雙通道數控系統桁架式機械手防碰撞設計及應用

王有波

（海納川（濱州）輕量化汽車部件有限公司，山東濱州 256602）

0 引言

在大型自動化生產線中，桁架式機械手因其自重輕、跨度大、施工方便等優點得到了廣泛應用。大工件硬氧設備采用的基于力士樂（Rexroth）雙通道數控系統控制的雙桁架機械手，實現工件自動上料下料、硬氧等搬運工序，保障了零件產品質量，提高了工作效率，減小工人勞動強度。

某桁架式硬氧設備采用Rexroth MTX micro 雙通道控制系統，分別控制兩臺桁架機械手。如果沒采取防碰撞措施，當一臺桁架機械手處于公共區域（清洗槽）內、另外一臺桁架機械手向公共區域位置移動時，兩臺機械手就存在極大的碰撞風險，這樣不僅會損壞機械裝置及電氣元件，而且還會給生產造成嚴重影響。為了防止上述風險的發生，下面就如何實施防碰撞措施進行分析，主要包括硬件安裝和軟件設定兩個方面。

1 基本構成及布局

桁架式硬氧設備為大工件硬氧自動線，除了人工裝卸工件以外，其他動作均自動完成；工件氧化工位與清洗工位分開，采用兩個氧化槽和一個清洗槽設計，兩臺桁架機械手分別自動進行工件的氧化和清洗。兩個機械手用于工件的搬運，每一臺機械手上裝載一套工裝，分別負責一個硬氧槽。機械手在硬氧槽位置完成相應工作后，要移動至清洗槽位置進行工件的清洗工作[1]。清洗槽是兩臺機械手的公共區域，兩臺機械手在此區域內工作時必須保持安全距離、不能發生碰撞，因此必須做好安全有效的防碰撞措施：當清洗槽內有機械手工作時，另外一個機械手需要在硬氧槽上方等待。

2 防碰撞措施

2.1 安裝防碰撞開關

1#和2#兩臺機械手上分別安裝有“防碰撞”檢測開關，檢測開關采用中距離激光測距傳感器，檢測范圍為200～1000 mm，90%反射率，分辨率為1 mm，接入數控系統高速輸入端口。根據硬件安裝情況設定“防碰撞”檢測開關的最小安全距離值，當兩臺機械手的距離小于該設定值時就會輸出24 V 信號，數控系統立即檢測到該信號，從而禁止另外一臺機械手繼續向公共區域方向移動。只有該檢測開關信號消失后，另外一臺機械手才可向公共區域方向移動。1#機械手防碰撞觸發“禁止讀入”及“軸鎖”的PLC 控制程序如圖1 所示。

當1#機械手防碰撞檢測信號被檢測到時，觸發“0911”號報警，報警響應為“禁止讀入”及“禁止進給”，同時將2#機械手水平軸的軸鎖信號“DriveLock”激活，從而禁止2#機械手向公共區域方向移動。

2.2 安裝公共區域檢測開關

1#、2#機械手工裝上分別安裝兩個接近開關，公共區域安裝感應塊，當任何一個機械手進入公共區域，接近開關檢測到感應塊時，數控系統立即響應鎖定信號，禁止另外一臺機械手進入該公共區域。另外一臺機械手在公共區域外等待，只有當該機械手完全離開公共區域后，另外一臺機械手才可進入公共區域。1#機械手公共區域檢測及凸輪開關信號激活的PLC 控制程序如圖2 所示。

圖1 防碰撞觸發“禁止讀入”及“軸鎖”

圖2 公共區域檢測及凸輪開關信號激活

其中，圖2a）為：當1#機械手公共區域檢測信號或凸輪開關信號任一信號被激活時，會給2#機械手發送信號“1#機械手處于公共區域內”；圖2b）為：當1#機械手處于公共區域時，2#機械手在移動過程中檢測到公共區域信號或凸輪開關信號時，激活2#機械手信號“X2_KeepStop”，此信號用于激活2#機械手水平軸X2 的軸鎖信號“DriveLock”，禁止2#機械手向公共區域方向移動直至鎖定信號消失。

2.3 凸輪開關設置

PLC 中設定凸輪開關，并讀取當前機械手水平軸位置。當讀取位置值小于凸輪開關設定值時，凸輪開關信號激活，即該機械手已進入公共區域。凸輪開關設定如圖3 所示。

程序段1 用于讀取軸當前位置，程序段2 用1#機械手水平軸實際位置與PLC 變量DB21[1]中設定值進行比較，DB21[1]設定值為1#機械手進入公共區域的水平軸的位置值，當1#機械手水平軸的實際位置值小于設定值時，激活1#機械手凸輪開關信號，即1#機械手進入公共區域限制另一機械手進入公共區域[2]。

在完成PLC 編程后，只要數控系統檢測到任一機械手進入公共區域后，都會發出報警信息，從而限制另一機械手進入此公共區域。也就是說，只有該機械手完全離開公共區域后，另一機械手方可進入。

2.4 一維防碰撞設置

一維軸碰撞監控功能用于監控機械手水平軸Pos（1）、Pos（2）位置，下限值≤Pos（1）±Pos（2）≤上限值，離開受監控的區域將啟動錯誤報警。此處用于監控機械手水平軸位置的和或差值，調試時將兩個軸移動到期望的“碰撞限位”，碰撞限位是指危險情況下兩個軸的臨界間隙。其NC 參數詳細設定見表1。

激活一維軸碰撞監控功能，將EnablCollMon 設定為yes；設置需要監控的軸，將1#機械手水平軸軸號1#、2#機械手水平軸軸號3 分別寫入DrlndMon－Ax1、DrlndMonAx2 參數中；定義兩個相關軸的坐標系方向DirCollMon 設置為1；在下限值PosLowLim寫入期望的“碰撞限位值”，當兩個機械手水平軸位置之和小于下限值PosLowLim 中的數值時，系統就會啟動錯誤報警，限制兩機械手繼續向公共區域方向移動，從而防止發生碰撞。

圖3 凸輪開關設定

3 結束語

桁架式機械手因為其實用性將得到廣泛應用，但是其防碰撞措施是必須采取的，在硬件檢測開關選型、安裝、軟件設定、控制邏輯等方面都要充分研究分析，從多方面考慮才能保障其安全性。桁架硬氧設備中的防碰撞應用，通過軟硬件結合的多重措施有效的防止兩機械手在運行過程中發生碰撞，從而減少碰撞風險，大大提高設備的工作效率。

表1 NC 參數設定