基于SoftPLC和现场总线技术的点焊机器人柔性工作站系统集成.pdf

2 0 1 0年 8月 第 3 8 卷 第 l 5期 机床 与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ． 1 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 5 ． 0 1 5 基于 S o f t P L C和现场总线技术的点焊机器人柔性工作站系统集成 王健强，李斌 ，王长润 合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 2 3 0 0 0 9 摘要 工业机器人作为 自动化焊装线最主要的柔性设备 ，目前在汽车行 业开始广 泛应用 。以 K U K A机器人 为例 ，设 计 和构建基于S o f t P L C和现场总线的机器人工作站系统集成。整个系统以S o fi P L C作为主控制器 ， 用 P R O F I B U S - D P总线构建通 讯网络，采用面向对象的编程思路，实现机器人柔性制造单元的通信与控制，提高系统的自动化程度，提升控制系统本身 的柔性和可扩展性 。 关键词 工业机器人 ；S o f t P L C；P R O F I B U S D P现场 总线 ；柔性化 中图分类号 T P 2 4 文献标识 码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 5 0 4 7 3 Fl e x i b l e W O r k- c e l l S y s t e m I nt e g r a t i o n f o r W e l di ng Ro b o t Ba s e d o n SO f t PLC a n d Fi e l d Bu s WANG J i a n q i a n g ，L I B i n，WANG C h a n g r u n S c h o o l o f Ma c h i n e r y a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，H e f e i A n h u i 2 3 0 0 0 9 ．C h i n a Ab s t r a c t As t h e mo s t fle x i bl e e q ui p me nt i n we l d i n g l i n e， mo r e a nd mo r e i n du s t ria l r o b o t s a r e us e d i n a u t o mo t i v e i n d us t r y． Ta k i n g KUK A r o b o t a s a n e x a mp l e．r o b o t c e l l s y s t e m w a s d e s i g n e d a n d e s t a b l i s h e d b a s e d o n S o fl P L C a n d t h e fi e l d b u s ． S o fl P L C w a s e m． p l o y e d a s t h e m a i n c o n t r o l l e r ．P R O F I B U S D P b u s w a s u s e d t o b u i l d c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ．O b j e c t o ri e n t e d s o f t w a r e e n g i n e e r i n g w a s e x p l o i t e d t o r e a l i z e c o mmu n i c a t i o n a n d c o n t r o l o f fl e x i b l e ma n u f a c t u ri n g u n i t o f t h e r o b o t ． F l e x i b i l i t y a n d e x p a n d a b i t i t y o f t h e c o n t r o l s y s t e m we r e i mpr o v e d． Ke y wo r d sI n d u s t ri a l r o bo t s ；S o fl P L C； P R OF I B US D P b u s ； F l e x i b i l i t y 随着 国内汽车行业的 日益发展 ，大量的新型汽车 不断涌现 ，直接推动 了汽车生 产工艺 的发展 与提高 。 焊装作为汽车制造过程 中的四大工艺之一 ，其 自动化 水平及质量直接关系到整车制造水平和质量。