Kawasaki CX210L工業機器人在格法玻璃下片系統中的應用

劉鵬飛，朱 隆

(中建材凱盛機器人(上海)有限公司,上海 201601)

隨著社會的不斷進步，玻璃行業的發展與國民經濟的許多行業都存在著聯系，玻璃行業對推動整個國民經濟的發展都起著積極作用。在新的社會形勢下，玻璃工業必須按照科學發展觀的要求，轉變增長方式，有效調整產業結構，才能促進行業健康發展。與當今世界玻璃工業占統治地位的浮法工藝相比，格法玻璃普遍品質不夠好，有氣泡、夾雜物、線道、表面不光滑、不均勻、易碎、機器人抓取難度大等缺陷，其中機器人抓放難度加大也是工業機器人在格法玻璃中推廣不易的原因。中建材凱盛機器人(上海)有限公司新建材事業部利用分級堆垛機器人、加工上下片機器人，在光伏玻璃加工連線和浮法玻璃自動化生產系統中不斷創新與發展工業機器人。

1 Kawasaki CX210L工業機器人工作的特點

工業機器人是一種通用的、可編程的、并具有某些人類特征的機械裝置。工業機器人最明顯的類人特征就是能夠執行各種工業任務的機械手臂。其他的類人特征包括對傳感器輸入的反應、與其他機器的通信以及決策能力等。這些能力使得機器人能夠完成很多有用的任務。機器人技術的發展在數字控制技術發展之后，而且這兩項技術相當相似，它們都涉及多軸協調控制(機器人學中的軸稱為關節)，且都是用專用數字計算機作為控制器。然而，設計數控機床是為了完成特定的加工工藝，例如加工、鈑金沖孔和熱切削等，而機器人則是為執行更廣泛的任務而設計的。工業機器人的典型生產應用包括點焊、物料搬運、工件裝卸、噴涂和裝配等[1]。

工業機器人具有商業和技術上的重要性，其原因包括[1]：1)機器人能夠在危險或不舒適的工作環境中取代人。2)機器人完成工作循環的一致性和重復精度是人類無法達到的。3)機器人可以被編程。當前生產任務完成之后，機器人可以重新編程并安裝上所需的工具來執行完成不同的任務。4)機器人是由計算機控制的，因此可以與其它計算機系統相連來實現計算機集成制造。

Kawasaki CX210L工業機器人采用六軸垂直多關節型結構的機器人，此類機器人又稱回轉坐標系工業機器人，這種工業機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關節是回轉副，其結構最緊湊，靈活性大，占地面積小，能與其他工業機器人協調工作，負載高的同時精度也很高，應用相當廣泛。這種機器人常用于弧焊、搬運、噴漆等工作。由于采用了準確的控制算法以及高精度的檢測元件，大幅度提高了高速動作時的軌跡精度。公司經過多年將機器人應用于玻璃產業的技術研究，使得分級堆垛、加工上下片、光伏玻璃加工連線和浮法玻璃自動化生產系統中作業質量得到了極大提高。

2 格法生產線自動堆垛系統

2.1 設計原則

首先介紹一下工藝流程：玻璃進入設備區域后，先在加速輥道進行加速，拉開間距為立交移載做準備，玻璃在立交處頂起，并通過同步帶輥道逐步向外移載，立交輥道同步帶出口處接一段掰斷輥道，對玻璃進行縱掰，由于立交節拍的限制，1線共需要三段掰斷輥道，3線需兩段掰斷輥道以匹配節拍。1線縱掰后的玻璃依次進入大立交輥道，兩片為一組進行傳送，3線縱掰后玻璃為一次一片傳送，工作人員在過橋塌梯處對玻璃進行檢驗，通過按鈕的方式對玻璃進行分等，不合格的玻璃不鋪紙直接進入輥道末端的廢料斗，合格的玻璃經過在線鋪紙機，在線鋪紙機對其鋪紙，下片機器人根據人工提供的玻璃分等信息對玻璃進行下片,機器人下片為平拿立放，當一垛玻璃滿架時由叉車或者行吊吊走，運送到相應位置進行包裝。其中一條下片系統，共計：4套機器人下片系統(只有平臺)，機器人自動堆垛系統流程如圖1所示。輔助裝置包括2套在線鋪紙機系統，2套掰斷裝置，10余段輥道及裝置。我們的設計原則主要是機器人配以相應的周邊設備，用于完成特定工序作業的獨立生產系統。一是提高產品的質量，確保玻璃的潔凈、無擦傷碼垛；二是滿足作業的精度要求和產品質量等級分類要求；三是必須滿足生產節拍要求，通過路徑優化，抓放板周期小于10 s；四是整體及各組成部分必須全部滿足安全規范及標準，各設備及控制系統具有在人機界面觸摸屏上在線故障顯示及報警裝置；五是便于維修維護；六是操作系統簡單明了，便于操作和人工干預，人-機交互功能。

