雙機器人柔性壓緊控制系統設計

賈 冬

（中國航空制造技術研究院機器人系統集成中心，北京100024）

在飛機機身壁板的蒙皮與長桁T型接頭激光焊接過程中，需要將長桁T型接頭與蒙皮壓緊，使兩者在水平和垂直方向上達到工藝要求。傳統的壓緊方式是使用固定的工裝，如圖1所示。這種壓緊方式雖然可靠，但是每一種工裝僅可以對一種工件的固定。而機身壁板焊接件在研制時，焊接件具有批量小，品種多的特點。使用固定工裝會消耗大量的資金，并且固定卡具的制作加工周期也比較長。

圖1 傳統的壓緊裝置

因此，設計一種柔性的壓緊工裝是十分必要的。文獻[1-4]從理論和設計角度出發，對壓緊工裝進行了研究。

本文首先介紹了由雙庫卡機器人、壓緊末端執行器、外部控制器組成的T型接頭壓緊系統。然后介紹了壓級系統控制系統的設計。然后對機器人和外部控制器進行通信配置，設計了機器人控制系統與外部控制器的通信協議，并設計了機器人和外部控制器的通信程序。最后，通過實驗，驗證了機器人離線編程數據傳輸可靠性；在雙機器人程序同步運行的情況下，實現了對T型長桁模擬件的壓緊和夾緊功能。

1 雙機器人壓緊系統設計

雙機器人壓緊系統由兩臺庫卡機器人KR360 R2830，壓緊末端執行器，集成控制臺組成。壓緊末端執行器包括雙夾緊裝置，雙壓緊裝置組成。每個夾緊裝置由兩對四個導向輪、以及相對應的驅動氣缸組成。夾緊裝置保證T型長桁在水平方向上與保持焊接時所需要的姿態。壓緊裝置由兩個壓緊導向輪以及相對應的驅動氣缸組成，壓緊裝置是T型長桁在垂直方向上保證焊接要求的姿態。壓緊末端執行器如圖2所示。

圖2 機器人壓緊末端執行器置

1.1 機器人壓緊控制系統設計

機器人壓緊控制系統由集成控制臺內的工控機、機器人控制柜以及機器人控制柜內的IO模塊組成。機器人控制系統為KRC4，機器人控制柜內的X44擴展接口通過EtherCAT總線耦合器EK1100連接。EK1100后面安裝EL6695模塊和IO數字量模塊。EL6695模塊是機器人與外部控制系統TwinCAT3數據交換的橋接模塊，數字量IO模塊用于實現壓縮空氣氣壓監測，以及壓緊末端執行器的壓級、夾緊控制。

1.2 KRC4與TwinCAT3的通信配置

機器人控制系統KRC4與TwinCAT3通過EL6695來實現數據交換，數據交換的類型只能是整數型。由于機器人的工作半徑是2 832 mm，坐標值精度為小數點后兩位，因此，交換數據的長度定位為32位。在庫卡機器人項目配置軟件WorkVisual中，配置EL6695模塊的輸入/輸出變量為32個DWORD型數據。

TwinCAT3向機器人控制系統KRC4發送的內容包括：離線編程生成的機器人工具坐標軌跡、雙機器人系統控制同步信號，以及庫卡機器人外部運行所需要的控制信號等。

機器人控制系統KRC4向TwinCAT3發送的內容包括：機器人接受數據的控制信號，機器人接收離線編程數據定位，雙機器人控制系統的同步控制信號等。

1.3 機器人與TwinCAT3數據通信設計

機器人控制器指令執行是逐步執行，而Twin－CAT3系統中語句指令是逐行掃描，周期性刷新，兩者的指令執行周期沒有固定的關系。兩個控制器通信方式設計為：機器人控制系統請求數據通信，TwinCAT3響應。以TwinCAT3向機器人控制系統發送離線編程數據為例，流程圖如圖3所示。

圖3 離線編程數據傳輸

本文應用兩個機器人與TwinCAT3系統通信，實現了兩個機器人之間的程序的同步控制，其原理是每個機器人運行每一步程序前，都向TwinCAT3系統發送程序運行到達的信號，當TwinCAT3系統根據兩個機器人程序信號，發送下一步程序開始的控制信號，當機器人末端執行器由初始點運行至壓緊工件位時，機器人發送壓緊控制信號給TwinCAT3控制系統，其控制流程如圖4所示。