目前国 内外 企业正 在大 力推 广无 少 库存 、按 订单 生产 J I T 的管理方式，要求焊装生产线具有更好的柔 性 ，以适应多品种 、小批量的生产要求 。由于国内机 器人焊装线供应商多是 国外企业 ，国内 自主集成的焊 装线 机器人工作站 相对较 少 ，且系统 多为硬 线接线 ， 缺乏可靠性 ，系统柔性差 。作者针对我国汽车制造业 中焊装线机器人 的现状 ，通过对焊装线机器人系统集 成控 制技术 的研究 ，提出了基于 S o fl P L C和现场 总线 的控制方案 ，通过模块化 、结构化 的思路 ，解决焊装 线机器人 系统集 成 的控 制问题 ，提高 整个 系统 的柔 性 。 1 S o fl P L C与 P R O F I B U S D P简介 1 ． 1 S o fi P L C S o fi P L C是一种基于P c的软逻辑控制软件，与传 统 P L C一样 ，主要应 用 于工业 控 制领 域 ，如 开关 逻 辑控制 、时序控制 、定时控制 、技术控制 、模拟量控 制等 。K U K A ． S o fi P L C 使用遵 循 I E C 6 1 1 3 1 3国际标 准的 P r o C o n O S实时运行 系统 ，在计算 速度 与柔 性上 有显著特点 ，集 成在 机器人 的 K R C控 制器 中 ，用来 处理 K U K A机 器人语 言 K R L 无 法 完成 的 自动控 制任务 。K U K A ． S o fi P L C由编程 系 统 MU L T I P R O G 与实时运 行 系统 P r o C o n O S 两部 分 组成 。M U L T I P R O G类似于西门子 的 S T E P 7 ，是一种带有调试与编 译功能的 P L C编辑器 ，而 P r o C o n O S 是 K U K A ． S o fi P L C 的核心 ，类似 于西 门子 P L C的 C P U，完成输 入 输 出 的处理 、通讯 的处理 以及程序 的运行 ，两者 可以通过 T C P ／ I P协议进行 连接 ，完 成程 序的上 传 、在线 调试 等 。 K U K A机器人 控制 器 K R C采用运 行 在 同一 C P U 上 的嵌入式 Wi n d o w s X P和 Wi n d R i v e r V x Wo r k s双操 作系统 。V x Wo r k s 有 较高的优先权 ，确保 完成所有 的 实时任务 。Wi n d o w s X P和 V x Wo r k s的内存通过 MM C严格分离 ，确保 了运行 在 V x Wo r k s 操作 系统 中 的 K U K A ． S o fi P L C即使 在 Wi n d o w s X P出现 故 障时 收稿 日期 2 0 0 9 0 7一 o 6 基金项目 安徽省重大科技攻关项 目 0 7 0 1 0 2 0 1 0 1 1 作者简介 王健强 1 9 6 4 一 ，男 ，博士，教授 ，主要研究方向为先进制造技术 、智能机器人系统控制等。电话1 3 8 5 5 1 9 5 9 2 5 ， Ema i l j i a n q i a n g w a n g 1 2 6 ． c o m。 4 8- 机床与液压 第 3 8卷 如蓝屏死机等 也完 全可以可靠运行 。 1 ． 2 P RO F I BU S D P现场 总线 P R O F I B U S 是 目前 国际上通用 的现场总线标准之 一 ，是一种国际化 、开放式 、不依赖于生产商的现场 总线标准 。P R O F I B U S由 P R O F I B U S F M S、P R O F I B U S - D P 、P R O F I B U S P A 3部 分 组 成 ，其 中 P R O F I B U S - D P是一种高速 数据传输速率 9 ． 6 k b ／ s ～l 2 M b ／ s 的经济的设备级 网络，在信号的传输精度、 可靠性和抗干扰方面有不俗的表现，具有系统成本 低 、安装简单 、维护调试 方便且易于扩展 的优点。而 且 ，各类传感器和智能设备 等都 有支持 D P网络的标 准通信口，硬件资源丰富；D P网络本身灵活多变的 主从结构 ，适应多种控制 系统 ；各类组态软件也都可 以和 O P C S e r v e r 建立数据交换 ，缩短 了监控 系统的开 发周期。 目前 P R O F I B U S D P已广 泛适用 于工业企业 现场 自动化 。 2 控制系统的总体设计 2 ． 1 点焊机器人柔性工作站架构及其分析 点焊机器人工作站是指使用一台或多台点焊机器 人 ，配以相应的外围设备 ，用 于完成某一特定焊接任 务的独立 的柔性制造单元。如 图 1 所示为 国内某著名 汽车厂项 目中装焊 顶盖总成 M B 1 0 0工位 的系统构成 图，该工位主要完成两种车型驾驶室的顶盖上件并定 位焊 接。系统 主要包 括 2台地 面安装 K U K A机 器 人 ， 2把 中型 c型焊枪 ，2套 电极 修磨 器 ，1 把机 器 人顶盖抓具 ，1 个机 器人端换枪机 构 ，2个工具 端换 枪机构 ，2 个换枪架台 ，安全光栅等 。 