焊接機(jī)器人及柔性夾具控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由兩部分組成：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)器人工作房、機(jī)器人本體、機(jī)器人外軸回轉(zhuǎn)臺(tái)及機(jī)器人周邊設(shè)備等；控制系統(tǒng)可分為機(jī)器人控制系統(tǒng)、工裝夾具識(shí)別及控制系統(tǒng)、人機(jī)界面等輔助單元。

機(jī)械結(jié)構(gòu)

1．機(jī)器人工作房

機(jī)器人工作房的布置及主要部件如圖1所示，工作房外形為六邊梯形，房間由方管框架加薄鐵板焊接而成，焊接機(jī)器人在房間中央位置，左右對(duì)稱位置各有一個(gè)工作臺(tái)，分別由兩個(gè)機(jī)器人外軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。兩工作臺(tái)之間有30°左右的夾角，機(jī)器人工作時(shí)可在兩工位之間切換，即機(jī)器人在左側(cè)工位焊接時(shí)，操作工可在右側(cè)工位上下料，同樣，當(dāng)機(jī)器人在右側(cè)工位工作時(shí)，操作工可在左側(cè)裝拆工件，這樣可使機(jī)器人停機(jī)等待時(shí)間大大減少，從而提高生產(chǎn)效率。

圖1 機(jī)器人工作房頂視圖

在機(jī)器人和回轉(zhuǎn)臺(tái)之間有氣缸驅(qū)動(dòng)的隔離裝置，它可以遮擋弧焊時(shí)產(chǎn)生的弧光和焊渣，并保護(hù)操作者在另一側(cè)操作時(shí)不受影響。在兩工位外側(cè)開了兩個(gè)門，以便操作，該門上方安裝了氣動(dòng)門簾，焊接時(shí)可自動(dòng)關(guān)上，以遮擋弧光和焊渣。

兩工位外側(cè)分別有一個(gè)雙手啟動(dòng)操作盒，用以操作焊接夾具盒啟動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行焊接工作。在整個(gè)工作房的前側(cè)有一個(gè)主操作面板，上面安裝了觸摸屏和若干按鈕，在此可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和操作。機(jī)器人工作房的外觀如圖2所示。

圖2 機(jī)器人工作房圖

我們采用的FANUC ROBOWELD 100i系列焊接機(jī)器人是標(biāo)準(zhǔn)的六軸機(jī)器人，具有六個(gè)自由度，理論上可以達(dá)到運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)，其臂展范圍為1440mm，配以松下的焊槍，足以滿足本系統(tǒng)的需要。另外，汽車零部件的焊接對(duì)機(jī)器人軌跡的重復(fù)定位精度有一定要求，一般應(yīng)小于0.5mm，而該機(jī)器人可達(dá)到0.2mm，可以滿足生產(chǎn)需要。此外，整車廠商對(duì)及時(shí)供貨和零庫(kù)存的要求決定了零部件廠商對(duì)生產(chǎn)效率的關(guān)注，所以對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化程度和零件生產(chǎn)節(jié)拍有近乎苛刻的要求，F(xiàn)ANUC機(jī)器人2000mm/s的直線速度可以大大減少機(jī)器人軌跡中空行程所浪費(fèi)的時(shí)間。機(jī)器人本體外形如圖3所示。

圖3 機(jī)器人本體

3．機(jī)器人外軸回轉(zhuǎn)臺(tái)

外軸回轉(zhuǎn)臺(tái)由支架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器和回轉(zhuǎn)框架等構(gòu)成，焊接夾具就固定在該框架上。回轉(zhuǎn)由機(jī)器人外軸直接控制，除去了以往由PLC控制的轉(zhuǎn)臺(tái)單獨(dú)回轉(zhuǎn)、位置確認(rèn)以及與機(jī)器人通信等過程所增加的許多時(shí)間。由于該回轉(zhuǎn)臺(tái)主動(dòng)側(cè)和從動(dòng)側(cè)之間的跨度較大（1800mm），而且在工作時(shí)轉(zhuǎn)速又很高，因此對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)在回轉(zhuǎn)時(shí)的跳動(dòng)范圍是有一定要求的，需認(rèn)真調(diào)校才能使回轉(zhuǎn)臺(tái)在工作時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，否則很容易引起電機(jī)過載、過熱等情況，嚴(yán)重時(shí)將損壞設(shè)備。

