上下料系統(tǒng)應(yīng)用六軸機(jī)器人

隨著上汽通用五菱車型更新和產(chǎn)能的提升，人工上下料的落料方式越來(lái)越不適應(yīng)生產(chǎn)的需求。因此我們對(duì)落料壓力機(jī)的上下料方式進(jìn)行了自動(dòng)化改造。改造后，自動(dòng)上下料系統(tǒng)使用兩臺(tái)FANUC六軸機(jī)器人分別完成拆垛、上料和下料、碼垛的工序，使落料件生產(chǎn)邁向了自動(dòng)化，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

沿用原落料壓力機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，即工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/TP和現(xiàn)場(chǎng)總線DeviceNet組成的分散式兩層網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行PLC、人機(jī)界面（HMI）和機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)交換。

自動(dòng)上下料系統(tǒng)與壓力機(jī)共用PLC（AB1756-L62S安全PLC），原壓力機(jī)PLC只需增加1個(gè)總線模塊而不需增加I/O模塊?，F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中涉及到的安全信號(hào)如急停、限位和電機(jī)起停等（如圖1中第10槽下掛的11個(gè)安全I(xiàn)/O模塊）由安全I(xiàn)/O收集，遵循總線安全協(xié)議與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。安全信號(hào)與常規(guī)設(shè)備信號(hào)的傳輸共用一條總線電纜，使網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的架設(shè)成本降低，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，便于維護(hù)。

圖1   I/O配置

新增設(shè)備包括FANUC六軸機(jī)器人R2000IA-100P和R2000IB-100P各1臺(tái)，上料、下料小車各1臺(tái)，可控制安全進(jìn)入系統(tǒng)、安全圍欄等。前臺(tái)機(jī)器人同時(shí)完成拆垛、上料任務(wù)，后臺(tái)機(jī)器人同時(shí)完成下料和碼垛任務(wù)。六軸機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中能保持較高的精度，配合程序設(shè)計(jì)可使拆垛和碼垛過(guò)程與零件厚度相匹配，得到非常理想的拆垛、碼垛效果。新增設(shè)備中沒(méi)有用于零件對(duì)中的設(shè)備，在自動(dòng)上下料系統(tǒng)中通常都使用到對(duì)中設(shè)備，若零件對(duì)中不到位，會(huì)導(dǎo)致零件放入模具時(shí)出現(xiàn)位置偏移，給沖壓工序帶來(lái)麻煩。但考慮到上料垛料是整齊的定尺料，通過(guò)叉車將整垛料放到上料小車上的固定位置，因此上料件的對(duì)中調(diào)整量并不大。我們通過(guò)上料機(jī)器人的“零件拾取點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整”功能“省”去零件對(duì)中設(shè)備，這樣做不僅是節(jié)省了一套對(duì)中設(shè)備，也節(jié)省了一臺(tái)用于垛料和對(duì)中設(shè)備之間搬運(yùn)零件的機(jī)器人，使拆垛和上料的任務(wù)能夠使用一臺(tái)機(jī)器人完成。此次自動(dòng)化改造中使用的R2000IA-100P機(jī)器人改造前為工廠閑置設(shè)備，型號(hào)舊。舊型號(hào)的機(jī)器人需要將其操作面板I/O、急停等信號(hào)的傳輸方式由硬線傳輸改為現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸，使舊型號(hào)的機(jī)器人不影響兩層控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的搭建。

零件拾取和放下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為安裝于機(jī)器人手臂上的真空發(fā)生器。真空發(fā)生器自帶有現(xiàn)場(chǎng)總線適配器，它掛在機(jī)器人控制器自帶的現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊下，它不通過(guò)PLC而直接由機(jī)器人控制，以提高零件抓取和放下等動(dòng)作的執(zhí)行效率。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和程序結(jié)構(gòu)