图 1 MB 1 1 0工位 系统构成 图 当往复杆输送 到位 ，工位定位夹紧地板 ；机器人 用抓具抓取 顶盖 总成 、并将顶 盖 总成 定位 在车 身上 抓具具备 夹具 的功 能 ；机器人换 下抓具 ，并使 用 大 c型焊钳焊接 顶盖与 侧 围搭 接焊 点 ；焊 接完成后 机器人完成换枪操作，抓起抓具 ；夹具打开 ，往复杆 动作 ，工件输送到下一工位 ，系统进入下一循环。 该工位作为生产线的一个子系统 ，涉及到的现场 设备较多较分散，除了要满足本身的焊接任务，还要 与线体输送系统和夹具系统保持协调连锁，处理异常 情况 的报警。如果生产过程 中互锁信号 出现错误 ，轻 则造成工具 、工件的损坏 ，重则导致机器人损坏 以及 人员伤害等重大事故 。 2 ． 2控 制方案 的确 立 根据上述分析，结合项目实际，为了更好地适应 上述要求 ，作者采用 基于智能控制 器的控制方案 ， 即采用机器人作为一个独立的智能体来管理 自己的外 部设备 ，通过 K U K A机器人控制器 提供的 S o f t P L C软 件，利用 P R O F I B U S 现场总线技术构成分布式控制网 络 ，对机器人及其外围设备进行组 网控制 ，完成机器 人与机器人 、机器人与外设的通讯 ，实现机器人的焊 接作业任务。网络架构如图2所示。 图2网络架构图 该工位上位机与 Ma s t e r 机器人、M a s t e r 机器人与 S l a v e 机器人 、机器人与外 围设备均是通过 P R O F I B U S 网络来实现数据交换的。作者将纯焊接的 1 号机器人 作为主站，2号机器人作为其从站 ，同时外围设备又 作为分站分别从属 于各 自的机器人主站 ，整个系统通 过 3级 网络架构实现组网控制 。 3 通信网络设计 作者采 用 工业 控 制 P cP R O F I B U S网卡 S o f t ． P L C结构形式 的 P R O F I B U S D P网络 配置方 案 J 。系 统采用 1 号机器人 P C机 西门子 C P 5 6 1 4 A 2网卡 S o fl P L C作为总线的主站 。 焊枪 与机 器 人 侧 换 枪 盘 信 号 采 用 S I M A T I C E T 2 0 0 R现场分布式 I ／ O模块 ，其拥有 I P 6 5的防护等 级，特别适合机器人焊接作业这种恶劣环境下使用。 抓具上的信号采集与气缸控制采用 S M C阀岛单元， 其具备 P R O F I B U S D P通讯接 口，方便与总线 的连接 。 其他外围信号 如焊接控制器相关信号，修磨器与 换枪架上的信号 ，安全光栅信号等 采用 E T 2 O O M通 讯模块 与 P R O F I B U S ． D P相连 接 ，E T 2 0 0 M 充分 利 用 了 s 7 - 3 0 0的模块 系列 ，将所 有的 s 7 ． 3 0 0 I ／ O模块 通 过接口模板 I M1 5 3 与现场总线相连。上述模块均具有 第 1 5期 王健强 等基于 S o fi P L C和现场总线技术的点焊机器人柔性工作站系统集成 4 9 集成的模块 诊断功能 ，方便 系统 的运行与监控 。 该控制系统 硬件 架 构如 图 3所 示 ，整 个 系统 由 P R O F I B U S D P主站 、P R O F I B U S D P从 站 及 现场 设备 组成。P R O F I B U S D P总线将 所 有设 备 连 接起 来 ，这 样就实现了现场设备之 间的通信 。 安 机 器人 图3 控制系统硬件架构图 4软件架构 4 ． 1硬件 组 态 使用 S I E M E N S工业软件 S I M A T I C S T E P 7来组态 整个 P R O F I B U S D P网络 ，完成后 导 出 L D B文件 ，导 入到 K U K A 机 器 人 控 制 器 中 ，完 成 设 备 的 相 应 配 置 。 机器人 控制系统硬件组态如 图 4所示 ，其中 4号 站是 E T 2 0 0 M模块 ，主要负 责换枪 架上 的工 具感 知 ， C O V E R 保护换枪盘 的盖 子 的 开合 控制 ，以及 水 气排上的冷却水开关控制和流量监控，压缩空气的监 控。5 号 站 为 机 器 人 侧 T O O L C H A N G E R 上 的 E T 2 0 0 R - H现场模块 。6号站 为 E T 2 0 0 R ． W 现场模块 ， 和 E T 2 0 0 R H功能类似 ，是专 门为焊枪应用 开发 的控 制单 元。7号站为 S M C V A L V E U N I T ，用 于抓具上 的 气缸 控制 。 