基于多工业机器人的轮毂打磨工作站系统

刘海龙,张 蕾,吴海波

(湖南铁道职业技术学院,湖南 株洲 412001)

0 引 言

在“中国制造2025”战略背景下，以工业机器人应用为核心的智能制造工厂近年得到极大的发展[1]。重复性的批量加工作业采用工业机器人自动化生产线不但可以极大地提高生产效率，还可极大地提高产品的良品率和生产稳定性，可以说智能制造生产依然是未来制造业转型升级的重要发展方向[2-4]。本文以汽车轮毂打磨作业为研究对象，研究多工业机器人实现汽车轮毂打磨作业的协同生产设计方案。

汽车轮毂的生产过程需先后经历熔炼、铸造、热处理、机加工和打磨等多道工序，未打磨的汽车轮毂存在多毛刺与毛边的问题，目前很多企业还是通过人工使用锉刀、磨棒等工具进行手工打磨作业，存在劳动强度大、效率低和噪声大等问题[5]。针对以上问题，德国亚深工业大学的Connolly[6]提出了将机器人集成到铣床上，研究分析机器人与铣床同时执行打磨步骤的组合。该方案投资较大，普适性较窄。瑞典隆德大学的Moyne[7]提出了轮毂打磨柔性制造方案，采用新的Gantry-Tau机械手，适用于打磨、去毛刺等任务。但该方案对打磨机器人有特殊要求，在大规模推广应用上存在不足。美国斯蒂文理工学院的Qi等人[8]提出了设计一种机器人去打磨去毛刺的新型气动工具，将机器人和工具控制集成一起，协调打磨工具和机器人的运动轨迹并模拟了仿真系统。但该方案没有针对轮毂的背面和异型处如何转换工件角度问题提出解决方案，还需进一步研究。在国内，文献[9]提出了一种使用离线轨迹法向恒定控制的机器人打磨去毛刺的控制系统，动态调整不合理位置点，实时修正初始轨迹。但该方法仍采用示教器获得毛刺边缘轮廓，使用中存在一定的缺陷。文献[10]基于力反馈的机器人打磨软硬件系统，可实现针对未知轮毂打磨轨迹自适应控制轨迹。但该方案针对异型内侧的打磨力觉反馈值可能会出现一定的偏差，影响精确性。

针对上述问题，本文按企业实际生产需求，利用SolidWorks和RobotStudio建模和仿真软件构建汽车轮毂自动打磨加工生产线。通过真实现场环境搭建外围设备模型生产工序，创建双工业机器人协同控制作业模型，实时调整机器人运动速度参数来动态调整双机器人的相对位置。该方案可实现汽车轮毂工件的正反面装换、角度转换，动态调整打磨去毛刺轨迹，具有良好的普适性。

1 系统总体结构与工作流程

RobotStudio是世界500强之一的ABB公司开发的离线仿真软件，该软件是以ABB工业机器人为核心的机械、电气、传感器、通信等综合性的动态仿真设计应用[11-12]。RobotStudio所需的精确三维模型需要通过CAD软件预先设计并导入，导入后进行工作站环境布局和搭建，随后构建传感器、I/O网络、电气控制逻辑和动态组件等功能。仿真工作站在模型的机械结构、尺寸、电气控制逻辑、I/O端口及配置等方面均与实际工作站需求设计一致[13]。保证了调试好的仿真设计方案可直接应用于生产。

1.1 系统组成结构

针对市场上主流的轿车铝合金轮毂质量约为12～18 kg[14]，再结合材料、加工精度、尺寸等多方面实际情况，系统选用ABB IRB2600型工业机器人为核心，配合PLC、输送链、上料夹具、打磨工具和传感器网络等多设备进行集成和综合应用。ABB IRB2600型工业机器人最高载荷20 kg，臂长1.65 m[15]，主要应用于上下料、搬运等工作站中，非常适合本设计方案。PLC可编程控制器在虚拟仿真软件中采用Smart组件模拟实现其功能[16]。输送带则通过创建机械装置实现其功能，在实际应用中输送带的步进电机由PLC输出信号控制。工业机器人对轮毂的上料通过启动夹爪实现，控制逻辑原理为机器人输出数字信号控制启动夹爪对应的电磁阀，仿真中对配置与实际一致的I/O进行控制。在通信网络上，PLC、上料机器人、打磨机器人三者之间通过I/O端口实现数据的交互。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构框图

