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機(jī)器人焊裝線安全性控制系統(tǒng)構(gòu)建

文檔作者：王健強(qiáng) 孫自強(qiáng) 王瑋文檔來源： 1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 2機(jī)械工業(yè)第一設(shè)計研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月10日
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制造業(yè)信息化
仿真/建模/ad/Cam/ae/A
機(jī)器人焊裝線安全性控制系統(tǒng)構(gòu)建
王健強(qiáng),孫自強(qiáng),王瑋
(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,合肥230002機(jī)械工業(yè)第一設(shè)計研究院,安徽蚌埠233017)
摘要:安全性控制系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)和安全系統(tǒng)進(jìn)行獨立控制,分別由標(biāo)準(zhǔn)PLC和安全網(wǎng)絡(luò)控制器(SNC)控制。SNC
在標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)中充當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)從站作用,與標(biāo)準(zhǔn)主站進(jìn)行狀態(tài)和信息交互:SNC在安全網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)安全主站角色(連接安
全設(shè)備或安全從站),處理整個控制系統(tǒng)安全邏輯,并給出相應(yīng)安全處理響應(yīng)。機(jī)器人自動化焊裝線中,在危險設(shè)備應(yīng)用
安全控制系統(tǒng),能夠有效減少勞動災(zāi)害,確保制造現(xiàn)場安全性和生產(chǎn)性。
關(guān)鍵詞:安全控制;機(jī)器人;自動化;焊裝線:標(biāo)準(zhǔn)主站;安全主站
中圖分類號:TP242
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1002-2333(2011)01-0037-03
 Design of the Safe Control System in Robot Welding Line
 Abstract: Safe control system, disjoining the standard system and safety system, is controlled independently by standard
 PLC and Safety Network Controller (SNC). SNC acts as the standard slave station in standard control system,and
 communicates with the standard master station. Acting as safety master station in the safety network. SNC handles safety
 logies of the entire safety control system, and hands out corresponding response. In the automatic robot welding line.
 applying the safe control system on dangerous equipments can efficiently reduce the work danger, and ensure the security
 and producibility
 Key words: safety control; robot: automation welding line; standard
1引言
2系統(tǒng)任務(wù)剖析
機(jī)械安全是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要考慮的因素
白車身機(jī)器人自動焊裝線,通常由分總成(sub
等等。一般來說,安全控制系統(tǒng)應(yīng)該包括安全信號檢測,ine)線ingi系統(tǒng)(如圖所
安全信號分析和處理以及安全信號響應(yīng)。這三個部分構(gòu)示)包括2條su
成了真正意義上的安全系統(tǒng):安全信號點(急停,安全鎖,
雙手按鈕等等)檢測,一般通過急停按鈕、信號燈、安全門
限位開關(guān)或聯(lián)鎖開關(guān)、安全光柵或光幕、雙手控制按鈕、
激光掃描儀等來完成;安全信號點分析和處理一般通過
安全網(wǎng)絡(luò)控制器、安全繼電器和安全總線等完成,以保證
國
安全信號的正確性;安全信號點響應(yīng)一般通過安全驅(qū)動
裝置將安全信號最后輸出給驅(qū)動裝置,如主回路中的接
觸器、繼電器或閥等,完成安全功能的執(zhí)行。
本文將結(jié)合合肥工業(yè)大學(xué)汽車裝備研究所承接的機(jī)
器人自動焊裝線項目,對整線安全控制模式進(jìn)行闡述。
圖1系統(tǒng)布局圖