图 4 机器人控制系统硬件组态图 主从站 之 间 通 过 P R O F I B U S D P通 讯 电缆 连接 ， 实现主从站之间的通讯 ，其工作特点是总线上一个主 站控制着多个从站 ，主站 与每一个从站建立一条逻辑 链路 ，完成总线通信控制与管理 ，以及周期性数据访 问 ；从站主要进行输入 、输 出信号采集和发送 ，同时 响应来 自主站的控 制信号 ，这样就实现了现场设备之 间的通信。 4 ． 2程序框 架 对于一个 较为复 杂 的应 用 系统 ，程序 的前 期 规 划显得尤 为重要 ，作 者按照 工 艺和 控制 任 务 ，采用 基于对象模 块化 的思路 来划 分程 序结 构 ，如图 5所 示 。 l I n t e r L o c k l _ ． 1 t h “ - P ． M Al N 卜 _ 恒 ． 图 5 程序框架 图 主任务程序 P ． MA I N包含 工作站任 务和线体 的协调连锁 控 制任 务 ，以及 相应 的 自动诊 断报 警处 理 。站工作程序 S T A T I O N 是具体 的工位控 制 ，其 中包括工位操作模式的识别 ，车型的判别 ，该工位程 序号有效性的判断 ，工 位循环逻辑的判断 ，安全方 面 的处理 ，站 内机器 人 的控制 。外部 机 器人控 制 程序 S t a t i o n R o b o t 包括 机 器人 的外部 启 动 与应 用 两方 面 ，如机器人程 序号 的选择 、干涉区的设定 等。作为 工作站柔性最高的设备 ，每个机器人都使用 单独 的程 序来控制。 程序具体设计时，根据具体对象划分，制定一些 标准模块 如前 面所 述 的车 型判 断 、工作 模 式判 别等 或公 共 逻 辑 模 块 如 各 台 机器 人 的 外 部 启 动 、干 涉 区 的 设定等 。这样可 以避 免 重 复 劳 动 ，又 使 程 序结构整齐，易 于阅 读理解 和维 护。图 6 就是 工作 模 式 判 别 的 标 准 模 块 ，给 出 了标 准 的 调 用 接 口，在 程 序中按接 口调用 即可。 图6 模式选择标 准功能模 块 下转第3 1页 第 1 5期 刘晓红 等轴向柱塞泵配流盘上阻尼孔对其空蚀特性的影响 3 1 间 ，出现瞬时 油液 回冲形成 高速 射 流 ；随 着 缸体 转 角不断增 大 ，射流速度逐渐减小 ，在油液 回冲阶段结 束时 ，射流速度达 到最低 点 ；油液 回冲 阶段结束 后 ， 逐渐形成 柱塞 腔内压力超调 引起排油过程 中的高速射 流 ，这个射流速度 比油液 回冲阶段初期的射流速度要 低得 多 ，随着柱塞腔 内压力超调量 的增大而增大 。对 于结构 a ，阻尼孔 的节流作用使 柱塞腔 与阻尼孔接 通 瞬间 ，局部速度低于仅有减压槽 节流 的结 构 3 ，阻尼 孑 L 与减压槽之 间的间隙使柱塞腔与阻尼孔接通后 出现 一 个速度减小 的区域 ，待柱塞腔与减压槽接通后 ，由 于前期油液 回冲阶段 的补油作用和柱塞腔密闭体积的 逐渐缩小 ，柱塞腔 内压力逐渐 升高 ，出现小 于结构 c 中最大射流速度 的高速射 流 ；对 于结构 b ，油液 回冲 阶段开始 和结束 的时 间均有所延迟 。 通过分析 图 6 d 、 e 中减 压槽 内 的最低 压力 和最高速 度分 布 可 以看 出，柱 塞腔 与减 压槽 接 通 瞬 间 ，减压槽 内最 低压 力 急剧 下降 ，最 高 速度 急 剧增 大 ，到达峰值后缓慢恢复原来的值 。由于保持封 油区 长度不变 ，结构 C的减压槽 内首先 出现压力最低值 和 速度峰值 ，此时减压槽两端压差较大 ，减 压槽 内的最 低压力值最小 低于液压油空化压力 P ，最高速度 值最大；由于阻尼孔的作用，结构 a 的减压槽内最低 压力值最大 ，最高速度值最小 ；而对于没有 阻尼孔 的 结构 b ，柱塞腔内密闭容积 的压缩作用使减 压槽 内的 最低压力值和最高速度值处于结构 a 和结构 c之间。 通过 图 6 f 可 以看 出 ，由于减压槽 结构相 同 ，3 种配流盘结构 对 应减 压槽 出 口的射 流 角大 小相 差不 多 ，最大值均小于 3 0 。 ，只是 由于柱 塞腔与减 压槽开 始接通 的时间不 同，导致射流角开始增 大的时间有所 不同而 已。由此可 以得 出结论 要 改变减压槽 出 口的 射流角大小 ，就必须改变减 压槽出 口的结 构。 4结论 I 减压槽 出 口附近 的阻尼 孔对 减压槽 出 口的 射流角大小基本没有影响 ； 2 根 据文 献 [ 6 ]判 断 ，无论 是 否 存 在 阻尼 孔 ，减压槽 出口的射流角均 小于 3 0 。 ，要改 变减压槽 出 口的射流角大小 ，就必须改变减压槽 出 口的结 构。 参考文献 【 I 】邱泽麟， 陈兆能． 轴向柱塞泵配流盘阻尼结构降噪特性 的理论分析与实验研究[ J ] ． 机床与液压， 1 9 8 9 5 2 2 2 7． 【 2 】 余经洪， 陈兆能， 王均功 ， 等． 液压柱塞泵的噪声控制 [ J ] ． 液压与气动 ， 1 9 9 1 4 l 8 2 2 ． 【 3 】许锦宗． 轴向柱塞泵的配油冲击及其控制[ J ] ． 机床与 液压 ， 1 9 8 3 2 1 72 5 ． 