機(jī)器人三維激光切割的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 明，徐學(xué)鵬，王 芝

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州225200；2.史陶比爾精密機(jī)械電子有限公司，浙江 杭州310016）

我國(guó)對(duì)二維激光切割技術(shù)研究較早，但由于種種原因，三維切割技術(shù)無(wú)論理論研究還是實(shí)際應(yīng)用都遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。在三維切割領(lǐng)域中可以使用三維五軸和機(jī)器人兩種加工方式，相比于五軸機(jī)床,機(jī)器人配合變位機(jī)和水平移動(dòng)軸或旋轉(zhuǎn)軸[1]，成本在三維五軸的一半以下，能夠保證精度滿足絕大部分輪廓件和管件的要求，占地面積小，加工范圍和姿態(tài)更加靈活等優(yōu)勢(shì)。進(jìn)行三維切割可選用的機(jī)器人可以為KUKA、ABB、FANUC 等知名品牌，也可以為爍石、優(yōu)傲等國(guó)內(nèi)品牌。

本文選取Staubli 機(jī)器人，基于其以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：采用多圈絕對(duì)值編碼器，不會(huì)存在零點(diǎn)丟失的情況；采用其自主研發(fā)的JCM減速機(jī)，中心為空心，確保減速機(jī)始終浸泡在潤(rùn)滑油中，同時(shí)每一瞬間至少12 個(gè)齒嚙合，既能保證機(jī)器人運(yùn)行的精度和平穩(wěn)性，又能減少磨損，能夠保證五年以內(nèi)精度不發(fā)生變化；采用航空鑄鋁材料，減少運(yùn)動(dòng)的能耗；減速機(jī)內(nèi)置，適應(yīng)粉塵、潮濕等環(huán)境，加工范圍為球形，不受減速機(jī)影響，加工范圍大；使用單獨(dú)CPU 確保機(jī)器人的安全控制，安全級(jí)別高；程序開放性好，適合進(jìn)行專用型系統(tǒng)開發(fā)。

1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

對(duì)于國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，并沒有專門對(duì)某項(xiàng)應(yīng)用專門開發(fā)的系統(tǒng)，但通用系統(tǒng)雖然能滿足客戶大部分的應(yīng)用需求，但使用的方便性及個(gè)性化需求存在較大差距，本文首先設(shè)計(jì)便于符合工業(yè)設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面[2]。

該界面的設(shè)計(jì)原則為：針對(duì)使用者操作者的界面內(nèi)信息建立重要等級(jí)區(qū)分，并按照重要等級(jí)評(píng)估視覺設(shè)計(jì)；操作邏輯不能重疊或提前顯示，可見即可操作；優(yōu)先功能信息樹位置的表達(dá)，讓操作者清晰知道自導(dǎo)自己的位置名稱，色彩關(guān)系；建立命令欄按鍵順序的規(guī)則；將信息入口類案件獨(dú)立于命令欄，形成信息入口的統(tǒng)一變化方式；針對(duì)重要的命令設(shè)置統(tǒng)一的再確認(rèn)方式；嚴(yán)格區(qū)分可選擇不可選擇的視覺效果，保障使用者不誤判產(chǎn)品故障；獨(dú)立放置顯示模式類附加操作；大量信息的列表式頁(yè)面的顯示和翻閱采用統(tǒng)一的形式；通過(guò)圖形設(shè)計(jì)優(yōu)化觸摸按鍵尺寸。

