工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸狀態(tài)及動(dòng)作時(shí)間分析

胡覺醒，喬 慧，孟令豐

（吉利汽車集團(tuán)有限公司 智能制造部，浙江 慈溪 315300）

在電氣自動(dòng)化控制中，可編程控制技術(shù)因能夠充分提高電氣自動(dòng)化程度及控制系統(tǒng)的工作效率被廣泛應(yīng)用。可編程控制技術(shù)與先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，極大拓展了電氣自動(dòng)化控制的應(yīng)用領(lǐng)域。作為當(dāng)前電氣自動(dòng)化控制的核心技術(shù)，可編程控制技術(shù)具有非常高的靈活性和實(shí)用性，操作相對快捷方便。隨著汽車制造行業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化制造行業(yè)扮演著重要角色，對工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)信息獲取和抓手氣缸動(dòng)作時(shí)間監(jiān)控也是必然趨勢。工業(yè)機(jī)器人代替人，先決條件就是可以通過可編程控制技術(shù)來分析展示工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸、零件檢測信號狀態(tài)，縮短必要的人工干預(yù)時(shí)間。再通過對運(yùn)行中工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸動(dòng)作時(shí)間的監(jiān)控，來分析工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸動(dòng)作時(shí)間，預(yù)測性維護(hù)抓手氣缸，提升機(jī)器人運(yùn)行效率。

1 工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸狀態(tài)及動(dòng)作 時(shí)間概述

1.1 工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸狀態(tài)及動(dòng)作時(shí)間監(jiān)控的重要性

單從工業(yè)機(jī)器人監(jiān)控抓手氣缸狀態(tài)，報(bào)錯(cuò)提示信息不能快速的定位具體氣缸。目前，工業(yè)機(jī)器人對報(bào)警信息顯示能力有限，也沒有從維護(hù)角度出發(fā)監(jiān)控氣缸相應(yīng)動(dòng)作時(shí)間。通過可編程控制器編譯觸摸屏畫面，監(jiān)控抓手氣缸狀態(tài)和動(dòng)作周期時(shí)間，能直觀發(fā)現(xiàn)異常氣缸位置，縮短故障排查時(shí)間，預(yù)測性維護(hù)抓手氣缸狀態(tài)。目前，對于工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸狀態(tài)及動(dòng)作時(shí)間監(jiān)控定義各項(xiàng)指標(biāo)的內(nèi)涵如下。

1.1.1 抓手狀態(tài)工藝點(diǎn)監(jiān)控

工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行生產(chǎn)程序時(shí)，除工藝點(diǎn)（抓放件）監(jiān)控氣缸狀態(tài)外，其余軌跡點(diǎn)不進(jìn)行氣缸狀態(tài)監(jiān)控。

1.1.2 抓手狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控

工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行生產(chǎn)程序時(shí)，一直監(jiān)控抓手氣缸狀態(tài)（夾緊/打開）。包括抓件到位及放件前的夾緊到位狀態(tài)監(jiān)控，和放件到位后打開到下次夾緊前的抓手氣缸打開到位狀態(tài)監(jiān)控。

1.1.3 抓手氣缸動(dòng)作時(shí)間監(jiān)控

工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸電磁閥動(dòng)作開始計(jì)時(shí)到氣缸狀態(tài)到位檢測信號收到計(jì)時(shí)結(jié)束。

1.2 技術(shù)路線與成熟度

利用可編程控制器與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，打通數(shù)據(jù)訪問通道，再從工業(yè)機(jī)器人控制器中，獲取機(jī)器人抓手狀態(tài)信息，然后利用可編程控制器內(nèi)高級語言編程，提取抓手氣缸動(dòng)作時(shí)間，最后通過觸摸屏或外發(fā)接口數(shù)據(jù)的技術(shù)路線進(jìn)行畫面展示。此技術(shù)路線不僅適用于全新車間，也適用于后期改造車間，該技術(shù)已在吉利汽車成都工廠已實(shí)現(xiàn)。根據(jù)機(jī)器人現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)程序，進(jìn)行模塊化導(dǎo)入已形成標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)例：KukaSmartpad+TIA Portal+HMI/Visual Studio。通過KukaSmartpad 開放KRC中的數(shù)據(jù)接口。由可編程控制器編程軟件TIA Portal提供的高級語言編程方法調(diào)用全局變量，通過HMI/Visual Studio將封裝數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化展示的方案。