4．機(jī)器人周邊設(shè)備

機(jī)器人焊接時(shí)還需要用到其他輔助設(shè)備來使生產(chǎn)順利進(jìn)行，并減少停機(jī)時(shí)間、降低設(shè)備故障率、提高安全性等，所以，該機(jī)器人工作房中還安裝了一些周邊設(shè)備，如焊絲剪切裝置、噴硅油裝置、焊槍清洗裝置、光電保護(hù)裝置、焊絲管平衡吊空裝置等。

控制系統(tǒng)

該機(jī)器人工作房的控制系統(tǒng)可分為主控系統(tǒng)和機(jī)器人控制系統(tǒng)兩個(gè)層次，其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1、主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)采用OMRON CQM1H系列中小型PLC，該機(jī)種采用非機(jī)架結(jié)構(gòu)的模塊拼裝方式，從左向右分別由電源模塊PM、CPU模塊、功能模塊、輸入輸出模塊及終端蓋板組成。根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的不同，用戶可以選擇相應(yīng)的模塊來組成所需的控制系。由于CQM1H系列PLC的模塊種類豐富，功能齊全，幾乎可以適應(yīng)控制系統(tǒng)的各種需求，由其組成的系統(tǒng)也具有相當(dāng)?shù)娜嵝曰潭取?

本控制系統(tǒng)采用的模塊及其功能如下：

電源模塊PA206：提供穩(wěn)定的直流工作電源給各模塊使用。

CPU模塊CQM1H-CPU51：這是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，支持最大數(shù)量為512點(diǎn)的I/O；支持OMRON特殊指令如PID控制、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、宏指令、脈沖指令等；支持Compobus/S和AS接口的多種主從網(wǎng)絡(luò)模塊；支持OMRON最新版編程軟件CXP3.1；程序容量最大可達(dá)15.2K；內(nèi)建16點(diǎn)直流12～24V的輸入點(diǎn)。將編制好的程序下載運(yùn)行后可維持系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。該模塊提供一個(gè)RS232端口，和兩個(gè)內(nèi)裝板插槽，RS232端口可以和其他串口設(shè)備進(jìn)行通訊，該系統(tǒng)中納入的一個(gè)觸摸屏TP，就是通過CPU上自帶的RS232串口進(jìn)行通訊的；內(nèi)裝板插槽上最多可以安裝兩塊特殊功能卡，由于本系統(tǒng)無特殊功能需求，所以該槽上是空著的。

網(wǎng)絡(luò)主模塊CQM1-SRM21-V1：系統(tǒng)采用OMRON Compobus/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以大大減少現(xiàn)場(chǎng)接線工作量，并有效延長(zhǎng)連接電纜的使用壽命，增加可靠性。機(jī)器人工作房?jī)?nèi)兩個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)上各安裝一塊遠(yuǎn)程從模塊，通過網(wǎng)絡(luò)電纜和主模塊進(jìn)行通信，交換信息（I/O狀態(tài)刷新）。從模塊為16點(diǎn)的遠(yuǎn)程輸入模塊，其中低8位分配給該工位夾具上的氣缸檢測(cè)夾緊和松開狀態(tài)使用，高八位分配給系統(tǒng)用于識(shí)別夾具編號(hào)，進(jìn)而設(shè)定和儲(chǔ)存夾具控制信息，然后系統(tǒng)可以根據(jù)此信息來對(duì)不同夾具進(jìn)行相應(yīng)控制。

I/O輸入輸出模塊：輸入模塊用于接收機(jī)器人工作房中各按鈕、傳感器等信號(hào)，輸出模塊用于控制各種執(zhí)行器件，如氣缸、電機(jī)、機(jī)器人等根據(jù)工藝要求進(jìn)行動(dòng)作，滿足生產(chǎn)和安全的需要。機(jī)器人的控制由主控系統(tǒng)通過與機(jī)器人控制器之間的I/O信號(hào)交換來實(shí)現(xiàn)。

2、機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)由機(jī)器人控制器、外軸控制器、焊機(jī)等構(gòu)成；在控制屬性上，機(jī)器人控制系統(tǒng)是下層，是被控制的對(duì)象，它受上層主控系統(tǒng)的指揮和調(diào)用，處于被動(dòng)地位。