【 4 】那成烈， 范春行 ， 吴兴利． 轴向柱塞泵气穴振动问题的研 究[ J ] ． 液压与气动， 1 9 9 2 4 2 0 2 3 ． 【 5 】那成烈． 轴向柱塞泵可压缩流体配流原理[ M] ． 北京 兵 器工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 6 】刘晓红， 于兰英 ， 刘桓龙 ， 等． 液压轴向柱塞泵配流盘气 蚀机理 的研究 [ J ] ． 机械工程学 报 ， 2 0 0 8 ， 4 4 1 1 2 0 3 2 0 8． 上接第4 9页 5结 论 通过利用 K U K A控制器 集成 的 S o f t P L C软件解决 方案，代替昂贵外部硬件 P L C系统，方便了 P L C与 机器人 的通讯以及对 I ／ O 口的读写 ，而且通过内置 的 固件 F i r m w a r e 可 以实 时获得 机器人 的运 动状态 。 K C P可 以作 为显 示屏 显示 工位 目前 的工 作状 态 ，通 过 O P C技术也 很方 便与 车间监 控系 统相连 ，提高 了 整个系统的性 价 比与柔性 。采用 P R O F I B U S主从站 的 组 网模式 ，方便 了各个设备 间的通讯 ，也方便 了硬件 电路的设计和现场安装调试 。现场模块直接安 装在其 所控制的设 备上 ，缩短 了电缆 的长度 ，使得接线简单 美观 ，降低 了接线的错误 。此外 ，P R O F I B U S某 些从 站故障不影响其他从站工作 ，这样就可以很方便地对 现场设 备分批 次地进行调试 。而且 只要在总线协议允 许范围 内，可 以随时 根据现 场的需要 增加 网络节点 ， 提高控制系统本 身的柔性和可扩展性 ，方便 系统 以后 的改造与优化 。基 于对象模块化的编程思路 ，有利于 控制程序的模块化 和移植性 ，缩短程序研制开 发的周 期 ，提高工作效率和编程质量 ，方便程序的阅读与现 场调试 。 参考文献 【 1 】K R C ⋯K U K A ． S o f t P L C P r o c o n O S R e l e a s e 3 ． 3 [ M] ． A u g s b u r g K UKA Ro b o t e r Gmb H． 2 0 0 5 ． 3 ． 【 2 】F l y V x Wi n u k ． [ O L ] ． h t t p ／ ／ w w w． k u k a r o b o t i c s ． C O I ／ NR／r d o n l y r e s ／D8 9EF 8 78一 EE OB- 41 0F- 99 26 1 3 8F1 97 5F1 DA／0 ／F l y Vx W i n_u k ． p d f ． 【 3 】L e v e r a g i n g V x Wi n T e c h n o l o g y i n t o N e x t G e n e r a t i o n I n d r a L o g i c V S o ft P L C [ O L ] ． h t t p ／ ／ w w w ． e m b e d d e d s t a r ． c o m ／ a r - t i c l e s ／2 O O6 ／3 ／a r t i c l e 20 0 6 03 2 7． 1 ． ht m1 ． 【 4 】 廖常初， s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 5 】H a j d u k Mi k u l 6 g ， S e m j o n J 6 n ， V a g a g Ma r e k ． R o b o t i c c e l l w i t h r o b o t K u k a f o r s p o t w e l d i n g[ J ／ O L ] ． h t t p ／ ／ i e e e x - p l o r e ． i e e e ． o r g ／ s t a m p ／ s t a m p ． j s p a r n u m b e r 0 4 4 6 9 1 4 6 ． 【 6 】付应红， 李晓帆， 项进解． 软 P L C Sofl P L C 技术、 产品及 控制方案探讨 [ J ] ． 测控 自动化 ， 2 0 0 3 1 2 1 1 1 3 ． 【 7 】K R C 2 C o n f i g u r a t i o n P r o f i b u s C P 5 6 1 3 ／ 1 4 [ M] ． A u g s b u r g KUKA Ro b o t e r GmbH， 2 00 3． 8． 【 8 】郭宗仁， 吴亦锋， 郭宁明 可编程序控制器应用系统设计 及网络技术[ M] ． 北京 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 0 2 4 0 ．