圖4 雙機器人同步控制

1.4 程序設計

雙機器人壓緊控制系統的程序設計包括Twin－CAT3程序、以及機器人程序三部分。

TwinCAT3程序設計主要實現機器人末端執行器動作邏輯運算、向機器人控制系統傳輸離線編程數據，控制兩個機器人程序同步運行。關鍵程序代碼如下所示：

varRobotcounter：=getcounter（varRobotRequest）；//獲取機器人傳輸的第幾個點

IF varRobotcounter>0 THEN

robotReq： =getFlagStatus （varRobotRequest，robotReqFlag）；

IF robotReq THEN

posCounter：=varRobotcounter；

varOUTX：=robotXPos[posCounter]；

varOUTY：=robotXPos[posCounter]；

varOUTZ：=robotXPos[posCounter]；

varOUTA：=robotXPos[posCounter]；

varOUTB：=robotXPos[posCounter]；

varOUTC：=robotXPos[posCounter]；

varRobotAck：=1；//傳輸完成

End_if

Robot1Start：=SetRobot1Start（robot1PrjEnd）；

//機器人1程序第N條語句執行完畢

Robot2Start：=SetRobot1Start（robot2PrjEnd）；

//機器人2程序第N條語句執行完畢

If Robot1Start=Robot2Start then

Robot1Start：=setRobotPrgStart（robot1Start）；

//機器人1程序第N+1條語句執行

Robot2Start：=setRobotPrgStart（robot2Start）；

//機器人2程序第N+1條語句執行

機器人程序主要實現壓緊末端執行器運行軌跡的。機器人的程序如下所示，機器人首先由執行PTP P18指令，使機器人待機位置，然后與TwinCAT3進行數據通信，獲取離線編程坐標點，其中，變量varinx，variny，varinz，varina，varinb，varinc，分別是各個點與P18點的差值。因為傳輸數據的格式只能是整數形式，所以需要將數據處理，乘以0.01.機器人程序獲取離線編程數據后，通過wait for等待Twin－CAT 3發送的第一條同步執行語句，執行第一步語句后，兩個機器人分別發送S1End信號給TwinCAT3，然后等待第二條語句開始信號。如此便實現了兩臺機器人語句同步執行。程序代碼如下：

PTP XP18；機器人運行至初始位置

for counter=1 to 10；以傳輸10個離線編程點為例

varInputReq=TRUE；機器人向請求數據輸入

varInputReqCounter=counter；機器人發送傳輸第幾個點

varInputFinished=FALSE；

WAIT for varExternInput；等待 TwinCAT3 數據傳輸完成

robotPos[counter]=$POS_ACT；保存機器人HOME點S，T變量信息

robotPos[counter].x=robotPos[counter].x+varinx*0.01；保存離線編程點X

robotPos[counter].y=robotPos[counter].y+variny*0.01；保存離線編程點Y

robotPos[counter].z=robotPos[counter].z+varinz*0.01；保存離線編程點Z

robotPos[counter].a=robotPos[counter].a+varina*0.01；保存離線編程點A

robotPos[counter].b=robotPos[counter].b+varinb*0.01；保存離線編程點B

robotPos[counter].c=robotPos[counter].c+varinc*0.01；保存離線編程點C

varInputReq=FALSE；接受離線編程數據完畢后，請求輸入復位

varInputFinished=TRUE；接受數據標志完成位置位

ENDFOR

varInputReqCounter=0；數據傳輸完畢

lin robotpos[1]；

s1End=TRUE

wait for s1Start

lin robotpos[2]

s2End=true

2 實驗驗證

2.1 離線編程數據傳輸驗證

在 TwinCAT3 的 robotXpos，robotYpos，robotZpos，robotApos，robotBpos，robotCpos的數組分別讀入數值為{100，200，300，400，500，600，700，800，900}，然后運行選擇機器人程序，程序運行第一條同步程序后，在機器人示教器上查看機器人程序變量，分別輸入變量名為robotPos[1..10]，顯示結果如表1所示。機器人坐標顯示值分別為：

robotPos [1]={1446.20，- 4208.69，2193.54 ，178.93，45.09，-179.94}

robotPos[2]={1447.20，-4207.69，2194.54 ，179.93，46.09，-178.94}

robotPos[3]={1448.20，-4206.69，2195.54 ，180.93，47.09，-177.94}

……

robotPos[1]={1455.20，-4199.69，2202.54 ，187.93，54.09，-170.94}

通過以上數據可以看出可以看出，機器人程序中robotPos[1]—robotPos[10]，相鄰的兩個坐標產在X，Y，Z，A，B，C 差值為 1，即 100*0.01，與傳輸值完全一致。

2.2 雙機器人同步控制

選擇機器人程序，雙機器人實現了程序同步運行。采用這種機器人同步的方式，有一個特點是當機器人連續執行兩條lin指令，機器人自動會做軌跡逼近，如果機器人執行的兩個lin指令中間有IO操作的指令，機器人控制器會中斷兩個lin指令的逼近。這樣會使機器人精確定位到該點，但是也會降低機器人運行效率。

2.3 壓緊夾緊驗證

在兩個機器人示教器上分別選擇程序，并運行至BCO，然后在集成操作臺操作界面上選擇離線編程數據傳輸，并啟動機器人同步控制，機器人帶動壓緊末端執行器運行至離線編程的第一個點，機器人控制器輸出數字量DO控制信號，控制夾緊驅動氣缸和壓緊驅動氣缸運動，對T型長桁進行壓緊和夾緊。然后雙機器人同步執行指令運行至程序結束，如圖5所示。

圖5 壓緊末端執行器實驗驗證

3 結論

（1）利用機器人與集成控制臺TwinCAT3控制系統的通信協議，可以使不同程序運行周期、不同運行機制的庫卡機器人控制系統和TwinCAT3系統實現數據的傳輸、雙機器人程序同步執行。利用這種通信協議，也可以實現對機器人的軌跡校正，用于焊接機器人的焊縫跟蹤、搬運機器人的定位校正等。

（2）利用“發送—等待信號”機制，可以實現雙機器人程序的同步控制，并且這種機制會使機器人精確運行至離線編程輸出的目標點，但是使機器人控制系統取消了兩條語句之間的程序逼近算法，會降低機器人運行效率。

（3）通過機器人運行程序，運用實驗驗證了控制系統實現雙壓級機器人系統導入離線編程數據、控制機器人同步運行，對T型長桁進行壓級和夾緊，實現了機器人柔性壓緊工裝的功能，從而縮短了小批量焊件的生產周期。