工業機器人協同動作控制程序設計

喻劍平

（江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

工業機器人是一種以自動化技術和計算機技術為主體、有機融合各種現代自動控制技術的系統集成和應用的高度自動化設備，工業機器人的應用發展是現代生產智能制造需求的必然結果。目前工業機器人的裝機量全世界已超過百萬臺，與傳統設備相比，它具有3 個主要優點：實現生產過程的高度完全自動化，與其他生產設備的高度配合協同能力，大規模應用的成本優勢。

1 協同動作

工業機器人可以由多臺工業機器人進行協同動作，共同完成一系列復雜的工藝流程，實現生產過程的高度自動化，其工藝過程存在不同工藝流程先后順序及工作區域互相干涉的問題。解決邏輯控制方法一般由工業機器人工藝時序和干涉區控制方式共同完成，此方式為目前最為常用的一種控制解決方式。

2 工藝時序控制

2.1 機器人工藝時序

所謂工業機器人工藝時序即為工業機器人的工作步驟，以常見的汽車白車身工業機器人自動焊接應用為例，白車身工業機器人焊接工藝時序均分為多個小步驟，可概括為以下3 個大步驟：

（1）工業機器人處于初始定義原點位置，并給主控PLC 發出工業機器人工藝站各狀態信號。

（2）待焊接的白車身工件由上級工位傳入后，主控PLC對車型數據與車型進行一致性判斷；車型一致則驅動夾具對白車身進行夾持定位，車身夾具定位確認后，主控PLC 發出工業機器人啟動指令；工業機器人進行車型比對，比對一致開始進行點焊工藝進入焊接狀態；待完成既定點焊程序后，工業機器人需對焊點數和電極磨損進行判斷，到達設定焊點數后工業機器人執行電極修磨程序；電極頭磨損到達設定值后，工業機器人需執行更換電極頭程序；待以上所有處理工藝結束后工業機器人回到初始原點位置，發出并保持點焊循環結束信號。

（3）夾具夾緊定位機構打開，退回至接件狀態，確認工業機器人點焊工藝循環已結束，工業機器人已回初始定義原點位置、工業機器人無故障，進入下一工藝循環。

這三大步驟又可劃分為若干小步驟，這些小步驟即為工業機器人的工作時序。將工業機器人的各個時序作為一個程序段，當工位有多臺工業機器人協同動作時，必定存在先后工藝的順序，對不同工業機器人先后工藝順序的控制即為時序控制。一般時序在工業機器人程序中以Segment 代替，該信號可以定義為若干BOOL 量（表1），也可以定義為一個整數型表示工序號，與主控PLC 進行交互，共同完成工業機器人的時序控制。

表1 定義的BOOL 量時序交互信號

為便于現場標準化管理，通常將若干Segment 序號定義為標準時序（表1 可見定義的幾個標準時序），在程序設計中，該Segment 信號不能用作其他時序控制。

工業機器人時序控制通常是該工業機器人在開始運行某個程序段時需向主控PLC 發出信號DoOutSegX 請求，同時將DoFinishSegX 置位OFF，等待主控PLC 發送該程序的允許信號DiRunSegX 置位為ON；當進入該時序程序，需再將DoOutSegX置位OFF，在該程序段DiRunSegX 需要一直保持為ON 接通狀態。在運行過程中，主控PLC 必須監控該程序段的運行條件是否滿足，若主控PLC 發現該程序段的運行條件不滿足（例如某個傳感器狀態位信號丟失），需立即停止工業機器人的運行并將程序段允許信號DIRungSegX 置為OFF，并斷開相關工業機器人的自動運行回路，實現工業機器人自動停機；當工業機器人運行該程序段的運行條件滿足后，主控PLC 再次置位DIRungSegX，實現工業機器人再次自動工藝。

2.2 程序段的信號處理

當工業機器人在時序段等待位置接收到時序號時，DoOut－SegX=1，DoFinishSegX=0；當請求某個Segment 沒有被運行時，相對應的DoOutsegX=1，DoFinishSegX=0；當運行某個Segment時，相對應的DoOutsegX=0，DoFinishSegX=0，DiRunSegX=1；當該Segment 運行完畢后，相對應的DoOutSegX=1，DoFinishSegX=1，并一直保留到整個任務執行完成。工業機器人等待SEGMENT 信號和完成SEGMENT 信號請求及結束可定義為機器人函數或子程序段，以便統一引用。