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收稿日期:2010-10-15
機(jī)械工程師2011年第1期37
制造業(yè)信息化
 DMANIFACTUNING INFORMATIZATION建模/CA/CA/CAE/CAP
及部分 main body line。其中,2條分總成全部人工完成焊
KUKA機(jī)器人支持所有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線系統(tǒng),如:
接任務(wù),左右各有5個手工工位和一個輸送送料工位 Profibus Interbus、 DeviceNet和 ControlNet,而且,還支持
(soL-sb5l和b1-SB5)底板線分為2個以太網(wǎng)TCP/IP和OPC客戶機(jī)服務(wù)器,可以提供豐富的
手工上件工位(UB010和UB020)和機(jī)器人純補(bǔ)焊工位通信資源,機(jī)器人程序可以直接編程的1O分別有1024
(UBO30-UB060);主線先由MB10工位8臺機(jī)器人完成個。我們把其中1~96的地址分配給PLC用于通信,機(jī)器
上件和補(bǔ)焊,在MBO20工位由空中小車輸送至MB030人各種外設(shè)1O也根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)地分配在不同地址
工位,經(jīng)過2個機(jī)器人純焊接工位和5個人工工位完成段。這樣機(jī)器人和外部設(shè)備的接口就通過標(biāo)準(zhǔn)化方式來
補(bǔ)焊。
做到了統(tǒng)一,方便了后期編程。
本文所引述的部分是UB線以及MB線的2個工位。
關(guān)于輸送機(jī)和各種置臺中使用的氣缸電磁閥、磁性
整個控制系統(tǒng)所涉及到的標(biāo)準(zhǔn)控制對象包括17臺開關(guān)以及水氣排RIP等離線信號通過 OMRON現(xiàn)場模塊
 KUKA
UKA點焊機(jī)器人(其中2臺含換抓具功能),2臺KUKA DRM21-V1進(jìn)行信號收發(fā),作為標(biāo)準(zhǔn)從站通過 DeviceNet
搬運(yùn)機(jī)器人,4把 GRIPPER,17把 OBARA SPOT GUN.現(xiàn)場總線與主站CPU進(jìn)行實時通訊。同時,本控制系統(tǒng)
17套P5000 BOSCH WELD TIMER,2 NITTA AUTO與線體之間交互信號,也是通過PLC本地1模塊進(jìn)行通
 TOOL CHANGER(ATC)17臺 OBARA TIP DRESSER,17訊,保證機(jī)器人與線體之間信息傳達(dá)的實時性。整個控制
臺RP系統(tǒng),2個 CONVEYER,
系統(tǒng)安全設(shè)備分別通過UB和MB安全網(wǎng)絡(luò)控制器
1個滑動置臺,1個升降置臺和1個輔助置臺。另外neia -SCPU-2進(jìn)行獨立管理,同時與兩個PLC保持實
安全控制對象包括:11個安全門,1個安全光柵,1個安全時信息交互,保障機(jī)器人系統(tǒng)動作準(zhǔn)確性以及機(jī)器人之
地毯和19個機(jī)器人急停。
間信息交互的可靠性3
3控制系統(tǒng)
以上構(gòu)成整個控制
面對如此多的控制對象,為了達(dá)到理想的控制狀態(tài),系統(tǒng)一級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如
我們將整個系統(tǒng)分成標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)兩部圖2所示,為標(biāo)準(zhǔn)控制-日
分。把安全系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)獨立開來使用 OMRON網(wǎng)絡(luò)),UB和MB分別
標(biāo)準(zhǔn)PLC來處理標(biāo)準(zhǔn)控制設(shè)備,使用 OMRON安全網(wǎng)絡(luò)以PLC為標(biāo)準(zhǔn)主站,以
圖2標(biāo)準(zhǔn)控制網(wǎng)絡(luò)
控制器來處理現(xiàn)場安全和急停等設(shè)備。處理安全信號時,機(jī)器人、標(biāo)遠(yuǎn)程模塊和sNC為標(biāo)準(zhǔn)從站,同時兩主站
使用 OMRON安全網(wǎng)絡(luò)控制器NEIA-SCPU作為安全PLC同線體之間保持實時信息傳遞。
主站,安全遠(yuǎn)程輸入輸出系統(tǒng)構(gòu)成安全從站每個NE1A-3.2機(jī)器人獨立控制單元
SCPU02又能同時執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)從站功能,具備與標(biāo)準(zhǔn)主站進(jìn)
與機(jī)器人相關(guān)的附屬設(shè)備,如 OBARA WELD GUN
行標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出通信功能。分配狀態(tài)信息基本狀態(tài),本 NITTA ATC、 GRIPPER TOOL STAND等,必須配合機(jī)器
地輸入輸出錯誤狀態(tài),和其他信息)或邏輯操作結(jié)果給人執(zhí)行相應(yīng)動作。為滿足機(jī)器人作業(yè)的控制要求,我們將
標(biāo)準(zhǔn)PLC,標(biāo)準(zhǔn)PLC對安全系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)視。
