劉立業(yè)，容海亮

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，河北 石家莊 050081)

0 引言

傳統(tǒng)的沖壓工藝流水線生產(chǎn)過(guò)程往往需要人工上料.而人工上料存在過(guò)程較長(zhǎng)，準(zhǔn)確度較低，生產(chǎn)效率不高等問(wèn)題.隨著先進(jìn)裝備制造相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，尤其是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用，沖壓工藝發(fā)生了巨大的變化[1-2].將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到?jīng)_壓流水線的工藝過(guò)程中，可提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程由人工上料到自動(dòng)化上料的轉(zhuǎn)變.但是由于沖壓工藝自動(dòng)化設(shè)備的初期投入較高，受生產(chǎn)成本的影響，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的廣泛應(yīng)用及自動(dòng)化程度都有待進(jìn)一步提高[3].

為了增強(qiáng)沖壓工藝過(guò)程的自動(dòng)化程度，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，組態(tài)監(jiān)控技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用.本文在分析工業(yè)機(jī)器人跟蹤軌跡的基礎(chǔ)上，基于組態(tài)監(jiān)控技術(shù)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套模擬沖壓生產(chǎn)工藝設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，以期提高沖壓工藝監(jiān)控過(guò)程的自動(dòng)化程度.

1 模擬沖壓工藝自動(dòng)化系統(tǒng)

現(xiàn)代自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了沖壓工藝流水線生產(chǎn)設(shè)備的不斷更新.工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)傳輸機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化.不同的沖壓工藝流水線具有不同的傳輸結(jié)構(gòu)，例如，平行四邊形機(jī)械手結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的傳輸結(jié)構(gòu)，它簡(jiǎn)單，易操作，但因適應(yīng)性較差，靈活性不足等原因而被淘汰.單臂式或雙臂橫桿式等靈活性、穩(wěn)定性更好的傳輸機(jī)構(gòu)則得到了廣泛的應(yīng)用，例如，Gudel公司的Robobeam、德國(guó)前MW的Speedbar及日本Komatsu的H*TL系統(tǒng)[4].工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓工藝將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)引入到?jīng)_壓工藝過(guò)程中，其模擬沖壓工藝設(shè)備如圖1所示.

圖1 工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓工藝設(shè)備

工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓工藝流水線的生產(chǎn)工藝流程示意圖如圖2所示.具體流程是：系統(tǒng)初始狀態(tài)時(shí)，工業(yè)機(jī)器人處于待激活狀態(tài)，工料置于未成品上料區(qū)，機(jī)器人從未成品上料區(qū)將工料搬出放到料井中；料井底部的光電傳感器檢測(cè)到物塊后，其所控制的氣缸和電機(jī)開(kāi)始工作；工料被氣缸推送到傳送帶上，然后被運(yùn)輸?shù)絺鲃?dòng)帶的另一端；傳送帶上的光電傳感器檢測(cè)到有工料后，控制器將搬運(yùn)信號(hào)發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人；工業(yè)機(jī)器人將工料夾取到?jīng)_壓前光電傳感器處；光電傳感器檢測(cè)到有工料后，機(jī)器人將到位信號(hào)反饋給控制器；控制器再驅(qū)使推料氣缸工作，并將工料推到?jīng)_壓氣缸下進(jìn)行沖壓；沖壓結(jié)束后，工料被氣缸推出，沖壓完成.光電傳感器檢測(cè)到有工料后，控制器會(huì)給工業(yè)機(jī)器人傳送完成信號(hào)，機(jī)器人夾取工料經(jīng)過(guò)工料識(shí)別區(qū)，將工料放到成品碼垛區(qū).

圖2 工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓工藝流程示意圖

2 工業(yè)機(jī)器人軌跡控制

在工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓工藝控制系統(tǒng)中，軌跡控制是關(guān)系到模擬沖壓工藝運(yùn)行穩(wěn)定和準(zhǔn)確的重要控制對(duì)象，也是工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確抓取的重要保障，如圖3所示.因此，對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行軌跡控制分析是必不可少的，例如，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，可以分析機(jī)器人每個(gè)機(jī)械關(guān)節(jié)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系，并獲得工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的軌跡[5].

圖3 工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓工藝抓取工位

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是設(shè)計(jì)和控制工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)性工具，根據(jù)分析問(wèn)題的類(lèi)型，可以分為運(yùn)動(dòng)學(xué)正向問(wèn)題分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)逆向問(wèn)題分析兩種[2].運(yùn)動(dòng)學(xué)逆向問(wèn)題的解決需要根據(jù)已知參考坐標(biāo)系下末端執(zhí)行器的空間坐標(biāo)，求解工業(yè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的空間向量.運(yùn)動(dòng)學(xué)正向問(wèn)題則根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的各機(jī)械關(guān)節(jié)參數(shù)，求參考坐標(biāo)系下末端執(zhí)行器的空間坐標(biāo)和相對(duì)位置.歐拉角(Euler)和直角坐標(biāo)系下的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正向問(wèn)題求解公式如(1)式所示.