Kawasaki CX210L機器人的主要功能包括：一是它能實現對工業機器人的位置、速度、加速度等控制功能，對于連續軌跡運動具有軌跡的規劃與控制功能；二是人機界面，操作人員采用直接指令代碼對其進行作用指示。使用工業機器人具有作業知識的記憶、修正和工作程序的跳轉功能；三是具有對外部環境的檢測和感覺功能。為使工業機器人具有對外部狀態變化的適應能力，Kawasaki CX210L機器人能應對諸如視覺、力覺、觸覺等相關信息并進行測量、識別、判斷、理解等功能。在自動化生產線中，具有與其他設備交換信息、協調工作的能力等。

2.2 系統控制方式

每臺機器人的工作方式和工作狀態由上位機(線控柜)遠程發送信號，啟動并完成作業，圖2為控制系統結構關系示意圖。

2.3 機器人抓取算法

機器人編程語言是方法、算法和編程技巧的結合，由于機器人的類型、作業要求、控制裝置、傳感信息種類等多種多樣，所以編程語言也是各種各樣，功能、風格差別都很大。目前流行有多種機器人編程語言，如果按照編程功能，可將之分為如下幾個不同的級別[2]。

2.3.1 面向點位控制的編程語言

這種語言要求用戶采用示教盒上的操作按鈕或移動示教操作桿引導機器人做一系列的運動，然后將這些運動轉變成機器人的控制指令。

2.3.2 面向運動的編程語言

這種語言以描述機器人執行機構的動作為中心。編程人員使用編程語言來描述操作機所要完成的各種動作序列，數據是末端執行器在基座坐標系(或絕對坐標系)中位置和姿態的坐標序列。語言的核心部分是描述手部的各種運動語句，語言的指令由系統軟件解釋執行，如VAL、EMUY、RCL語言等。

2.3.3 結構化編程語言

這種語言是在PASCAL語言基礎上發展起來的，具有較好的模塊化結構。它由編譯程序和運行時間系統組成。編譯程序對原碼進行掃描分析和校驗，生成可執行的動作碼，將動作碼和有關控制數據送到運行時間系統進行軌跡插補及伺服控制，以實現對機器人的動作控制，如AL、MCL、MAPL語言等。

2.3.4 面向任務的編程語言

這類語言是以描述作業對象的狀態變化為核心，編程人員通過工件(作業對象)的位置、姿態和運動來描述機器人的任務。編程時只需規定出相應的任務，如用表達式來描述工件的位置和姿態，工件所承受的力、力矩等，由編輯系統根據有關機器人環境及其任務的描述，做出相應的動作規則，如根據工件幾何形狀確定抓取的位置和姿態、回避障礙等，然后控制機器人完成相應的動作。

此次格法實踐工作中，我們依靠機器人強大而準確的控制算法，通過靈活而科學的算法得以實現。通過大量的數據顯示，在滿足客戶節拍要求的基礎上，飛抓時機以及抓取后沿著設定路徑走到放板木箱離得精度保持在0.5～1 mm，極大地降低了客戶要求的2～3 mm任務，以此也證明了經過多次測試改進后所做玻璃位置算法、抓取以及放置程序的精確性和可靠性。對于機器人抓取物體的準確預判，關系到機器人堆垛的精確性和機器人工作的高效性以及穩定性，Kawasaki CX210L工業機器人滿足我們的控制要求。

2.4 Kawasaki CX210L機器人與系統通訊過程

現場總線[3]系統打破了傳統控制系統的結構形式。傳統的控制系統采用一對一的設備連線，按分控制或回路進行連接；位于現場的控制和檢測設備與位于控制室的主控制器之間采用一對一的物理連接。現場總線系統由于采用了智能的具有現場通信接口的數字現場設備，能夠把原先如plc系統中處于控制室的控制模塊、輸入輸出模塊等放置在現場，加上現場設備具有通信能力，現場的控制、測量設備可以與電動機、閥門等執行機構直接傳送信號，因而控制系統功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現場完成，實現了徹底的分散控制。

