淺析高壓水射流工作站中多臺機器人協(xié)同工作方法

林曉東，李紹峰，劉 彤LIN Xiao-dong， LI Shao-feng， LIU Tong（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

設(shè)計與應(yīng)用

淺析高壓水射流工作站中多臺機器人協(xié)同工作方法

林曉東，李紹峰，劉 彤
LIN Xiao-dong， LI Shao-feng， LIU Tong
（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

一些工廠受場地等因素限制，為了提高工作效率，采用單工位多機器人工作站，下面以三機器人水切割設(shè)備為例，從工作過程、協(xié)作方法等方面來詳述此類系統(tǒng)的工作特點。實踐證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，達到了原設(shè)計的要求，對類似工作站的設(shè)計非常有借鑒意義。

多臺機器人協(xié)作；水切割；現(xiàn)場總線

1　設(shè)備概述

機器人高壓水射流工作站主要由三臺倒掛機器人、封閉切割間、高壓泵、負(fù)壓吸附裝置和控制系統(tǒng)組成。機器人控制各自獨立的高壓水刀協(xié)作完成對同一工件的切割，切割過程中的工件的固定，通過負(fù)壓系統(tǒng)將其牢牢吸附在模架上來完成，由此保證了工件一致性，降低了廢品率。設(shè)備自交付以來，客戶反映良好。

1.1設(shè)備布局

1.2機器人安裝方式

圖1　設(shè)備布局圖

機器人倒立安裝于封閉操作間框架之上，其機器人工作范圍可覆蓋整個切割模架，并保證各機器人六軸上的水刀以最優(yōu)姿態(tài)切割模架上的工件。

圖2　設(shè)備視圖

2　工作方式及過程

設(shè)備采用三臺機器人協(xié)作工作方式，前后進退料口各設(shè)置一部卷簾門及一個控制盒，使切割工件在一個封閉的空間內(nèi)進行，保證人員的安全。操作員可根據(jù)現(xiàn)場情況，通過控制柜上的觸摸屏設(shè)置單面或雙面工作方式，通過此設(shè)置，使設(shè)備可以靈活的配置人員及生產(chǎn)方式，方便了操作，提高了工作效率。

2.1單面工作方式

在設(shè)置有效側(cè)上下料，操作員將待切工件放入工作臺，按下負(fù)壓啟動按鈕，負(fù)壓吸附開始，待切割件被牢牢的吸附在模架上，操作員退出切割間，按下啟動按鈕，該側(cè)卷簾門落下，機器人開始切割，待切割完成后，負(fù)壓吸附自動停止，卷簾門升起，等待操作員取走切割完成的工件，之后放入待切割件，如此循環(huán)。

2.2雙面工作方式

一側(cè)上料，一側(cè)下料。壓機下來的待切割件從一側(cè)放入工作間，整理放平后，按下吸附按鈕，吸附開始，按下啟動按鈕，上料側(cè)卷簾門落下，此時另一側(cè)操作員同樣按下吸附按鈕，啟動按鈕，該側(cè)卷簾門落下，機器人開始切割，切割完成后兩側(cè)卷簾門同時升起，下料側(cè)操作員取走切割完成件，上料側(cè)操作員放入待切割件，在兩側(cè)都完成啟動程序后，機器人再次開始自動切割，如此循環(huán)。

圖3　設(shè)備正面視圖

3　配置及連接

3.1機器人本體控制柜的選擇

三臺機器人本體控制柜可選擇一拖三或三臺獨立的控制柜，現(xiàn)對其優(yōu)缺點進行分析。

1）一拖三控制柜

即三臺機器人本體由一臺IRC5控制柜（本身帶一組驅(qū)動單元）及兩臺驅(qū)動單元進行控制，此種配置方式三臺機器人本體只能在同一示教器下工作，通過切換來完成對三臺機器人本體的控制，只能單臺一一動作。在自動運行時，機器人同步運行較好，不會出現(xiàn)個別機器人本體意外停止造成碰撞的問題。