機(jī)器人控制器

由電源模塊、CPU、伺服控制單元、輸入輸出模塊、焊機(jī)接口模塊等組成，用以控制機(jī)器人本體的自如運(yùn)動(dòng)，控制方法為程序示教和再現(xiàn)法，這是通過連接于控制器上的TP (Teach-Pandent示教器) 來實(shí)現(xiàn)的。

外軸控制器

它是機(jī)器人控制器的擴(kuò)展，內(nèi)含一個(gè)伺服放大模塊，可以同時(shí)控制兩個(gè)外軸的運(yùn)動(dòng)。由于這兩個(gè)外軸是機(jī)器人控制器的一部分，所以它們可以在機(jī)器人本體移動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將焊接軌跡中通常需要由外軸單獨(dú)回轉(zhuǎn)的時(shí)間節(jié)約下來，提高了焊接效率。

焊機(jī)控制器

用于控制弧焊時(shí)的規(guī)范，如電流、電壓、焊絲的送給、焊接保護(hù)氣體通斷等，對(duì)焊接質(zhì)量的控制起關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵控制方法研究

客戶要求中關(guān)鍵及難點(diǎn)在于：多套夾具能在一套系統(tǒng)中共存，夾具的更換時(shí)間不應(yīng)超過五分鐘，新制夾具加入系統(tǒng)時(shí)，無需改動(dòng)PLC程序，做到自動(dòng)識(shí)別和控制（即所謂的柔性控制），且系統(tǒng)中的夾具可擴(kuò)展容量不應(yīng)小于100臺(tái)/套。

1．夾具控制字的形成

⑴控制對(duì)象特點(diǎn)

主要控制對(duì)象為夾具上的氣缸，每套夾具上的氣缸數(shù)量可能不一樣，但總數(shù)不超過4組，每組氣缸使用一個(gè)三位五通電磁閥，這樣每套夾具有2x4=8個(gè)輸出點(diǎn)控制電磁閥動(dòng)作，有兩個(gè)工位總共16個(gè)輸出點(diǎn)；同時(shí)為了檢測(cè)氣缸的夾緊或松開狀態(tài)，每組氣缸配有兩個(gè)傳感器（干簧管磁性開關(guān)），每套夾具2x4=8點(diǎn)輸入；鑒于夾具識(shí)別的需要，另分配8點(diǎn)輸入用于以兩進(jìn)制識(shí)別不同夾具，這樣每個(gè)工位上的16點(diǎn)遠(yuǎn)程輸入模塊正好用足，且夾具最大可擴(kuò)展數(shù)量為20+21+…+26+27=28=256，理論上兩工位有2x256=512套夾具容量，已足夠。

⑵控制特征

夾具上四組氣缸分別稱為第1、2、3、4組，在控制上的特征是：夾緊時(shí)的順序?yàn)?號(hào)夾緊，1號(hào)夾緊到位后2號(hào)夾緊，依此類推，全部氣缸都夾緊后啟動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行焊接作業(yè)；待機(jī)器人焊接完成后氣缸逐次松開，通常的順序與夾緊時(shí)相反。

根據(jù)夾具制造時(shí)的使用要求和工件焊接工藝的不同，有些夾具氣缸數(shù)量可能少于四；有些氣缸的夾緊或松開位置可能不必要進(jìn)行檢測(cè)等情況，設(shè)想在程序數(shù)據(jù)區(qū)中開辟若干存儲(chǔ)區(qū)間，分別用于存放該套夾具上的每組氣缸實(shí)際是否存在，每組氣缸的傳感器是否需要檢測(cè)等信息。

⑶數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方式

為了適應(yīng)更多的情況，每類信息分別形成數(shù)據(jù)后在相鄰的數(shù)據(jù)區(qū)儲(chǔ)存，每套夾具包含的信息暫定為3類：氣缸使用字、夾緊檢測(cè)字、松開檢測(cè)字，再加上1個(gè)備用字，故夾具控制字長(zhǎng)度為四個(gè)字；該信息可存放于以夾具編號(hào)作為索引間接尋址的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，當(dāng)需要控制時(shí)可由系統(tǒng)將夾具信息再次尋址調(diào)出，按固定格式對(duì)夾具氣缸進(jìn)行控制，具體內(nèi)容見表1：

2．夾具自動(dòng)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)：

⑴硬件組成

主要依賴夾具接線盒中的識(shí)別芯片，該芯片其實(shí)只是一塊小線路板，裝了一塊8位DIP撥碼開關(guān)，通過二進(jìn)制方式來表明該夾具的編號(hào)，每套夾具上都安裝了一個(gè)接線盒，通過這種方式從硬件上來實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具的編碼，既簡(jiǎn)單也實(shí)用，且容易實(shí)現(xiàn)。