這些設(shè)備設(shè)計成機(jī)器人專門控制的子控制網(wǎng)絡(luò),機(jī)器人
3標(biāo)準(zhǔn)控制網(wǎng)絡(luò)
與PLC之間保持通訊,提供機(jī)器人控制單狀態(tài)信息。
整個標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)運(yùn)用2個 OMRON標(biāo)準(zhǔn)PLC進(jìn)行KUKA機(jī)器人內(nèi)部提供了供開發(fā)的 IOSYSINI等系統(tǒng)文
管理,PLC1控制UB線機(jī)器人工位UB030-UB060,11臺件可以進(jìn)行機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)態(tài)機(jī)器人內(nèi)部地址按
機(jī)器人,PLC2負(fù)責(zé)MB線的2個工位,8臺機(jī)器人。通過照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),分配給機(jī)器人管理的標(biāo)準(zhǔn)從站KUKA機(jī)
2個PLC的分工,化整為零,使控制任務(wù)相對模塊化,并器人的SPS是除機(jī)器人主函數(shù)之外另一個獨立運(yùn)行的函
且冗余一部分PLC處理能力,便于保證系統(tǒng)的可靠性和數(shù),只要機(jī)器人程序開機(jī)并且相關(guān)的程序沒有語法錯誤,
方便后期功能擴(kuò)展。但整線物流是一個整體,2 PLC個 SPS程序就在后臺自動運(yùn)行。利用SPS和機(jī)器人應(yīng)用主
之間要相互協(xié)作,要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)交互才能保證線體順程序是相互獨立的兩個進(jìn)程的特性,我們多使用SPS函
利運(yùn)行。及時相關(guān)控制任務(wù),同時也方便操作人員對整線數(shù)和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互包括機(jī)器人各種狀態(tài)監(jiān)控電極
進(jìn)行實時監(jiān)控2,如使用HMI對整線進(jìn)行控制。 DeviceNet壽命狀態(tài)信息的傳遞,這也增加了控制的靈活性。機(jī)器人
是基于CAN技術(shù)用于PLC與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)從站之間一律采用 PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊協(xié)議
 DeviceNet使用的通信模式是:消息產(chǎn)生者(Producer)和進(jìn)行通訊,保障信息可靠性和傳輸穩(wěn)定性增強(qiáng)系統(tǒng)的柔
消息使用者(Consumer) DeviceNet使用的模型更為有性
效,它可使控制數(shù)據(jù)同時到達(dá)控制的每一個單元,可以更
如圖3所示
有效地利用網(wǎng)絡(luò)頻帶寬度。消息產(chǎn)生者一次發(fā)送的數(shù)據(jù)為機(jī)器人子網(wǎng)絡(luò)
可被多個消息使用者使用,從而更有效地傳送數(shù)據(jù); PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)
 DeviceNet上的每一個設(shè)備可以隨時連接或斷開而不會硬件組態(tài)圖,主要
影響其他設(shè)備正常運(yùn)行。真正的開放性使系統(tǒng)擴(kuò)充和改有 BOSCH WELD圖3機(jī)器人子網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)
型非常方便。
 TIMER,用以對
38機(jī)械工程師2011年第1期
制造業(yè)信息化
仿真/建模/CA/CA/CAE/CAPP DMANUF ACTURING INFORIAATIZATION
 OBARA焊槍的焊接電流、焊接壓力等參數(shù)設(shè)定和精確控實現(xiàn):雙側(cè)對射式和單側(cè)
發(fā)射
制,以及對電極壽命的管理; TURCK現(xiàn)場模塊主要負(fù)責(zé)檢測式。這里使用的是單
 TOOL STAND上的工具感知以及 COVER的開合控制側(cè)檢測式,原理如圖5所
機(jī)器人側(cè) TOOL CHANGER上具備IP67防護(hù)等級的示。在應(yīng)用中,如果是被
接收端和控制器
ET200R-H現(xiàn)場模塊,用以與機(jī)器人側(cè) TOOL CHANGER允許的物體通過通道時
上的IO信號的通訊;工具側(cè)ET200R-W現(xiàn)場模塊用以能夠先依次再同時遮住
與工具側(cè) TOOL CHANGER和焊槍上的信號通訊;兩個光柵單側(cè)的圖5 MUTING功能
 SMC VALVE UNIT,用于與抓具上的電磁閥、氣缸上磁性 MUTING傳感器,此時光
構(gòu)成示意圖
開關(guān)信號通訊,機(jī)器人通過 PROFIBUSVAL總線和柵啟用 MUTING功能,物
UNIT通訊并實現(xiàn)對抓具的控制。
體就可以通過該通道。如果是不被允許的物體通過時,會
運(yùn)用機(jī)器人獨立控制單元,可以實現(xiàn)系統(tǒng)控制模塊出現(xiàn)無法依次或同時遮住兩個光電的情況,此時如果物