3 干涉區控制

3.1 干涉區及相關信號

工業機器人可多臺進行協同動作，共同完成一系列復雜的工藝流程，其工作區域存在交互過程，彼此交互的工作區域稱為干涉區，如圖1 所示。

圖1 所示工位共有4 臺工業機器人，分別命名為R1、R2、R3和R4，每臺工業機器人和其他工業機器人之間存在共同工作區域，其共同工作區域即為工業機器人協同工作干涉區，將其依次命名為ZONE1～ZONE6。以R1 來分析，它分別與R2、R3 干涉：R1與R2 干涉，干涉區域命名為ZONE1、ZONE4；R1 與R3 干涉，其干涉區為ZONE2；干涉區ZONE3、ZONE5 和ZONE6 不屬于其干涉區。這樣統一延續命名原則可以簡化工業機器人干涉區的PLC 程序設計，干涉區越多會使工業機器人及主控PLC 程序越復雜，一臺工業機器人的干涉區設計一般不應多于4 個。

每個干涉區可供多臺工業機器人使用，但任意時刻，一個干涉區只能允許一臺工業機器人進入其中。在工業機器人開始自動運行前，所有干涉區區域的定義必須仔細測試，避免發生工業機器人碰撞事故。

與干涉控制相關的信號可定義為3 個相關信號：DoOutOf－ZoneX（X 為干涉區編號）、DoReqZoneX（X 為干涉區編號）、DIZoneXFree（X 為干涉區編號）。信號DoOutOfZoneX、DoReqZoneX由工業機器人發至主控PLC，DiZoneXFree 由主控PLC 發至工業機器人，工業機器人程序模塊中預干涉區相關的信號處理流程如圖2 所示。

3.2 程序段信號處理

（1）工業機器人在干涉區外，信號DoOutOfZoneX 為ON，DoReqZoneX 為OFF，工業機器人運動到干涉區前的運動軌跡空間點，將信號DoReqZoneX 置位ON，向外圍控制主控PLC 申請進入干涉區。

圖1 工業機器人干涉區

圖2 預干涉區信號處理流程

（2）等待主控PLC 發來的DiZoneXFree 信號為ON 后開始進入干涉區，當工業機器人開始進入干涉區時，將信號DoOut－OfZoneX、DoReqZoneX 均置為OFF；當工業機器人進入干涉區后，主控PLC 所發出的信號DiZoneXFree 需保持為ON。

（3）當工業機器人完成干涉區內工藝并離開干涉區后，工業機器人將信號DoOutOfZoneX 置為ON，通知主控PLC 該工業機器人已經離開干涉區，主控PLC 將信號DIZoneXFree置為OFF，此時主控PLC 可以允許其他工業機器人進入該干涉區。

3.3 注意事項

（1）當多臺工業機器人同時申請進入某一干涉區時，進入先后順序由主控PLC 判別，一般根據工作節拍進行邏輯判斷。

（2）工業機器人運動到進入干涉區前的運動軌跡空間點必須使用精確軌跡點。

（3）當工業機器人發現有兩臺工業機器人同時進入同一干涉區時，需立即停止相關工業機器人的運行，以避免工業機器人碰撞事故的發生。

（4）工業機器人的干涉區請求及釋放可定義為函數或子程序段，以便統一引用。

4 時序控制及干涉區控制

工業機器人的時序控制與干涉區控制既有相同點也有異同點。

相同點：①工業機器人與主控PLC 交互信號均可設計為3個；②工業機器人時序和干涉區均有進入、釋放階段，均需向主控PLC 請求，由主控PLC 進行判斷。

不同點：①工業機器人時序控制需嚴格按照SEGMENT 流程執行，其執行完成，機器人及主控PLC 均需記憶完成信號，在完成工藝流程循環后、開始下一個工藝循環時才進行初始化信號；②工業機器人干涉區控制采用先進先出原則，在離開干涉區后就可釋放干涉區記憶信號，可重復進入。

通過工業機器人工藝時序和干涉區控制方式的組合邏輯控制，與主控PLC 進行交互，可以使工業機器人進行協同動作，實現現代生產的智能、自動化制造。