我們對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制的簡(jiǎn)單定義為：把機(jī)器人一個(gè)完整工作循環(huán)的空間運(yùn)動(dòng)軌跡拆分成若干軌跡段，對(duì)每一個(gè)軌跡段的終點(diǎn)進(jìn)行命名和編號(hào)，這些與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置相對(duì)應(yīng)的編號(hào)通過(guò)機(jī)器人輸出信號(hào)中的一組數(shù)組發(fā)給PLC，PLC通過(guò)當(dāng)前機(jī)器人發(fā)來(lái)的這組編號(hào)來(lái)確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置。我們所需要做的就是通過(guò)正確的邏輯關(guān)系來(lái)控制機(jī)器人每個(gè)軌跡段的啟動(dòng)、停止、跳轉(zhuǎn)和銜接，這就是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。下面主要對(duì)拆垛與上料機(jī)器人的程序進(jìn)行說(shuō)明。

需要編寫(xiě)的機(jī)器人程序主要為：生產(chǎn)程序、更換端拾器程序和維修程序三類。生產(chǎn)程序與落料件零件代碼和模具代碼一一對(duì)應(yīng)，不同零件生產(chǎn)程序只有運(yùn)動(dòng)軌跡的不同而邏輯結(jié)構(gòu)完全一樣。機(jī)器人接收PLC發(fā)出的配方號(hào)啟動(dòng)與之對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)程序。

圖2是生產(chǎn)程序中拆垛與上料機(jī)器人各個(gè)軌跡段的空間分布示意圖，圖3是邏輯結(jié)構(gòu)圖。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人與PLC之間交換的信息主要包括當(dāng)前機(jī)器人處于運(yùn)動(dòng)軌跡中的位置編號(hào)、當(dāng)前零件的狀態(tài)、當(dāng)前壓力機(jī)滑塊行程位置、系統(tǒng)級(jí)別的安全信號(hào)和PLC給機(jī)器人的指令（如圖3中的指令0、指令15和指令7）等。

圖2   拆垛與上料機(jī)器人各個(gè)軌跡段的空間分布

圖3　拆垛與上料機(jī)器人的邏輯結(jié)構(gòu)

拆垛與上料機(jī)器人從拆垛起始點(diǎn)（1號(hào)點(diǎn)）啟動(dòng)，在垛料和上料點(diǎn)之間循環(huán)進(jìn)行零件搬運(yùn)。結(jié)合圖3，在每一個(gè)等待繼續(xù)的位置，機(jī)器人都需要接收PLC的指令信號(hào)來(lái)進(jìn)行下一步動(dòng)作（指令0為允許機(jī)器人繼續(xù)下一步，指令15為返回起始點(diǎn)，指令7為進(jìn)入“追逐點(diǎn)”，指令8、9為運(yùn)動(dòng)到特定位置，指令10為丟棄垛料中最后一件不能用于生產(chǎn)的零件，指令11、12為出現(xiàn)“雙料故障”時(shí)的處理方式）。

尋件過(guò)程說(shuō)明：機(jī)器人從位置“1”沿著垂直垛料的方向緩慢向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)打開(kāi)真空發(fā)生器左右兩個(gè)真空通道，隨時(shí)用于零件的拾取。當(dāng)任何一個(gè)通道的真空度布爾量反饋信號(hào)置“ON”，則說(shuō)明已經(jīng)拾取到零件，也說(shuō)明機(jī)器人已經(jīng)到達(dá)垛料的頂部位置，此時(shí)停止機(jī)器人的向下運(yùn)動(dòng)，并將當(dāng)前機(jī)器人的位置記錄為拾取點(diǎn)（3號(hào)點(diǎn)）。下一個(gè)循環(huán)的拾取點(diǎn)位置需要更新，用當(dāng)前拾取點(diǎn)位置向下減掉一個(gè)板料的厚度即可。尋件過(guò)程進(jìn)行之后，新的拾取點(diǎn)位置是每個(gè)循環(huán)分別計(jì)算出來(lái)的，若系統(tǒng)沒(méi)有尋件需求，可直接運(yùn)動(dòng)到更新后的拾取點(diǎn)位置去拆離下一件零件。

