螺钉安装机器人控制系统设计与开发＊

曲楠,李岩,杜兆才,宋万强

(1．中国航空研究院，北京 100012；2．中国航空制造技术研究院，北京 100024)

1 引言

导弹作为武器体系中的主要进攻武器之一，在现代化战争中发挥着越来越重要的作用，世界上的主要国家都在不断进行着新型号研发或现役型号改进升级[1]。与此同时，随着战场信息数字化、指挥控制一体化、态势感知网络化、目标定位精确化、后勤保障集成化的发展趋势[2]，低成本、高质量、快速、准时、高效智能制造已经成为新一代武器产品生产的重要发展方向。当前国内导弹产品的总装线，主要利用简易工装支撑，采用手工模式完成装配，这种手工总装的生产方式，不但与现代化军工产品的数字化总装生产制造要求极不相称，而且存在质量一致性难控制、安全管控难、装配精度差、工作效率低等问题和弊端[3-4]，已经难以满足现代化战争对新一代导弹产品多品种、变批量、快速响应生产制造的需求。

工业机器人具有定位精度高、易编程仿真、操作灵活等特点，结合误差补偿技术、自动控制技术，已经成为优秀的柔性制造平台[5]，PLC具有抗干扰能力强、性能稳定、编程灵活、调试简单等优点[6-7]，基于PLC 的机器人螺钉安装控制系统结合两者的优点，采用PLC 作为主控，协调工业机器人、送钉器、拧紧螺丝刀控制器等终端设备，实现复杂工件的螺钉安装自动化流程，操作简便无需人工干预，系统参数可配置、全过程可监测，能够显著提高导弹产品的品质一致性和工作效率。

2 系统设计

本文以钛合金舱体样件为加工对象，设计一套机器人自动螺钉安装控制系统，主要包含以下硬件：控制PLC、工业机器人、自动螺丝刀及控制器、激光测距仪、送钉器、传感器/电磁阀等分布式I/O等。系统设计原理是，工业机器人负责末端执行器（含自动螺丝刀）的移动定位、姿态控制和工位切换，送钉器负责螺钉的选送，螺丝刀控制器控制螺钉的抓取、预定位和拧紧等，激光测距仪配合末端执行器实现姿态调整，PLC集成并控制所有设备，编程实现全自动的螺钉安装，集成系统的布局如图1所示。

图1 机器人螺钉安装系统平面图

机器人螺钉安装系统有两种模式：手动模式和自动模式，工作过程中可切换。手动模式可对送钉器、拧紧螺丝刀、机器人的位置和姿态、分布式I/O 等单独控制，用于设备安装和集成、单点测试和故障处理等情形。自动模式则通过编程实现机器人定位、选钉、送钉、取钉、姿态调整和拧钉等操作，用于常规的螺钉安装自动化过程。

根据系统设计和工艺需求，螺钉安装机器人集成系统软件分为三部分：PLC程序、HMI界面和机器人程序。

PLC程序，是系统的控制核心，主要实现PLC、机器人、螺丝刀控制器等设备之间的通讯，姿态调整通用算法，现场数据/状态的采集和处理，报警处理，工艺流程的时序控制等功能。HMI界面，是操作人员与系统交互的主要渠道，工艺参数、设备状态、故障、报警信息等可实时显示，操作人员可通过HMI进行模式切换、故障处理等，控制设备的运行。机器人程序，可编程实现机器人的运动轨迹控制，配置接口模块实现与PLC的数据交互。

3 硬件组态

本文设计的机器人螺钉安装系统，PLC 主站选用德国倍福C6920工业PC，HMI选用倍福CP2919多点触摸屏，工业机器人选用德国库卡KR120 系列机器人，送钉器选用德国德派公司的C0511-EP系列送料机，自动螺丝刀控制器采用德派公司的AST40 型控制器，I/O 分站采用倍福公司的EK1100总线耦合器。

EtherCAT 工业以太网技术是德国倍福公司提出的实时工业以太网总线技术，扩展了IEEE802．3 以太网标准，具备灵活的网络拓扑结构，理论传输速率可达100MBit/s，有效数据率可达90%[8-9]。控制系统将PLC、HMI、机器人、EK1100 分站、送钉器、自动螺丝刀控制器等设备基于EtherCAT 总线进行集成，实现相互间的实时数据通信，上位PLC可直接控制送钉器的启停、气动阀门的开闭，读取激光测距仪的数值并通过控制算法实现末端执行器的姿态调整，通过I/O硬编码实现与螺丝刀控制器的通讯，通过机器人的外部控制接口完成对机器人的控制，集成系统的硬件网络拓扑图见图2。