2）三臺獨立的機器人控制柜

每臺機器人本體使用獨立的機器人控制柜，此種方式可三個人同時示教，單臺機器人可獨立運行；自動運行時，如信號交互不好，易造成碰撞。

采用三臺獨立的機器人須解決如下問題：

1）三臺示教器在同時運行時的集中控制問題；

2）單臺或其中兩臺機器人意外停止時的故障處理；

3）三臺機器人的通訊一致性問題，如出現(xiàn)調(diào)用不同工件號則會造成碰撞。

綜合考慮，經(jīng)過評估，選擇三臺獨立的機器人來完成協(xié)作切割。

3.2機器人與PLC連接

PLC采用通用強的西門子S7 300系列，PLC與機器人的通訊選擇Profibus DP協(xié)議通信方式，具有可靠性高，兼容性強，數(shù)據(jù)量大，速度快等優(yōu)點，便于三臺機器人的同步運行。對其進行硬件配置前須將機器人廠家提供的GSD文件導(dǎo)入PLC庫中，之后在硬件中選擇相應(yīng)的模塊，完成在PLC中基于Profibus協(xié)議的硬件配置。DP總線上PLC作為主站，機器人作為從站。機器人間的通訊，通過PLC來進行中轉(zhuǎn)。至此，PLC與機器人間的DP通訊網(wǎng)絡(luò)建立完成。

3.3機器人間的備份通訊及信號的傳遞

機器人內(nèi)置Devicenet總線，可利用其進行無PLC的三臺機器人間互聯(lián)，機器人通過本身內(nèi)置的Devicenet總線直接訪問其他兩臺機器人中的定義信號，實現(xiàn)脫離PLC條件下的彼此通訊，作為DP總線之外的備份總線，提高了系統(tǒng)的可靠性。

4　機器人安全保護及協(xié)作工作方式

4.1三臺機器人同步運行方法

三臺機器人聯(lián)動運行時，須通過信號的鏈接使其成為一個整體，每臺機器人時刻監(jiān)控另外兩臺機器人的工作狀態(tài)，如任一機器人出現(xiàn)故障，則該機器人本體會處于停止?fàn)顟B(tài)，正常工作的機器人如未對其監(jiān)測，就可能造成機器人間的碰撞。而造成機器人意外停止的原因很多，因此需要通過PLC監(jiān)測機器人信號來確認(rèn)是否工作正常。由此解決了三臺機器人運行的同步問題，防止了由于單臺機器人的意外停止造成的碰撞。另外，使用安全繼電器將三臺機器人安全鏈串在一起，當(dāng)一臺機器人急停時，三臺機器人會同時停止，保證安全。

4.2三臺機器人同一區(qū)域內(nèi)協(xié)作切割時的防撞保護

1）防撞方式的選擇

三臺機器人同步工作時，在機器人工作的重疊區(qū)域內(nèi)可能會產(chǎn)生碰撞，因此需要采取措施來避免該危險情況的發(fā)生。

一般情況下，可通過設(shè)置機器人干涉區(qū)域的方法來實現(xiàn)，保證在干涉區(qū)域內(nèi)只有一臺機器人工作，在該機器人退出干涉區(qū)后，其他機器人才能進入，但由于三臺機器人安裝位置較近且機器人的切割區(qū)域重疊區(qū)較多，設(shè)置其干涉區(qū)域?qū)崿F(xiàn)起來有難度，因此采用在程序中添加防撞命令的方式來實現(xiàn)防撞。

2）防撞命令的使用說明

當(dāng)機器人進入到有可能與其他機器人碰撞區(qū)域前時，將防撞命令打開，此時該機器人檢測防撞信號是否為0，如為0則等待，如為1則進入該區(qū)域，同時將防撞信號置0，在該機器人退出干涉區(qū)后，關(guān)閉防撞命令，此時防撞信號為1。通過此種防撞命令，編程人員可以在機器人任何可能產(chǎn)生碰撞位置前方便靈活的加入防撞命令，避免了機器人間的碰撞風(fēng)險。

該防撞方式操作簡便，設(shè)置方便，穩(wěn)定可靠，經(jīng)實踐，得到了客戶一致認(rèn)可。

5　結(jié)束語

本文通過此倒掛三臺機器人水切割設(shè)備論述了多臺獨立機器人的通訊及同步運行方法，闡述了多臺機器人工作的區(qū)域內(nèi)的防撞機制；作為范例對多機器人工作站的設(shè)計具有良好的借鑒意義。

［1］ 崔堅.李佳.楊光.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南［M］.北京.機械工業(yè)出版社，2005.

［2］ 西門子（中國）有限公司.SIEMENS STEP7 5.4編程手冊［Z］.2008.

［3］ 西門子（中國）有限公司.SIEMENS S7-300手冊［Z］.2008.

［4］ ABB（中國）有限公司.System parameters手冊［Z］.

［5］ ABB（中國）有限公司.機器人編程手冊［Z］.2005.

［6］ ABB（中國）有限公司.Product Specification手冊［Z］.2005.

Analysis of multi robots cooperative work
method on high pressure water jet workstation

TP29

B

1009-0134（2016）08-0082-03

2016-03-14

林曉東（1975 -），男，吉林雙遼人，電氣工程師，學(xué)士，研究方向為電氣設(shè)計。