追逐點(diǎn)的說(shuō)明：生產(chǎn)全速進(jìn)行時(shí)，為了提高生產(chǎn)效率，在上料機(jī)器人到達(dá)上料準(zhǔn)備點(diǎn)（7號(hào)點(diǎn)）時(shí)，若下料機(jī)器人正在進(jìn)入模具區(qū)域拾取前一個(gè)沖壓完畢的零件，則上料機(jī)器人可利用下料機(jī)器人拾取零件的時(shí)間，提前運(yùn)動(dòng)到更接近上料點(diǎn)位置的追逐點(diǎn)（8號(hào)點(diǎn)），以便能在下料機(jī)器人取走零件的動(dòng)作開(kāi)始之后，能從距上料點(diǎn)更近的追逐點(diǎn)開(kāi)始上料動(dòng)作，這樣可以提高生產(chǎn)效率。

零件狀態(tài)的檢查：圖3中在多個(gè)位置需要檢查零件狀態(tài)。如在零件檢查點(diǎn)（5號(hào)點(diǎn)）有時(shí)會(huì)出現(xiàn)如零件掉落等非正常狀態(tài)，通過(guò)HMI界面操作員可根據(jù)實(shí)際情況選擇“忽略”，即人工忽略零件的故障狀態(tài)，繼續(xù)將零件送到壓力機(jī)?；蜻x擇“重試”將零件吹落到垛料頂部，再?gòu)?ldquo;零件檢查點(diǎn)”返回垛料頂部重新拾取該零件。

到達(dá)特定位置：是指在生產(chǎn)過(guò)程中將機(jī)器人停在指定位置，如“清潔模具等待點(diǎn)”、“零件狀態(tài)觀察點(diǎn)”和“拆垛起始點(diǎn)”，“清潔模具等待點(diǎn)”方便操作員進(jìn)入模具區(qū)域進(jìn)行模具清潔等操作，“零件狀態(tài)觀查點(diǎn)”方便操作員觀察零件表面狀態(tài)，“拆垛起始點(diǎn)”是操作員結(jié)束當(dāng)前生產(chǎn)時(shí)或下一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)開(kāi)始前需要機(jī)器人到達(dá)的位置。當(dāng)操作員需要機(jī)器人到達(dá)這些特定位置，而又不需要停止生產(chǎn)時(shí)，可通過(guò)人機(jī)界面的選項(xiàng)將機(jī)器人停止在所需要的位置上。

圖4是下料與碼垛機(jī)器人各個(gè)軌跡段的空間分布示意圖。下料與碼垛機(jī)器人需要處理的任務(wù)比拆垛機(jī)器人要少，不存在需要分析零件是否有“雙件”故障或是否為最后一件零件，全速生產(chǎn)時(shí)不需進(jìn)入“追逐”位置等，所以PLC發(fā)送的指令種類也相應(yīng)減少。

圖4 下料與碼垛機(jī)器人各個(gè)軌跡段的空間分布

下料與碼垛機(jī)器人的尋件過(guò)程與拆垛與上料機(jī)器人的尋件過(guò)程類似，不同的是通過(guò)尋件過(guò)程記錄到碼垛點(diǎn)（4號(hào)點(diǎn)）的位置后機(jī)器人并不拾取此零件，而只是用于確認(rèn)垛料的頂部位置，確認(rèn)之后便將已經(jīng)拾取的零件吹落，并到下料準(zhǔn)備點(diǎn)等待PLC指令。

零件碼放時(shí)要注意控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，精確到達(dá)碼放位置，保證零件碼垛效果。