下面以工业机器人为例，介绍如何进行硬件组态，首先按照图2的方式进行接线，然后打开TwinCAT 3工程文件，TwinCAT 3是倍福公司开发的编程调试一体化集成环境，支持系统配置、运动控制、I/O映射、逻辑/数据运算等功能，在I/O配置处选中“Devices”，点击右键菜单“Scan”，系统扫描到EL6695桥接模块，在“I/O Inputs”和“I/O Outputs”下设置变量的类型与个数，本文采用DWORD类型，输入和输出变量个数均为20，接着打开机器人端的Workvisual 配置软件，连接机器人并读取激活中的工程，在KUKA扩展总线（SYS-X44）中添加EtherCAT分站，根据实际硬件配置I/O模块，在EL6695桥接模块的配置标签页“Slave Settings”设置变量类型和个数，此处的配置要与TwinCAT 3中保持一致，最后在I/O Mapping标签页中设置KUKA系统内部变量（$IN[]及$OUT[]）与EL6695模块的对应关系，如图3所示，最终完成TwinCAT PLC变量与机器人的系统变量之间的映射，映射路径为PLC 变量EL6695 Slave 侧EL6695 Master 侧机器人内部变量，通讯测试通过后，即可转入软件开发阶段。

图2 机器人螺钉安装系统网络拓扑图

图3 机器人系统变量与EL6695桥接模块的映射

4 软件开发

根据系统总体设计，系统软件要支持手动和自动两种模式，手动模式用来执行单元调试和应急处理等，自动模式则是集成软件的核心部分，详细的螺钉安装流程如下：系统上电，初始化和自检，模式切换，启动外部自动，送钉器送钉，移动至钉盘处取钉，移动至拧钉位，法向调整，启动自动拧钉工序，螺丝刀达到预设拧紧圈数或拧紧力矩后停止拧钉，继续下一个螺钉安装流程，整个过程无需人工干预，操作人员仅在控制台进行监控和急停等强干预措施，详细的工作流程如图4所示。

图4 集成系统螺钉安装自动流程图

PLC、机器人以及其他设备的信号交互基于EtherCAT总线，系统使用的主要交互信号如表1所示。

表1 系统主要的交互信号

在具体的编程实现上，用库卡机器人WorkVisual 软件开发平台编写*．src 机器人程序，主要包含机器人的运动指令和自定义的接口函数，利用离线编程得到机器人的点位及轨迹信息，根据工艺确定机器人与PLC的接口函数，如送钉循环SendScrew()、拧紧循环DriveScrew()等，规划自定义机器人控制字和状态字（见表1）并测试通过。

PLC主程序在TwinCAT 3工业总线环境下进行编写，使用ST（Structured text）结构化文本编程语言。ST语言是为PLC编程设计的支持块状结构（block structured）的高级语言，语法类似C，是IEC 61131-3 标准中支持的几种语言之一，变量及函数调用符合其通用标准，同一个程序中可包含多种符合IEC 61131-3 标准的不同类型语言，ST 语言可以编写梯形图难以实现的复杂计算和控制逻辑，也可通过建立不同的功能块(FB 或FC)方便地实现程序复用。ST 语言也支持面向对象的编程方式，依据高内聚低耦合的设计原则，根据功能规划编写对应的PRG、FB 或FUN 块，由Main主块统一调用，TwinCAT 3 还支持多任务，可将不同的任务分配到不同的CPU 核心进行平行处理，使用系统内置的Case 和IF 指令实现线性自动化流程，运行步数和转换条件理论上不受任何限制，可以设置一个内部标志INT 型变量StageNo，初始为“0”，在里面可进行模块的初始化，使用IF指令判断转换条件Trans00/Trans01 等，若满足条件，将StageNo置为“1”，周期性执行Case指令判断StageNo的值，就可以执行第“1”步，依次类推，就可以实现基于转换条件的顺序工艺流程，详细的程序如下：

HMI界面在Microsoft．NET平台上利用C#语言编写，HMI 和PLC 之间的数据通讯使用TwinCAT ADS 协议[10]，网内各软件模块的工作模式类似于硬件设备，ADS 为网内设备之间的通讯提供路由。HMI 主要功能包括手动控制、自动加工、参数设定、外部接口设置、分布式I/O 监控、故障报警、系统日志等模块，软件采用模块化设计的方式编写，具有易维护、可扩展等特点，本文使用的HMI界面如图5所示。

图5 集成控制系统的HMI界面

5 结束语

本文设计一套机器人螺钉安装控制系统，基于Ether-CAT 总线将PLC、HMI、工业机器人、螺丝刀控制器等终端设备集成在一起，完成系统硬件组态和软件开发工作，并在导弹舱体样件上进行试验。结果表明，控制系统完成送钉、取钉、定位、姿态调整、拧钉等工艺流程，实现了螺钉的自动化装配，平均拧紧循环时间约为23秒，效率提升近20%，螺钉装配扭矩一致性良好，工人的工作环境得到改善，安全光栅/急停功能测试有效，设备安全可靠、运行稳定。控制系统采用标准化、模块化设计，可扩展、可复用、通用性强，设计理念可移植到机器人其他应用领域，具有一定的参考价值。