⑵軟件實(shí)現(xiàn)：

PLC程序上，每次程序循環(huán)中都對(duì)遠(yuǎn)程模塊上對(duì)應(yīng)于夾具編號(hào)的輸入點(diǎn)進(jìn)行掃描，并放入暫存區(qū)，同時(shí)與記憶區(qū)中的夾具編號(hào)進(jìn)行比較。如果兩者相同，則表明該工位上的夾具狀態(tài)正常，無需任何動(dòng)作；如果不同，則提示夾具編號(hào)變化，需操作員確認(rèn)，此時(shí)又分為兩種情況：

① 有新夾具換上工作臺(tái)，且系統(tǒng)已經(jīng)正確識(shí)別出新放入的夾具的編號(hào)，那么操作員需要在觸摸屏上確認(rèn)該夾具編號(hào)的正確性。如果放上的夾具以前從未在該系統(tǒng)中使用過，則需對(duì)該夾具的控制字進(jìn)行正確設(shè)置后寫入PLC數(shù)據(jù)區(qū)；如果該夾具曾經(jīng)在本系統(tǒng)中使用過至少一次，即數(shù)據(jù)區(qū)中保留有該夾具號(hào)對(duì)應(yīng)的控制信息，那么操作員在確認(rèn)夾具編號(hào)后，該夾具的控制信息會(huì)由系統(tǒng)以間接尋址方式自動(dòng)調(diào)用出來，并顯示在觸摸屏上，確認(rèn)無誤，即可開始生產(chǎn)。

② 由于硬件故障（連線斷裂、網(wǎng)絡(luò)故障等）造成自動(dòng)識(shí)別出的夾具編號(hào)與實(shí)際不符時(shí)，（識(shí)別出錯(cuò)）可通過強(qiáng)行寫入正確夾具編號(hào)的方式來讓系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式進(jìn)行生產(chǎn)，待完成任務(wù)后再進(jìn)行維修等操作，以緩解生產(chǎn)壓力。

綜合①②兩點(diǎn)可知，夾具識(shí)別流程如圖5：

圖5 夾具識(shí)別流程圖

3．多夾具系統(tǒng)氣缸柔性控制

根據(jù)夾具控制特點(diǎn)，各氣缸由電磁閥控制，按工藝要求進(jìn)行先后動(dòng)作，編制程序如圖6：

圖6 具夾緊流程梯形圖

在程序條“0”中，200通道為夾緊流程控制字，需要夾緊時(shí)將1寫入200通道，則200.00位成為一號(hào)氣缸夾緊動(dòng)作標(biāo)志位；條“1”中，HR40.00為根據(jù)間接尋址查表得到的該夾具控制字中一號(hào)氣缸的啟用標(biāo)志，如果該標(biāo)志為1，則在200.00位為1的條件下，右側(cè)的輸出201.00為ON，此時(shí)一號(hào)氣缸夾緊電磁閥通電，產(chǎn)生氣缸夾緊動(dòng)作；當(dāng)程序檢測(cè)到該氣缸夾緊后，一號(hào)夾緊標(biāo)志位HR65.00為ON，所以輸出200.01為ON，并自保，同時(shí)切斷201.00的通路，使201.00為OFF，一號(hào)氣缸夾緊電磁閥斷電，不再動(dòng)作，此時(shí)一號(hào)氣缸夾緊動(dòng)作完成；當(dāng)然，如果一號(hào)氣缸的啟用標(biāo)志HR40.00為0，則201.00始終為OFF，同時(shí)由于HR40.00的非并與一號(hào)氣缸夾緊指示標(biāo)志位下方，故程序直接接通200.01為ON，進(jìn)行下一步動(dòng)作。

與一號(hào)氣缸夾緊過程完全類似，當(dāng)所有氣缸都夾緊后，進(jìn)入夾緊控制流程的結(jié)束控制位，當(dāng)該位為ON后，程序?qū)?duì)通道清零，至此夾具的夾緊控制已告完成。

以上編程方法，可觸類旁通，再編寫出夾具松開流程的控制程序，然后分別做出兩工位各自的夾具夾緊和松開程序，那么這部分的功能就算完全實(shí)現(xiàn)了。