安全連鎖

落料的每一個(gè)工作循環(huán)，兩臺(tái)機(jī)器人之間以及機(jī)器人與壓力機(jī)之間都有相互干涉的區(qū)域，因而對(duì)安全連鎖的要求高，連鎖關(guān)系繁多。拆垛與上料機(jī)器人要設(shè)定的連鎖條件主要包括：與上料小車不相干涉，與壓力機(jī)不相干涉和與下料碼垛機(jī)器人不相干涉；下料與碼垛機(jī)器人要設(shè)定的連鎖條件主要包括：與下料小車不相干涉，與壓力機(jī)滑塊行程不相干涉和與拆垛上料機(jī)器人不相干涉；零件需要確定的連鎖狀態(tài)有：上料到位、沖壓工序完畢、零件被/已被取走及零件狀態(tài)異常等。連鎖關(guān)系正常時(shí)，允許機(jī)器人從每一個(gè)經(jīng)定義的軌跡段終點(diǎn)開(kāi)始往下一個(gè)軌跡段終點(diǎn)方向啟動(dòng)，未經(jīng)定義的軌跡點(diǎn)是不允許出現(xiàn)的。當(dāng)機(jī)器人已經(jīng)在運(yùn)動(dòng)，即處于兩個(gè)軌跡段終點(diǎn)之間的位置時(shí)，同樣要注意連鎖關(guān)系是否正常，一旦連鎖關(guān)系出現(xiàn)異常，就要立即確保停止一切正在進(jìn)行中的設(shè)備運(yùn)動(dòng)。

生產(chǎn)是追求效率的，比如在設(shè)備全速運(yùn)行時(shí)，壓力機(jī)的沖壓動(dòng)作是提前于上料機(jī)器人上料后完全返回到安全區(qū)域的，這時(shí)壓力機(jī)滑塊提前下壓的時(shí)間、角度參數(shù)需要根據(jù)機(jī)器人返回與壓力機(jī)不想干涉區(qū)域的速度來(lái)計(jì)算；上料機(jī)器人在開(kāi)始上料動(dòng)作時(shí)，下料機(jī)器人下料后可能并沒(méi)有返回與上料機(jī)器人完全不相干涉的位置，這時(shí)允許上料機(jī)器人提前上料的指令需要根據(jù)下料機(jī)器人此時(shí)的運(yùn)動(dòng)位置和速度來(lái)設(shè)定；下料機(jī)器人在進(jìn)入模具區(qū)域下料時(shí)，壓力機(jī)滑塊可能并沒(méi)有完全返回其行程的“上死點(diǎn)”位置，這時(shí)允許下料機(jī)器人下料的指令須先確認(rèn)滑塊當(dāng)前角度才能發(fā)出。

在重要的干涉區(qū)，如前臺(tái)機(jī)器人在上料拾取點(diǎn)位置或后臺(tái)機(jī)器人在下料拾取點(diǎn)位置，這時(shí)兩臺(tái)機(jī)器人所處區(qū)域，都是在滑塊的行程范圍之內(nèi)的。我們?cè)跈C(jī)器人基座上的第一軸安裝了動(dòng)態(tài)限位裝置來(lái)確認(rèn)這些區(qū)域。此信號(hào)是作為安全信號(hào)引入的，可根據(jù)第一軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)確定機(jī)器人當(dāng)前所處的實(shí)際區(qū)域。

結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)落料生產(chǎn)單元目前進(jìn)行大中型落料件的生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)近4個(gè)月的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，與手工上下料相比，生產(chǎn)中型落料件的速度由原來(lái)的5件/min提高至7.8件/min，生產(chǎn)大型落料件的速度由原來(lái)的3件/min提高至6.5件/min。落料件產(chǎn)品碼垛整齊，且不需要任何定位裝置，零件表面污染小，滿足自動(dòng)化沖壓整線對(duì)于上料垛料的質(zhì)量要求。與其他的自動(dòng)落料設(shè)備相比（如拆垛、碼垛機(jī)等專用設(shè)備組成的系統(tǒng)）能大幅度地降低設(shè)備投資成本。此項(xiàng)技改已獲得廣西重工業(yè)2009年度優(yōu)秀設(shè)備改造成果一等獎(jiǎng)。