(wǎng)絡、Smart動態(tài)邏輯組件等機械、電氣部件，并通過系統(tǒng)工作站邏輯和機器人離線軌跡程序實現(xiàn)了系統(tǒng)的生產功能驗證和動態(tài)仿真。本文方案利用虛擬仿真技術有效地解決了以工業(yè)機器人為核心的自動化生產線硬件研發(fā)投資大、調試設備周期長、機器人路徑規(guī)劃難等難點問題。仿真平臺可以為實際輪轂打磨去毛刺生產線的設計與生產提供理論依據(jù)和驗證平臺，還能對現(xiàn)實生產線的改進升級提供有效支撐，對布局的合理性、優(yōu)化機器人運行軌跡、提高加工效率和節(jié)能降耗方面可提供便捷的驗證平臺。