OTB+Euler=Trans(dx,dy,dz)Rot(x,φ)Rot(y,θ)×Rot(z,ψ)

(1)

在公式(1)中，O表示運(yùn)動(dòng)前的原直角坐標(biāo)系；B表示運(yùn)動(dòng)后的直角坐標(biāo)系；dx表示在B坐標(biāo)系下沿x軸平移的位移；dy表示在B坐標(biāo)系下沿y軸平移的位移；dz表示在B坐標(biāo)系下沿z軸平移的位移；Trans表示平移；Rot表示旋轉(zhuǎn)；φ，θ和ψ分別表示在B坐標(biāo)系下繞x，y和z軸旋轉(zhuǎn)的角度.

(2)

(3)

(4)

(5)

由公式(1)可知，目標(biāo)坐標(biāo)下的軌跡受工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、平移位置和旋轉(zhuǎn)角度的影響，在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，這些影響因素均是已知量.因此，工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正向問(wèn)題容易求解，即末端軌跡容易求得.采用運(yùn)動(dòng)學(xué)正向問(wèn)題分析求解工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的空間坐標(biāo)和相對(duì)位置信息，能夠有效地提高工業(yè)機(jī)器人抓取的準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人高效、平穩(wěn)運(yùn)行.但隨著工業(yè)機(jī)器人自由度的增加，其運(yùn)動(dòng)學(xué)正向問(wèn)題的解析解變得更為復(fù)雜，甚至難以得到.因此，多自由度工業(yè)機(jī)器人的軌跡控制數(shù)學(xué)求解問(wèn)題亟需更為有效和簡(jiǎn)化的方式.

3 組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文基于模擬沖壓工藝流程分析及工業(yè)機(jī)器人末端軌跡的求解，來(lái)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓生產(chǎn)流水線組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng).基于組態(tài)技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓工藝組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的閉環(huán)設(shè)計(jì)流程如圖4所示.

圖4 工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓工藝組態(tài)

通過(guò)上位組態(tài)軟件(組態(tài)王6.53)設(shè)計(jì)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的仿真界面，實(shí)時(shí)顯示并監(jiān)控模擬沖壓流水線上設(shè)備的運(yùn)行情況，反映控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)的工作狀態(tài).通過(guò)對(duì)監(jiān)控任務(wù)的分析來(lái)設(shè)計(jì)組態(tài)界面，如圖5所示.

圖5 工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓工藝組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)界面

在工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓系統(tǒng)中，分布有4個(gè)沖壓氣缸.當(dāng)氣缸工作時(shí)，變?yōu)榫G色，處于激活狀態(tài)；當(dāng)氣缸不工作時(shí)，為黑色，處于待激活狀態(tài).每個(gè)氣缸有兩個(gè)指示燈，分別為置位指示燈和復(fù)位指示燈.當(dāng)氣缸推出沖壓時(shí)，置位指示燈亮；當(dāng)氣缸收回時(shí)，復(fù)位指示燈亮.

仿真界面設(shè)計(jì)完成后，需要合理地設(shè)計(jì)相關(guān)變量，并進(jìn)行動(dòng)畫(huà)連接，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控.變量設(shè)置如圖6所示，在圖6中，連接設(shè)備的型號(hào)為西門(mén)子S7200系列，其寄存器的地址作為控制器的輸入/輸出(Input/Output，I/O)地址.在進(jìn)行變量設(shè)置時(shí)，要注意組態(tài)中的變量必須與控制器中的I/O地址一致，否則無(wú)法正確實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能.

圖6 組態(tài)變量設(shè)置界面截圖

4 運(yùn)行效果

在動(dòng)畫(huà)連接后，進(jìn)行仿真調(diào)試運(yùn)行，如圖7所示.工料在上料工位被氣缸推出，氣缸處于激活狀態(tài)，置位指示燈變亮.隨后，傳送帶將工料傳送至工業(yè)機(jī)器人抓取工位，由工業(yè)機(jī)器人準(zhǔn)確抓取并放置在沖壓工位.待光電傳感器檢測(cè)工料到位后，沖壓氣缸一處于激活狀態(tài)且置位指示燈變亮，工料被推至氣缸二的沖壓工位.待沖壓工位光電傳感器檢測(cè)到工料到位后，氣缸二被激活，且置位指示燈變亮，實(shí)現(xiàn)工料沖壓.

圖7 工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓工藝監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行效果

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于組態(tài)監(jiān)控技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人模擬沖壓工藝過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng).在設(shè)計(jì)時(shí)，采用工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正向問(wèn)題分析法對(duì)其末端軌跡進(jìn)行分析，得到了空間坐標(biāo)和相對(duì)位置等有效信息.仿真調(diào)試時(shí)，界面運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)工況，準(zhǔn)確反映控制系統(tǒng)中各設(shè)備的工作狀態(tài).