化?？偩€的應(yīng)用,實現(xiàn)信息可靠性,方便設(shè)計和安裝接體進(jìn)入到光柵保護(hù)區(qū)域,光柵正常工作,產(chǎn)生報警信息,
線。模塊化控制,方便可能的設(shè)備變更和系統(tǒng)擴(kuò)展工作。阻止該物體進(jìn)入。 OMRON的SNC內(nèi)部集成有光柵
33安全控制網(wǎng)絡(luò)
 MUTING功能塊, MUTING傳感器信號通過SNC的標(biāo)準(zhǔn)
 OMRON SAFTY NETWORK CONTROLLER(SNC)輸入端輸入,通過MUTING功能塊處理輸出安全光柵與
內(nèi)置 DeviceNet Safety接口可以實現(xiàn)安全回路上所需功4個 MUTING SENSOR通過組合構(gòu)成具備 MUTING功能
能模塊化、程序化。功能安全方面符合IEC61508SIL3認(rèn)的光柵控制系統(tǒng)。
證,機(jī)器安全方面則符合EN954-14級認(rèn)證。具備安全邏
整個安全系統(tǒng)檢測信息,在SNC內(nèi)部進(jìn)行邏輯處
輯操作,例如與、或等。緊急停止、安全地毯和安全門監(jiān)視理,結(jié)果通過標(biāo)準(zhǔn)輸出端接到終端響應(yīng)設(shè)備,如安全繼電
功能塊亦能支持各種安全應(yīng)用。支持48個本地安全輸器等安全設(shè)備。
入/輸出點(40點輸入和8點輸出),以及8個測試輸出4結(jié)語
NEA-SCPU02可以同時作為安全主站和標(biāo)準(zhǔn)從站以上系統(tǒng)控制方案,得到客戶普遍認(rèn)可,在實際應(yīng)用
作為標(biāo)準(zhǔn)從站(如圖2所示),過程中體現(xiàn)出很多優(yōu)點:(1)利用安全控制回路程序化實
NEIA-SCPU2可以與標(biāo)準(zhǔn)主現(xiàn)了整個系統(tǒng)柔性設(shè)計。實現(xiàn)了符合安全標(biāo)準(zhǔn)安全控制
站(如PLC)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出回路程序化,可以簡單解決工藝和設(shè)計變化所帶來安全
通信;作為安全主站(如圖4所回路變更增加問題(2)可以節(jié)省配線把SNC與安全網(wǎng)
示)能執(zhí)行最多16個連接(16絡(luò)連接實現(xiàn)安全設(shè)備布線網(wǎng)絡(luò)化,控制器布線長度就可
個從站)的安全輸入輸出通信,以大大縮短。以上網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造,可以減少安裝/維修時布線
圖4安全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖每個連接多達(dá)16個字節(jié)。
錯誤,提高變更時工作效率。(3)現(xiàn)有系統(tǒng)中可以進(jìn)行安
整個安全系統(tǒng)同樣分為UB和MB兩塊,由兩組全網(wǎng)絡(luò)追加。安全控制硬件方面與標(biāo)準(zhǔn)控制部分是分離
SNC的CPU進(jìn)行安全邏輯處理,其中UB線CPU擴(kuò)展的,實現(xiàn)模塊化控制方案,具有良好的擴(kuò)展性,便于后期
了一個安全從站DST系列,進(jìn)行信息采集兩組獨立安追加安全設(shè)備。
全CPU作為安全系統(tǒng)主站,同時也充當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)PLC標(biāo)準(zhǔn)
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急停、安全地毯和安全門鎖屬于無源觸點,利用SNC
制]國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)208.115:5
的 Test Output和 Safty Input與之構(gòu)成安全測試回路,對【5]段建中基于工業(yè)機(jī)器人的柔性制造單元的實現(xiàn)寧夏工程
外接觸點進(jìn)行實時狀態(tài)診斷。NEA系列SNC支持雙通
技術(shù),2003,2(4):44-47
道模式,選擇雙通道等值模式,可以監(jiān)控兩輸入狀態(tài)變化6]萬翟,麗麗新型的安全現(xiàn)場總線技術(shù)[]汽車制造業(yè)200
時間差,超出預(yù)設(shè)值,則視為故障?？梢杂行П苊庥捎诎?
(3):48-49
全設(shè)備故障所引起的誤動作。
[7]熊有倫機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M武昌:華中科技大學(xué)出版社,1996
15-50.
(編輯立明)
由于生產(chǎn)現(xiàn)場,特別是在人工工位和機(jī)器人工位之
間的光柵需要具備防止人員穿越的功能,同時又要求能作者簡介:強(qiáng)(1964-)博士學(xué)位,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研
在車身經(jīng)過時,不會對安全系統(tǒng)造成影響。需要構(gòu)建一種
究方向為先進(jìn)制造技術(shù)、智能機(jī)器人系統(tǒng)控制等。
能自動區(qū)分人和車身的檢測系統(tǒng),有兩種簡單方案可以收稿日期:2010-10-14
機(jī)械工程師2011年第1期39

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