PROFInet[3]將工廠自動化和企業信息管理層IT有機地融為了一體，同時又完全保留了profibus現有的開放性。該總線支持開放的、面向對象的通信，這種通信建立在通用的Ethernet TCP/IP基礎上，優化的通信機制還可以滿足實時通信的要求。

Kawasaki CX210L工業機器人控制器適用于Ethernt、device-net、interbus-s、profibus、profinet等標準現場網絡，可以很容易地完成與可編程控制器等設備的通訊連接。此次格法平拉項目就是采用profinet通訊方式，滿足了自動化實時性的需求，確保了數據通訊實時穩定與安全，由于整個項目網絡覆蓋面積大，profinet為整個項目帶來了全方位的組網優勢，可以更好地適應系統現場的要求，更重要的是profinet全面兼容TCP/IP標準，很容易實現各種信息技術，為機器人強大的功能以及信號的接收輸送提供了保障，也為整個系統完好實現創造了優越的條件。

2.5 Kawasaki CX210L機器人碰撞功能檢測

碰撞檢測功能使機器人剛碰到周圍物體后就停下來，這樣可以減少碰撞過程中的損失。由于此次項目的堆垛框架是木箱，我們將抓手上分布的三個碰撞信號進行了硬接點創新，是考慮到碰撞光電“通訊延遲的問題”，一方面提高精度，避免偶然的碰撞損失，另一方面是對客戶負責任的態度，我們設定專用“手臂ID板信號板卡”輸入輸出信號，直接將碰撞信號輸入輸出與機器人控制器精準連接。經過這次改造，不僅為我們這套系統增添了不少亮點，也得到了客戶的高度贊賞。

2.6 首次實現“全木箱”精準堆垛任務

對于工業機器人進行抓取堆垛技術，公司經過多年的技術以及經驗積累，玻璃堆垛精度是衡量整個項目的最高要求以及成果，在國內外的浮法項目現場中幾乎都得到了客戶的高度認可，但是這些幾乎都是基于托盤平放、轉臺后背立放的模式。此次項目的堆放要求極高，客戶的木箱尺寸為“長×寬×高=1 060×900×1 200 mm”，一個立體的木箱僅僅只拆除前面和上面，并且整個木箱內控只比放置玻璃寬度多10 mm，此外木箱是廠內木匠現場制作，極為不標準，木箱兩側木板也加大了堆垛的難度，而且抓手需要攜帶玻璃在滿足線上節拍的情況下以高于1 000 mm/s的速度深入“探索”900 mm，對抓手造成了潛在的碰撞風險，此次項目改變了近些年傳統的堆放模式，需要對Kawasaki CX210L機器人的tool坐標以及繞各軸的角度進行全方位考慮，在人機界面觸摸屏上用一系列的參數來調整和在機器人程序中做大量限制以及報警，這樣才能避免由于木箱各種不利因素對機器人抓手造成損壞。經過了前期一個月的模擬仿真、調試以及總結，克服重重困難，機器人實現正常的裝箱堆垛，到如今連續兩個月的平穩高效地生產，玻璃堆垛精度和生產效率也可與傳統堆垛相媲美。經過兩個月的連續生產堆垛數據以及精度證明，Kawasaki CX210L機器人在格法下片裝箱堆垛系統中的應用是成功的。

3 結 語

近40年來，機器人制造業與機器人學的研究一直是國際、國內極為重視的高科技領域之一，得到了極其迅速的發展。當前，機器人的應用范圍已擴大到人類生產和生活的各個方面，極大地影響和促進了工業、國防和科技事業的發展。在早期的機器人研究中，與機器人的機械結構相比，其控制用計算機的價格高且運算能力有限，故只能采用極簡單的控制方案，難滿足高速、高精度機器人性能要求。自20世紀70年代以來，隨著電子技術與計算機科學的發展，計算機運算能力大大提高而成本不斷下降，這就使得人們越來越重視發展各種考慮機器人動力學模型的計算機實時控制方案，使機器人充分發揮出完成復雜任務的能力[4]。實踐證明，Kawasaki CX210L工業機器人能很好地完成格法玻璃生產線上自動堆垛的作業任務，大大改善了產品質量，避免了玻璃在人工堆垛過程中的擦傷及表面污漬導致的產品報廢，為高質量玻璃生產線提供了可靠的質量保證，同時也提高了格法玻璃作業的效率和生產效益。