多機器人協同系統在汽車焊接生產線中的應用

鐘 平，李華雄

（1.圖爾克（天津）工程控制系統有限公司，天津 300381；2.天津職業技術師范大學繼續教育學院，天津 300222）

當今汽車制造業，汽車產品更新換代周期逐步縮短，小批量、多品種的生產模式正成為許多汽車生產企業的設計目標。為適應這種汽車生產工藝的要求，工業機器人被大量投入到生產線中，多臺機器人被安排在同一個工位區域對板件或車身進行搬運、傳遞和焊接，同一工位的機器人需要相互配合工作，即多機器人協同工作，而準時、同步和協調是多機器人協同工作的基本要求。多機器人協同系統的發展歷經了單機工作方式、I/O信號通信的機器人組工作方式等。隨著以太網技術的快速發展，一種基于以太網的多機器人協同系統應運而生[1-4]。該系統是在傳統單機工作方式的基礎上，通過加裝通信板卡，采用PLC作為系統主站，實現多臺機器人的管理與控制。系統結構簡單，經濟實用，可操作性強，是汽車焊接生產線中典型的機器人應用系統。本文以汽車焊接生產線為例，介紹一種基于以太網技術的機器人協同方式，該方式將機器人相互間的干涉區域進行優先級別劃分，通過網絡中的主站將同一區域中所有機器人的干涉點進行預判斷，從而實現多臺機器人的協同工作。

1 多機器人協同系統的硬件構成

汽車焊接生產線是指白車身焊接。白車身焊接主要指車體骨架結構的焊接，包括地板焊接總成、左右前縱梁及輪罩焊接總成、左右側圍焊接總成、前圍焊接總成、頂蓋及前后橫梁、后擋板、左右后縱梁及后輪罩焊接總成和后圍焊接總成等。因點焊機器人在現代化車身焊接生產線上可以提高焊接生產的自動化程度及生產效率，保證焊接質量[5-8]，故被廣泛采用。

將本研究設計的多機器人協同系統應用于汽車焊接車間的側圍焊接生產線，該生產線共用20臺機器人，將其分為5個工位。工位1包括4臺焊接機器人和1臺搬運機器人；工位2包括3臺焊接機器人和1臺搬運機器人；工位3包括4臺焊接機器人和1臺搬運機器人；工位4包括3臺焊接機器人和1臺搬運機器人；工位5包括1臺滾邊機器人和1臺搬運機器人。生產線的控制器采用西門子S7-400型PLC，通過PLC配置的PN網口與本工位的20臺機器人組成PROFINET網絡，其中PLC作為系統的主站，各機器人作為系統的從站，從站之間的數據信息交換通過主站實現。以2個工位為例說明機器人協同系統的構成，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 多機器人協同系統的工作過程

側圍焊接生產線的設計節拍要求為70 s，為達到這一要求，每個工位的生產時間必須小于70 s，因此要求每個工位的多臺機器人同時進行焊接，不同工位之間的搬運機器人也必須與焊接機器人同步。以工位3為例說明機器人協同系統的工作過程，工位3的機器人干涉區域示意圖如圖2所示。

圖2中，在焊接過程中，WP3_RB01機器人的工作范圍與 WP3_RB02、WP3_RB03、WP3_RB04 均會出現干涉，同時與工位2的搬運機器人WP2_RB04和工位3的搬運機器人WP3_RB05都有可能出現干涉。工位3機器人的干涉區如表1所示。

圖2 機器人干涉區域示意圖

表1 機器人的干涉區

由表1知，在同一個工位工作的6臺機器人相互之間均有干涉，為避免機器人在運動過程中出現碰撞，同時保證生產節拍，故干涉區的判斷需滿足6個要求：①所有可能出現碰撞的2臺機器人分別制定干涉區；②2臺相互干涉的機器人，當一臺機器人進入干涉區后，要求另一臺機器人等待，直至在干涉區的機器人退出干涉區；③機器人的運動空間應根據干涉區和運動軌跡進行共同劃分；④所有機器人進入干涉區的優先級要求相同；⑤當2臺機器人同時進入干涉區后，制定有利于生產節拍的競爭機制；⑥為確保生產的連續性，干涉區的作用僅適用于當前板件的生產過程，該過程結束后，恢復所有干涉區。

3 多機器人協同系統的實現

3.1 機器人干涉區判斷程序的實現

為編寫機器人程序，需將機器人的干涉區與機器人系統的狀態位進行對應。以WP3_RB01機器人為例，說明機器人干涉區判斷程序的實現。

表1中，WP3_RB01機器人與其他機器人在運動過程中均會出現干涉，根據干涉空間位置的數量進行區分，WP3_RB01機器人在運動過程中有22個干涉區。為便于機器人判斷，將DI 129～DI 150這22個變量設置為干涉區的進入條件，DO129～DO 150表示當前機器人在指定的干涉區中，其對應關系如表2所示。

表2 WP3_RB01機器人干涉區一覽表

由表2知，每臺焊接機器人之間有6個位置會出現干涉，焊接機器人與搬運機器人之間有2個位置會出現干涉。機器人進入干涉區流程如圖3所示。

圖3 機器人進入干涉區流程圖

3.2 PLC干涉區判斷程序的實現

設置PLC程序的目的是將同一工位中不同機器人的干涉信號實現互連。當1臺機器人進入干涉區后，其他機器人能夠知道該臺機器人的狀態，從而被禁止進入干涉區。如果同一干涉區的其他機器人均未進入干涉區，則該臺機器人允許進入干涉區，同時將進入干涉區的狀態反饋給其他機器人，禁止其他機器人進入，直到該機器人完成任務，退出干涉區后，其他機器人才有可能進入。

以WP3_RB01機器人為例說明干涉區的判斷程序。當WP3_RB01機器人進入到干涉區后，機器人將其狀態反饋給主站PLC，通過PLC將機器人已經進入干涉區1的信息傳遞給WP3_RB02機器人、WP3_RB03機器人、WP3_RB04機器人和WP3_RB05機器人。PLC實現干涉區1判斷的程序邏輯如圖4所示。

圖4 PLC邏輯圖

假設WP3_RB01機器人進入干涉區1后，其狀態反饋DI129輸出信號為1，表示該機器人已經進入該干涉區域，此時主站PLC通訊區與之映射的狀態位DB213.DBX16.0狀態為真，DB210.DBX16.0狀態也將變為真。WP3_RB02機器人與主站PLC通信的區域映射到WP3_RB02機器人的狀態位DO129輸出信號1，這時WP3_RB02機器人將會被禁止進入干涉區，走到DI129時輸出信號為0。同理，WP3_RB03機器人、WP3_RB04機器人和WP3_RB05機器人對應的狀態DO135、DO141和DO147均輸出信號1，這3臺機器也會被禁止進入干涉區1。

4 結語

本研究開發的系統已應用于柳汽柳東基地的焊裝車間，用于實現商用轎車景逸S50、S500、X3等車型側圍的混線生產。一年的生產實踐表明：同一區域的工業機器人既能相互配合進行生產，還能避免運動過程中的相互干涉，既滿足了車間生產節拍的要求，又提高了自動化生產線系統的穩定性。將工業以太網技術引入到多機器人協同系統，彌補了傳統機器人協同系統下IO通信方式點數的局限，縮短了協同系統的響應時間，節省了系統的構建成本和布線成本，是工業環境中一種行之有效的解決方案。隨著“互聯網+制造”技術的普及，機器人的應用會越來越廣，在一些傳統手工工位引入工業機器人，利用工廠現有的控制網絡，可以有效地解決多機器人協同工作的問題。

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