1.2 系统工作流程设计

根据汽车轮毂特性及打磨去毛刺作业工序要求，工作站为整个轮毂生产线的组成部分，本文在工作站的输送链上游工序和下游工序均设计良好的扩展性，方便不同工序工作站的无缝对接[17-18]。在一个循环作业工序中，当输送链将轮毂待打磨工件运送至指定位置时，触发传感器检测信号，信号以I/O端口发送给Smart控制组件，该步骤相当于模拟PLC功能。Smart停止输送链并固定后，由上料机器人接收上料信号并上料抓取轮毂；上料成功后机器人与打磨机器人实时通信互联获取双方设备的状态，打磨机器人根据上料机器人状态信号进行精确配合和打磨作业；接着打磨机器人启动边缘检测传感器跟随机器人运动轨迹检测轮毂的合格性[19]；然后重新放置输送链进行下一道工序。整个工作站需要双机器人、输送链、传感器、PLC等多设备相互连接与精密配合才能完成，在设计中加入了机器人的运行状态监控和防碰撞设计，防止碰撞及危险因素的发生。系统详细作业流程如图2所示。

图2 打磨工作站作业流程

2 动态组件的设计

在RobotStudio软件中，动态组件是通过Smart功能设计的，是工作站系统设计核心内容之一[21-22]。首先在SolidWorks软件中设计并创建传送带、上料机器人夹爪、打磨机器人工具和汽车轮毂模型，格式保存为STEP AP203或AP214格式。将设计好的模型组件导入到RobotStudio软件中，对其空间进行合理布局与规划；然后选用ABB IRB2600型工业机器人2台，并安装设计好的专用工具组件，生成机器人系统工作站。以上步骤完成后，将进行Smart组件的设计。

2.1 Smart组件及控制逻辑

Smart功能组件是RobotStudio软件中重要的功能，仿真中涉及的机械活动部件和电气控制逻辑组件可通过Smart组件实现[23-24]。为实现输送带的物料输送功能，使用“创建机械装置”功能设计输送链的机械运动属性，如速度、控制I/O、运动距离等，并生成输送链机械装置Conveyor。为实现汽车轮毂工件的上料，针对上料机器人的法兰盘和工件特征，创建Smart组件SC_Gripper，并在夹具中创建线传感器LineSensor，对轮毂工件进行目标定位检测；逻辑上为实现控制气缸夹取与释放，创建Attacher夹取控制逻辑和Detacher释放控制逻辑；由于控制气缸的电磁阀是通过I/O控制的，需添加LogicGate[NOT]非门逻辑；夹具启动信号为diGripper,完成作业输出doVacuumOK，机械动作时间配置为0.5 s，其详细逻辑控制关系如图3所示。同理，针对打磨机器人专用打磨工具，创建SC_Polish Smart组件，并为其配置相关逻辑功能。

图3 SC_Gripper设计逻辑图

2.2 I/O信号配置及连接

工作站系统各个模型组件及Smart组件设计完成后，需要通过配置I/O实现PLC、多工业机器人、传送带组件、夹具组件、打磨组件和传感器等设备的无缝连接。在实际应用中所采用的PLC S7-1200在软件中可通过Smart组件模拟其控制功能。在系统的I/O设计中，机器人控制设备对象采用数字输出信号与执行机构的Smart组件数字输入信号连接，传感器信号则根据类型以数字输出信号、模型输出信号的形式与机器人、PLC组件的对应信号连接。系统以上料机器人和打磨机器人为核心，配置4路数字输入信号分别为合作机器人配合完成、工件准备就绪、上料完成和打磨工序完成。配置4路数字输出信号分别表示与合作机器人配合本机完成、上料夹具控制、启动传感器检查和工件定位挡板。配置2路模拟输出信号为打磨工具电机控制信号和传送带电机控制信号。系统详细I/O信号的配置参数如表1所示。