圖1 HMI 主界面

設(shè)計(jì)的交互的主界面如圖1 所示，包含導(dǎo)航欄、命令欄、信息欄和內(nèi)容展示欄。包含的主要功能有：產(chǎn)品信息，進(jìn)行加工程序的管理，可以進(jìn)行產(chǎn)品的新建、刪除、備份、導(dǎo)出、示教、編輯功能；工藝信息，進(jìn)行產(chǎn)品加工時(shí)的工藝參數(shù)編輯、保存和應(yīng)用；動(dòng)作信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人加工過(guò)程中的輸入輸出指令動(dòng)作的處理；生產(chǎn)管理，進(jìn)行觸發(fā)方式、生產(chǎn)周期、多工位加工產(chǎn)品、調(diào)用的工藝文件配置并傳遞到下位機(jī)進(jìn)行加工；外圍控制，進(jìn)行配套設(shè)備如激光器、切割頭、外部軸的調(diào)試和控制；監(jiān)控統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中路徑點(diǎn)位、工位參數(shù)及生產(chǎn)信息的監(jiān)控，亦能統(tǒng)計(jì)某個(gè)定義的時(shí)間段中的加工過(guò)的產(chǎn)品及其數(shù)量；參數(shù)管理，進(jìn)行機(jī)器人的安全點(diǎn)及工具值的示教以及通用參數(shù)及選項(xiàng)功能配置；報(bào)警提示，進(jìn)行上下位操作提示及報(bào)警的統(tǒng)計(jì)。

2 應(yīng)用軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 執(zhí)行文件設(shè)計(jì)

每家機(jī)器人執(zhí)行的程序代碼格式均不相同，且由于有些加工零件較為復(fù)雜，全靠人工示教并不現(xiàn)實(shí)，但離線程序很難一次性滿足生產(chǎn)需求，進(jìn)行閱讀和二次修改極為麻煩，同時(shí)同一產(chǎn)品中不同輪廓需要達(dá)到較高的精度要求，必須根據(jù)切割輪廓的實(shí)際大小和形狀采用不同的工藝，為了解決這些問(wèn)題，本文進(jìn)行了通用的生產(chǎn)文本格式設(shè)計(jì)，使其簡(jiǎn)明便于閱讀、修改及在線進(jìn)行工藝調(diào)整，代碼格式如下：

//產(chǎn)品頭

PRODUCT=test//產(chǎn)品名稱

TOOL=290,0,155,0,90,0//工具值

TOTALELEMENTS=1//輪廓數(shù)

FRAME=0,0,0,0,0,0//用戶坐標(biāo)系

OFFSET=0,0,0,0,0,0//產(chǎn)品偏移

PRESET=yaweiPreset//調(diào)用的工藝文件名

//輪廓加工

BEGIN=test_1//輪廓加工開始

BYPASS=FALSE//路徑是否過(guò)濾

CUTTYPE=2//輪廓類型

ARRAY=1,0,1,0,0,0//陣列

POINTCOUNT=1,1,1//趨近切割離開點(diǎn)數(shù)量

DOWNLEAD=1,100,0,0,10,36// 引線設(shè)置

WORKPLACE=0,0,0,0,5,1//外部軸和穿孔工藝

MOVEJ=7.44,2.59,87.19,4.95,-89.85,-6.33/300,15//趨近點(diǎn)點(diǎn)位及速度加速度

DELAYON=0.3//開光延時(shí)

MOVEL=1009.27,128.1,903.14,68.0,91.26,-63.

07/1,0/100,5,1//切割點(diǎn)點(diǎn)位信息及工藝動(dòng)作速度等

DELAYOFF=0//關(guān)光

MOVEJ=7.42,2.59,87.19,4.95,-89.85,-6.31/300,15//離開店點(diǎn)位及速度加速度

END=test_1//輪廓加工結(jié)束

//如有外部軸，點(diǎn)位信息將由六位變成八位，調(diào)用的

工藝、動(dòng)作文件這里不再詳細(xì)列出

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用

設(shè)計(jì)的生產(chǎn)文本便于用戶解讀和優(yōu)化，但對(duì)于程序每次讀取及編輯操作繁雜，極為不方便，處理效率低，影響用戶的操作體驗(yàn)，為了方便程序的存儲(chǔ)、輪廓的排序、批量化修改等重要操作，本文采用了簡(jiǎn)化版Access 數(shù)據(jù)庫(kù)[3]，該數(shù)據(jù)庫(kù)完全能夠滿足設(shè)計(jì)需求，同時(shí)操作程序運(yùn)行時(shí)并不需要在系統(tǒng)上安裝此數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，節(jié)約了軟件成本。本文將產(chǎn)品分解成五個(gè)數(shù)據(jù)表（產(chǎn)品表，輪廓表，趨近點(diǎn)表，切割點(diǎn)表，離開點(diǎn)表），產(chǎn)品表中包含產(chǎn)品名、產(chǎn)品描述、工位號(hào)、是否離線、用戶坐標(biāo)系、偏移值等屬性；輪廓表中包含產(chǎn)品名、輪廓名、輪廓序號(hào)、輪廓類型、引入引出線等屬性；剩余三表包含輪廓名、點(diǎn)位序號(hào)、點(diǎn)位運(yùn)行方式、點(diǎn)位具體值、點(diǎn)位過(guò)度值等屬性，他們之間通過(guò)主屬性產(chǎn)品名和輪廓名進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)關(guān)系表

