機器人三維激光切割的控制系統設計

陳 明，徐學鵬，王 芝

（1.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 揚州225200；2.史陶比爾精密機械電子有限公司，浙江 杭州310016）

我國對二維激光切割技術研究較早，但由于種種原因，三維切割技術無論理論研究還是實際應用都遠落后于發達國家。在三維切割領域中可以使用三維五軸和機器人兩種加工方式，相比于五軸機床,機器人配合變位機和水平移動軸或旋轉軸[1]，成本在三維五軸的一半以下，能夠保證精度滿足絕大部分輪廓件和管件的要求，占地面積小，加工范圍和姿態更加靈活等優勢。進行三維切割可選用的機器人可以為KUKA、ABB、FANUC 等知名品牌，也可以為爍石、優傲等國內品牌。

本文選取Staubli 機器人，基于其以下幾個優勢：采用多圈絕對值編碼器，不會存在零點丟失的情況；采用其自主研發的JCM減速機，中心為空心，確保減速機始終浸泡在潤滑油中，同時每一瞬間至少12 個齒嚙合，既能保證機器人運行的精度和平穩性，又能減少磨損，能夠保證五年以內精度不發生變化；采用航空鑄鋁材料，減少運動的能耗；減速機內置，適應粉塵、潮濕等環境，加工范圍為球形，不受減速機影響，加工范圍大；使用單獨CPU 確保機器人的安全控制，安全級別高；程序開放性好，適合進行專用型系統開發。

1 人機交互界面設計

對于國內絕大多數機器人系統，并沒有專門對某項應用專門開發的系統，但通用系統雖然能滿足客戶大部分的應用需求，但使用的方便性及個性化需求存在較大差距，本文首先設計便于符合工業設計的人機交互界面[2]。

該界面的設計原則為：針對使用者操作者的界面內信息建立重要等級區分，并按照重要等級評估視覺設計；操作邏輯不能重疊或提前顯示，可見即可操作；優先功能信息樹位置的表達，讓操作者清晰知道自導自己的位置名稱，色彩關系；建立命令欄按鍵順序的規則；將信息入口類案件獨立于命令欄，形成信息入口的統一變化方式；針對重要的命令設置統一的再確認方式；嚴格區分可選擇不可選擇的視覺效果，保障使用者不誤判產品故障；獨立放置顯示模式類附加操作；大量信息的列表式頁面的顯示和翻閱采用統一的形式；通過圖形設計優化觸摸按鍵尺寸。

圖1 HMI 主界面

設計的交互的主界面如圖1 所示，包含導航欄、命令欄、信息欄和內容展示欄。包含的主要功能有：產品信息，進行加工程序的管理，可以進行產品的新建、刪除、備份、導出、示教、編輯功能；工藝信息，進行產品加工時的工藝參數編輯、保存和應用；動作信息，實現機器人加工過程中的輸入輸出指令動作的處理；生產管理，進行觸發方式、生產周期、多工位加工產品、調用的工藝文件配置并傳遞到下位機進行加工；外圍控制，進行配套設備如激光器、切割頭、外部軸的調試和控制；監控統計，實現生產過程中路徑點位、工位參數及生產信息的監控，亦能統計某個定義的時間段中的加工過的產品及其數量；參數管理，進行機器人的安全點及工具值的示教以及通用參數及選項功能配置；報警提示，進行上下位操作提示及報警的統計。

2 應用軟件詳細設計

2.1 執行文件設計

每家機器人執行的程序代碼格式均不相同，且由于有些加工零件較為復雜，全靠人工示教并不現實，但離線程序很難一次性滿足生產需求，進行閱讀和二次修改極為麻煩，同時同一產品中不同輪廓需要達到較高的精度要求，必須根據切割輪廓的實際大小和形狀采用不同的工藝，為了解決這些問題，本文進行了通用的生產文本格式設計，使其簡明便于閱讀、修改及在線進行工藝調整，代碼格式如下：

//產品頭

PRODUCT=test//產品名稱

TOOL=290,0,155,0,90,0//工具值

TOTALELEMENTS=1//輪廓數

FRAME=0,0,0,0,0,0//用戶坐標系

OFFSET=0,0,0,0,0,0//產品偏移

PRESET=yaweiPreset//調用的工藝文件名

//輪廓加工

BEGIN=test_1//輪廓加工開始

BYPASS=FALSE//路徑是否過濾

CUTTYPE=2//輪廓類型

ARRAY=1,0,1,0,0,0//陣列

POINTCOUNT=1,1,1//趨近切割離開點數量

DOWNLEAD=1,100,0,0,10,36// 引線設置

WORKPLACE=0,0,0,0,5,1//外部軸和穿孔工藝

MOVEJ=7.44,2.59,87.19,4.95,-89.85,-6.33/300,15//趨近點點位及速度加速度

DELAYON=0.3//開光延時

MOVEL=1009.27,128.1,903.14,68.0,91.26,-63.

