实现高效生产的工业机器人

作者：奇瑞汽车股份有限公司 江涛

欢迎访问e展厅 展厅 1 工业机器人展厅 大负载机器人, 直角坐标机器人, 机械手, ... 在汽车及零部件制造业，使用工业机器人可以降低废品率和产品成本，提高设备利用率，降低工人误操作带来的残次零件风险等，收益明显。机器人具有执行高危任务的能力，平均故障间隔期达60 000 h以上，比传统的自动化工艺更先进。 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器及人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）及计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。 在奇瑞公司生产现场，使用有焊接机器人、喷涂机器人、搬运机器人和装配机器人，数量较多的为FANUC、KUKA及COMAU等品牌机器人。下面以焊接机器人为例，谈谈其在奇瑞轿车生产线上的使用情况。 FANUC机器人在焊接线中的应用 FANUC工业机器人主要用于奇瑞轿车的A系列平台车型的焊接中，其技术特点主要包括： 在机械本体方面，采用关节型6自由度串联结构，在1、2和3关节处为电动机+RV减速器驱动，电动机功率相同；4、5和6关节电动机功率相同且相邻呈L形放置。4轴传动链为电动机+长传输轴+直齿轮+RV减速器；5轴传动链为电动机+长传输轴+直齿轮+传输轴+锥齿轮+RV减速器；6轴传动链为电动机+长传输轴+直齿轮+传输轴+锥齿轮+直齿轮+锥齿轮+RV减速器。除5轴为减小体积RV减速器为特殊定做外，其他轴RV为标准系列；机器人2轴带有双弹簧平衡缸；主体采用条幅式铸件（结构简单、减轻重量）。 在电控系统方面，FANUC控制系统采用典型的主从二级控制结构，上位机包括主板、CPU及FROM/SRAM组件，负责控制器内部及外围设备的信号处理、交换。下位机——伺服卡与伺服放大器不仅提供伺服电动机的驱动、抱闸信号，并且与绝对值编码器实现实时数据装换，与主控单元采用光纤传输数据，进行实时信号循环反馈。该机器人伺服放大器集中了6个轴的电动机于一块电路板上，造成一个放大器损坏需更换整个电路板的局面。FANUC机器人只有一个电源输送单元供给控制箱内各板卡，安全保护回路由变压器直接向急停单元供电，并接入内部各控制板卡形成保护回路，对整个系统进行电路保护。 FANUC工业机器人系统人机交互采用示教盒实现，软件采用基于LINUX的操作系统设计，代码完全公开，只需嵌入式专家对其内核进行适量裁减，就可以获得所需的功能系统，然后用LINUX结构式语言编写所需的应用程序一起移植于嵌入式芯片中，因此其应用程序图形化功能弱，界面不友好，操作人员不易掌握，且对其进行开发和升级困难。操作方面，在用FANUC示教盒操作时需要同时按住“DEADMAN”开关和“SHIFT”键以后，再点击各个功能键操作。对于程序编写可以在示教盒上直接编写，也可以在其他计算机上编写后通过CF卡接口读入。 KUKA机器人在焊接线中的应用 KUKA机器人主要用于奇瑞轿车B、T和S系列平台车型的焊接，其技术特点主要包括： 在机械本体方面，采用关节型6自由度串联结构，在1、2和3关节处为电动机+RV减速器驱动，电动机功率相同；4、5、6关节电动机功率相同且相邻呈L形放置。4轴传动链为电动机+长传输轴+直齿轮+RV减速器；5轴传动链为电动机+长传输轴+带传动+传输轴+带传动+RV减速器；6轴传动链为电动机+长传输轴+带传动+传输轴+带传动+锥齿轮+减速器；5轴和6轴传链中有带传动，且6轴未采用RV减速器，其他轴RV为标准系列。机器人2轴带有双弹簧平衡缸，主体采用封闭式铸件。 在电气系统方面，KUKA控制系统采用的是分布式控制结构，工控机是整个控制系统的中枢部分，负责与主电源、安全回路、RDC及外围设备进行信号处理、交换，除标准配置外，还包括MFC卡（控制安全回路，非可屏蔽性中断）和DSE-IBS卡（与RDC串口通信，输出到KSD，实现三环控制）。KUKA伺服驱动器（KSD）与工控机间采用INTERBUS总线方式通信，标配为6个分散独立的驱动器实时控制6轴运动，柜内最多可扩展到8轴。