數(shù)據(jù)庫(kù)中除了保存產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)表，還包含了工藝應(yīng)用表，動(dòng)作信息表，產(chǎn)品加工時(shí)間數(shù)量統(tǒng)計(jì)表，操作提示表，參數(shù)配置表，通過(guò)這些數(shù)據(jù)表簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與保存，同時(shí)提升了數(shù)據(jù)處理的安全性和可靠性。

2.3 模塊間的通訊實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)為人機(jī)界面、底層運(yùn)動(dòng)控制、PLC 控制輸入輸出三部分組成，這三部分必須通過(guò)有效的通訊方式確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，如圖3 所示。首先人機(jī)界面和底層控制程序之間需要傳遞兩種類型的數(shù)據(jù)，一是數(shù)據(jù)量較大的文本文件，如生產(chǎn)文件、配置文件等，此處控制通訊控制在1s 以內(nèi)即可，故采用ftp 協(xié)議進(jìn)行通訊；二是實(shí)時(shí)性較高的控制參數(shù)，如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的坐標(biāo)信息，生產(chǎn)中的工藝、輪廓信息等，這里可以選用Soap 協(xié)議[4]，以保證響應(yīng)速度在10ms 以內(nèi)。PLC 和運(yùn)動(dòng)程序之間可以選擇總線通訊方式，如EtherCat、Modbus 等，這里可以根據(jù)工藝要求的實(shí)時(shí)性、價(jià)格等因素進(jìn)行選擇。

圖3 信息通訊圖

2.4 系統(tǒng)擴(kuò)展

系統(tǒng)完成基本功能后，為了滿足客戶個(gè)性化需求及融入一個(gè)車間或工廠的整體管理系統(tǒng)中，一是完善系統(tǒng)，提供給客戶更多的選項(xiàng)配置，二是留下可供客戶自行研發(fā)的升級(jí)接口。本系統(tǒng)支持最多四個(gè)工位進(jìn)行上下料，支持同一工位多產(chǎn)品，支持單按鈕單工位、單按鈕多工位、單按鈕多周期、遠(yuǎn)程信號(hào)等多種啟動(dòng)方式，支持異步同步移動(dòng)軸或變位機(jī)功能，支持激光防護(hù)、防護(hù)房、遠(yuǎn)程監(jiān)控、安全區(qū)域減速或停止等安全措施功能，提供Mes 通訊接口[5]，提供用戶切割前中后自行定義功能接口。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從用戶使用的便捷性、需求的迫切性、實(shí)現(xiàn)的可行性考慮，以客戶實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程觸發(fā)，從生產(chǎn)文本設(shè)計(jì)，到用戶操作習(xí)慣考慮，再到功能如何實(shí)現(xiàn)和有效結(jié)合為機(jī)器人三維切割設(shè)計(jì)一個(gè)專用系統(tǒng)。該系統(tǒng)在產(chǎn)品的保存、編輯、監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)有了顯著的提升；在二維激光中研究成熟的切割工藝通過(guò)工藝參數(shù)表和動(dòng)作表移植到該系統(tǒng)中應(yīng)用，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的工藝積累，對(duì)工人的依賴性會(huì)不斷下降，同時(shí)這些工藝對(duì)切割效率和質(zhì)量都將有著明顯提升；加工信息和提示的記錄與生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)切割中的故障解決有著不可或缺的作；留下的接口能夠滿足鈑金加工智能化這一趨勢(shì)。