07/1,0/100,5,1//切割點點位信息及工藝動作速度等

DELAYOFF=0//關光

MOVEJ=7.42,2.59,87.19,4.95,-89.85,-6.31/300,15//離開店點位及速度加速度

END=test_1//輪廓加工結束

//如有外部軸，點位信息將由六位變成八位，調用的

工藝、動作文件這里不再詳細列出

2.2 數據庫的應用

設計的生產文本便于用戶解讀和優化，但對于程序每次讀取及編輯操作繁雜，極為不方便，處理效率低，影響用戶的操作體驗，為了方便程序的存儲、輪廓的排序、批量化修改等重要操作，本文采用了簡化版Access 數據庫[3]，該數據庫完全能夠滿足設計需求，同時操作程序運行時并不需要在系統上安裝此數據庫軟件，節約了軟件成本。本文將產品分解成五個數據表（產品表，輪廓表，趨近點表，切割點表，離開點表），產品表中包含產品名、產品描述、工位號、是否離線、用戶坐標系、偏移值等屬性；輪廓表中包含產品名、輪廓名、輪廓序號、輪廓類型、引入引出線等屬性；剩余三表包含輪廓名、點位序號、點位運行方式、點位具體值、點位過度值等屬性，他們之間通過主屬性產品名和輪廓名進行關聯，如圖2 所示。

圖2 數據關系表

數據庫中除了保存產品的相關數據表，還包含了工藝應用表，動作信息表，產品加工時間數量統計表，操作提示表，參數配置表，通過這些數據表簡化了系統的數據處理與保存，同時提升了數據處理的安全性和可靠性。

2.3 模塊間的通訊實現

本系統為人機界面、底層運動控制、PLC 控制輸入輸出三部分組成，這三部分必須通過有效的通訊方式確保系統正常運行，如圖3 所示。首先人機界面和底層控制程序之間需要傳遞兩種類型的數據，一是數據量較大的文本文件，如生產文件、配置文件等，此處控制通訊控制在1s 以內即可，故采用ftp 協議進行通訊；二是實時性較高的控制參數，如機器人運動過程中的坐標信息，生產中的工藝、輪廓信息等，這里可以選用Soap 協議[4]，以保證響應速度在10ms 以內。PLC 和運動程序之間可以選擇總線通訊方式，如EtherCat、Modbus 等，這里可以根據工藝要求的實時性、價格等因素進行選擇。

圖3 信息通訊圖

2.4 系統擴展

系統完成基本功能后，為了滿足客戶個性化需求及融入一個車間或工廠的整體管理系統中，一是完善系統，提供給客戶更多的選項配置，二是留下可供客戶自行研發的升級接口。本系統支持最多四個工位進行上下料，支持同一工位多產品，支持單按鈕單工位、單按鈕多工位、單按鈕多周期、遠程信號等多種啟動方式，支持異步同步移動軸或變位機功能，支持激光防護、防護房、遠程監控、安全區域減速或停止等安全措施功能，提供Mes 通訊接口[5]，提供用戶切割前中后自行定義功能接口。

3 結語

本文從用戶使用的便捷性、需求的迫切性、實現的可行性考慮，以客戶實際生產過程觸發，從生產文本設計，到用戶操作習慣考慮，再到功能如何實現和有效結合為機器人三維切割設計一個專用系統。該系統在產品的保存、編輯、監控、統計有了顯著的提升；在二維激光中研究成熟的切割工藝通過工藝參數表和動作表移植到該系統中應用，通過長時間的工藝積累，對工人的依賴性會不斷下降，同時這些工藝對切割效率和質量都將有著明顯提升；加工信息和提示的記錄與生產過程中的實時監控對切割中的故障解決有著不可或缺的作；留下的接口能夠滿足鈑金加工智能化這一趨勢。