表1 I/O信号的变量参数

3 系统编程与调试

3.1 机器人离线编程

完成打磨生产线的模型布局、Smart组件设计和I/O连接设计后，根据轮毂打磨工序流程设计工业机器人的运动轨迹和打磨流程。工业机器人的程序设计根据功能的区分设置不同的功能程序模块，由Main主函数进行逻辑控制和功能函数调用。程序设计的关键点在于对工件定位、镂空部位打磨定位这2方面的配合，若达到一定误差则有发生碰撞的危险。在程序设计中，为保证硬件设备的稳定性需要首先进行硬件初始化，如I/O端口的初始状态、变量初始状态等。由于系统拾取和搬运的动作逻辑较多，此处以打磨机器人主程序模块举例，展示工作逻辑，其主程序如下：

CONST.robtarget.Target_10:=[…];

!定义上料目标点位置

CONST.robtarget.Target_20:=[…];

!定义放置目标点位置

CONST.robtarget.Target_30:=[…];

!定义打磨目标点位置

PROC main()

rInitAll; !初始化设备状态

VelSet 150,300; !速度控制

WHILE TRUE DO; !循环

Set Do_ Flapper；!工件定位挡板定位

WaitDI Di_RobotRy&Di_WorkpieceRy,1;

!等待机器人就位信号

PickupWorkpiece; !调用拾取函数

Set Do_PickupScrew; !拾取完成信号置1

PolishControl; !调用打磨程序

WaitDI Di_ PolishOk,1; !等待打磨完成信号

PlaceWorkpiece; !调用放置函数

Movel Home; !机器人回到home点

ClkStart Timer; !统计机器人运行时间

ENDWHILE

ENDPROC

…

3.2 系统仿真与调试

完成工业机器人的轨迹编程和系统的工作逻辑后，需要通过仿真验证功能的可行性和优化路径。在工作站仿真之前需要配置进入点指针p指向main主程序，配置系统的启动数字输入信号diStart，并设置双机器人轨迹跟踪曲线，实时监控机器人路径。单击“仿真-播放”，启动触发信号将diStart置1，系统硬件初始化，I/O端口初始化，输送链启动运行，线传感器检测工件安装底座运行至指定位置时触发输送链停止信号，定位挡板上升固定住轮毂工件。

与此同时，机器人接收传感器到达的信号，抓取轮毂工件并运动至指定位置，配合打磨机器人完成双机配合打磨作业。完成后触发输送链运行至下一道工序，工作站作为整个轮毂生产线的一个组成部分，对上道工序和后道工序均保留有设备接口，具有良好的扩展性。

通过RobotStudio仿真软件，在Smart组件的功能上模拟了PLC控制逻辑的功能，动态组件模块的控制逻辑均通过Smart组件设计。系统设计有丰富的对外接口，与其他部件进行关联和通信，整个工作站的逻辑在仿真配置中，配置多机器人、Smart和机械组件的系统工作逻辑。通过仿真和调试，整个工作站能够循环、平稳、高效运行，大大提高现场调试效率和调试周期，达到了预期设计目标。系统仿真示意图如图4所示。

图4 系统仿真与调试图

4 结束语

本文根据汽车轮毂打磨去毛刺生产工序和工艺流程，搭建了工业机器人自动化打磨工作站，设计了工作站相关组件模型、传感器、I/O网络、Smart动态逻辑组件等机械、电气部件，并通过系统工作站逻辑和机器人离线轨迹程序实现了系统的生产功能验证和动态仿真。本文方案利用虚拟仿真技术有效地解决了以工业机器人为核心的自动化生产线硬件研发投资大、调试设备周期长、机器人路径规划难等难点问题。仿真平台可以为实际轮毂打磨去毛刺生产线的设计与生产提供理论依据和验证平台，还能对现实生产线的改进升级提供有效支撑，对布局的合理性、优化机器人运行轨迹、提高加工效率和节能降耗方面可提供便捷的验证平台。