KUKA ESC安全系统由主电源直接向ESC卡提供27 V直流电，并与工控机、示教器及外围设备连接，对整个系统进行电路保护。KUKA主电源向各伺服驱动器提供600 V电压，辅助电源向工控机、安全模块、伺服驱动器、电动机制动及电池等模块提供27 V直流电。 在人机交互方面KUKA机器人系统的人机交互除示教盒外，还可以外接显示器和键盘、鼠标等成为PC机。示教盒设外观设计采用了近似于掌上PC的结构，其软件系统为KUKA与微软公司合作开发的VX-Win操作系统，是将Windows与VxWorks结合开发的专用收费软件，类似于Windows，支持VC面向对象软件编写应用程序，界面友好、易掌握，开发和升级相对容易，使用成本高。 COMAU机器人在焊接线中的应用 COMAU工业机器人主要用在奇瑞轿车的M、S系列平台车型的焊接，其技术特点如下： 在机械本体方面，采用关节型6自由度串联结构，1轴电动机和底座固定在一起，通过减速机和齿轮传动带动，2、3轴为电动机+RV减速器驱动，1、2、3轴电动机功率相同；4、5、6关节电动机功率相同且相邻呈品字形放置。4轴传动链为电动机+长传输轴+直齿轮+RV减速器；5轴传动链为电动机+长传输轴+直齿轮+传输轴+锥齿轮+RV减速器；6轴传动链为电动机+长传输轴+直齿轮+传输轴+锥齿轮+直齿轮+锥齿轮+RV减速器。机器人2轴带有双弹簧平衡缸。大臂采用槽形钢加劲板结构的铸造形式，且小臂是焊接件。 在电气系统方面，COMAU工业机器人控制系统采用分布式控制结构，其RPU过程处理系统是整个系统的主控制模块，包括系统主处理器、运动协处理器，以主从控制的方式进行工作处理，完成I/O和现场总线管理、运动控制和机器人程序执行。COMAU DSA数字伺服放大器通过机器人接口模块反馈编码器信号，与运动协处理器间通过Internet进行通信，提供伺服电动机的驱动电源和抱闸电源，控制机器人运动。COMAU RSM安全保护系统与过程处理系统、系统通信模块及外围设备等单元进行安全信号通信，实现整个系统的安全保护。COMAU DPP电源分配系统向辅助电源和数字伺服放大器提供主动力电源。APS辅助电源向数字伺服放大器、过程处理系统及系统通信模块等单元提供24 V直流电源，并通过系统通信模块向安全模块提供24 V直流电源。 在人机交互方面，COMAU使用与KUKA相同的操作系统，示教盒外观设计类似FANUC机器人，但操作更舒适，采用图形化操作界面，易掌握。在操作上COMAU机器人“DEADMAN”附有二级开关，一般人按到一级开关便可以示教，按到二级开关是对机器人外部设备安装的检测，如果已安装后按到二级开关就会出现报警现象。该系统可以外接显示器和键盘、鼠标构成一台PC机，可以在上面进行编程、调试和设置等工作。 实际应用中存在的问题 在实际生产中，工业机器人焊接故障出现的比例最高，导致此故障的种类很多，软件上包括控制程序指令丢失、失效，硬件上包括编码器位置反馈错误、焊钳故障及伺服电动机故障等。以FANUC为例，这类故障约占82%。伺服故障偶尔发生，大部分原因是转矩超高报警，约占5%。总线网络故障，包括网络组线程序出错，PLC发生内部故障以及PROFIBUS总线出错等，约8%左右。工业机器人无作业由于内部运动函数插补失败，控制程序失效，外部信号丢失没有发给机器人控制程序等，约5%。 这些问题会对生产造成影响，严重时可能会延误生产，造成重大损失。它们的发现和排除，有的需要厂家专业人员，有的需要从国外进口配件，有的需要大量库存。 针对以上问题，作为设备维护人员也要充分发挥自己的能动性，做大量的改善工作。在减少焊接故障方面，维护人员对电缆、管路等加装保护装置；在信号干扰方面，对干扰源进行排查、进行隔离，同时，对线缆布线进行整改，故障率可大大降低。 结语 随着我国从制造大国向制造强国迈进，制造业，特别是汽车行业的竞争将愈来愈激烈，提高产品质量和劳动生产率将是企业在激烈竞争中获胜的关键因素之一。大量使用性价比高的工业机器人，在提高产品质量和劳动生产率的同时可减少人力，降低生产成本，将是我国制造行业发展的必然趋势。(end)

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