电气控制中工业机器人技术的应用研究

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　　摘 要 冲压生产作为当代机械制造与加工过程中的一种重要的产品成型技术，工业机器人技术的发展一定程度上推动了各个行业的全面发展。在电气控制中应用工业机器人技术，不仅可以提升电气系统的智能性，还能为电气自动化控制提供安全保障。基于此，笔者结合自身工作实践，以某车身覆盖件自动冲压生产线为工程背景，对该生产线电气控制中工业机器人技术的应用进行分析。
　　关键词 电气控制;工业机器人自动冲压线;电控系统
　　1 工业机器人结构分析
　　在生产线设计中，工业机器人是电气控制系统的核心技术之一，按功能其由机械手总成、控制器以及示教器三部分构成，其中机械手是机器人的主体部分，机械手总成是由驱动器、传动机构、机械手机构及末端执行器等构成。控制器主要负责机器人的电气控制，作为该机器人控制核心，主要由计算机硬件、软件和一些特制电路组成。示教器是一种人机交互界面，实现操作人员与机器人交互的桥梁，主要由显示器和触摸屏等构成，用于机器人的动作控制，并将信息全部载入内存中[1]。
　　2 机器人自动冲压系统总体布局设计
　　根据车身覆盖件自动冲压成型工艺流程，合理对自动冲压线上的压机、工业机器人及拆垛系统等单元模块进行选型，并设计出符合生产任务的冲压节拍冲压电气控制系统。
　　2.1 机器人自动冲压线总体设计
　　冲压生产在配合模具的基础上，是利用冲压相关的电气设备对板件的冲压加工，具有生产效率高、柔性高等加工特点。本生产线主要由压机、工业机器人、拆垛系统、端拾器和真空装置等电气设备组成，根据车身覆盖件生产工艺流程，该机器人自动冲压线总体设计由7个IRB6660 130/3.1的工业机器人、5台压机（用1台1800T 带数控气垫单动压机、 4台800T双点闭式压力机）组成。
　　2.2 车身覆盖件工作流程
　　首先，操作工人将板件放入线首处的小车内，由线首机器人抓取工件， 进行双料检测通过后，进入涂油清洗机进行板件的涂油清洗，使得板料的柔韧性增加，完成后进行对中对中处理;然后2 号机器人抓取对中完成的板件进行上料，送入工作台执行各个工序，工件在压机之间传递，板料的运输由 3 至 6 号机器人完成，完成加工的板料由线末机器人拾出下料;最后由现场操作人员取下加工完成的板料并堆垛，至此，单一板料的冲压生产已完成，生产不同的车身板料仅需要更换相应模具即可。
　　3 机器人自动冲压线系统控制方案设计
　　3.1 双层控制系统方案
　　根据以上对系统的总体布局和工作流程的介绍，进而设计适合本系统的控制系统，经过多方案比较分析，笔者决定选用双层网络控制系统，将1#～5#压机PLC、人机界面等从总线系统中独立开来，数据通信通过使用DP-DP耦合器将压机与自动线主站完成，另外通过 以太网，实现监控层和设备层两层的控制，人机交互界面直接和各从站进行通讯，计算机也可以实现对生产线任意节点全面监控，该方案从整体上看，通过分层控制，不但可以设置不同的通信速率，另外一旦一侧网段出问题，另一侧网段仍可正常运作，整体提高系统控制可靠性和柔性化、也方便现场维护。
　　3.2 安全防护系统方案
　　安全防护系统能够有效保证现场人员和电气设备的安全，是除控制系统以外最核心的部分。本文的安全防护系统方案在硬件设计上，将自动线上如急停、安全门等电气设备的 I/O 模块通过安全总线直接与安全 PLC 相连;软件方面，通过 Win-Pro 软件分别对故障安全部分及标准部分完成程序设计，实现对安全回路的控制。
　　3.3 机器人电控系统硬件设计
　　在综合考虑控制器可靠性及其配件功能等因素后，本设计用西门子的S7-400作为主控制器，同时考虑到主要为生产线PLC供电，电源模块选型S7-400标准模块PS-407 4A;以太网模块选择CP443标准模块，用于生产线PLC主站与从站间通过现场总线进行數据通信。
　　下面以线首主控制柜为例对机器人自动冲压线控制系统的电气回路的设计进行分析说明。该控制柜主要实现对主线PLC 与从站PLC、安全PLC的通信。
　　本文线首主控制柜电路设计主要有：生产线动力配电、照明插座系统配电、 线首PLC配置、以太网交换机配置、Pilz安全PLC从站配置等。①生产线动力配电主要包括380V总电源接线、控制柜接地连接、24V直流电源接线、监视器配电、UPS配电、控制箱配电等等。②照明、插座系统配电主要为自动冲压生产线线首主控制柜的照明系统及插座提供电源，其中左边为控制柜照明系统供电，右边为控制柜内插座;③线首主控制柜的PLC配置，主要用于自动冲压线主线控制，包含工控机接线、PLC接线以及以太网交换机接线等。安全PLC配置主要为PSS控制器及Universal从站进行配置，其中PSS控制器与PLC从站通过ProfiBus总线相连，与Universal从站模块通过SafetyBus 总线相连。
　　3.4 机器人控制系统软件设计
　　该机器人控制软件部分采用西门子配套编程软件Step7作为开发环境，主要要实现如下几个功能：
　　（1）实现现场电气设备的组态，分配模块地址、设置相关参数;
　　（2）对通信模块进行硬件组态，定义其协议特质;
　　（3）运行维护、文档整理、故障诊断、性能测试。 ①电子设备数据库文件更新。在现场总线中，为达即插即用的要求，通常使用电子设备数据库文件来进行描述，通过配置电子设备数据库文件，配合使用组态软件，将不同的电气设备集合到同一系统中，同时，针对标准库中不含的设备，也可以人为添加相关的配置文件。②工作站地址分配。为实现各从站设备通过总线与生产线PLC主站的通信，先要分配自动冲压系统各工作站的地址。本文以1#～5#压机、1#～7#机器人等电气设备为例，其中压机部分为降低总线负荷采用DP耦合器与主站进行通信，机器人则采用DSQC667模块与 PLC通信。
　　4 结束语
　　本文设计的车身覆盖件冲压生产线电气控制系统，其目的都在于提升现场生产线的运作效率以及降低生产成本。由于本人水平有限，自动冲压系统结构复杂，如何进行合理的电气系统设置，来实现最优运动控制是今日需要进一步研究的问题。
　　参考文献
　　[1] 孙树栋.工业机器人技术基础[M].西安：西北工业大学出版社，2006：1-6.
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