2 工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸狀態(tài)監(jiān)控存在的問題

工業(yè)機(jī)器人本身沒有對抓手氣缸動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控，只會(huì)在檢測位置檢測氣缸狀態(tài)信息。機(jī)器人與可編程控制器之間通訊信號有限一般是256位地址，所以機(jī)器人氣缸狀態(tài)信息想在可編程控制器的觸摸屏畫面顯示是比較困難的。可編程控制器方面需要擴(kuò)充地址位，機(jī)器人方面需要編程與可編程控制器映射好地址位。

具體工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸狀態(tài)及動(dòng)作時(shí)間監(jiān)控，畫面顯示有以下幾個(gè)方面。

2.1 氣缸狀態(tài)監(jiān)控不全面

（1）從控制方面來看目前只有工業(yè)機(jī)器人自身監(jiān)控，可編程控制器沒有監(jiān)控。

（2）從程序監(jiān)控來看目前抓手監(jiān)控只監(jiān)控抓手動(dòng)作到位點(diǎn)信號，過渡點(diǎn)信號不監(jiān)控。

2.2 報(bào)錯(cuò)信息不詳細(xì)

工業(yè)機(jī)器人自身關(guān)于子站抓手報(bào)警只提示工件檢測不到位，并不提示具體哪個(gè)氣缸哪個(gè)感應(yīng)器，也不會(huì)顯示氣缸動(dòng)作時(shí)間。

2.3 具體氣缸難定位

工業(yè)機(jī)器人抓手會(huì)根據(jù)工藝進(jìn)行不同設(shè)計(jì)，有的涉及吸盤等特殊工藝抓手氣缸特別多，而且位置比較臨近，抓手氣缸異常報(bào)警查看起來比較麻煩，不好定位具體哪個(gè)氣缸。

2.4 交互信號不夠用

對于老的生產(chǎn)基地線體，在前期規(guī)劃過程中，工業(yè)機(jī)器人與可編程控制器之間信號交互預(yù)留地址一般為256位，后面如果想加抓手氣缸狀態(tài)與之通訊，地址位的預(yù)留不足無法實(shí)現(xiàn)這一功能。

3 工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸狀態(tài)及動(dòng)作 時(shí)間監(jiān)控改進(jìn)措施

針對以上存在的問題，可采用以下改進(jìn)措施去實(shí)施，不同品牌工業(yè)機(jī)器人可根據(jù)自身編程語言在基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展及完善，從而達(dá)到通過可編程控制器監(jiān)控工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸狀態(tài)，有效提高工業(yè)機(jī)器人異常故障排除效率的目的。

3.1 局部監(jiān)控改為全局監(jiān)控

工業(yè)機(jī)器人對于抓手氣缸狀態(tài)會(huì)在動(dòng)作的工藝點(diǎn)位置進(jìn)行監(jiān)控，這是各制造企業(yè)程序標(biāo)準(zhǔn)所定，其實(shí)這種只監(jiān)視工藝點(diǎn)的狀態(tài)是不安全的，不能規(guī)避員工的誤操作和機(jī)械結(jié)構(gòu)異常導(dǎo)致的碰撞發(fā)生。從技術(shù)角度考慮需要在機(jī)器人后臺添加相關(guān)時(shí)序邏輯，監(jiān)視氣缸狀態(tài)，起到時(shí)時(shí)監(jiān)控作用，通過觸發(fā)信號點(diǎn)來開關(guān)全局監(jiān)控變量邏輯如下：

（1）通過運(yùn)行抓手時(shí)時(shí)監(jiān)控觸發(fā)指令。

dClampSupVisionOn (#ClampCls,#ClampPresent1)

（2）監(jiān)控氣缸對應(yīng)閥片信息。

SWITCH ClampCheckSpecifier

CASE #ClampPresent1

GrippClsSupSeq[1]=FALSE

GrippOpnSupSeq[1]=TRUE

（3）后臺循環(huán)程序掃描抓手信號。

bGripper Bk GrndLoop()

（4）時(shí)時(shí)監(jiān)控氣缸狀態(tài)。

bGrippClsSupBkGrndLoop()

3.2 觸摸屏畫面顯示氣缸狀態(tài)及動(dòng)作時(shí)間

工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸狀態(tài)及動(dòng)作時(shí)間，在觸摸屏顯示，需要在工業(yè)機(jī)器人后臺編程定義好電磁閥數(shù)量和氣缸數(shù)量，與之通訊的信號點(diǎn)進(jìn)行映射，完成高級編程定義好相關(guān)變量，可編程控制器上需要編寫功能塊邏輯和畫面編譯。

3.2.1 工業(yè)機(jī)器人方面定義邏輯

3.2.2 可編程控制器方面定義邏輯

圖1為時(shí)間存儲器，圖2為計(jì)時(shí)器。

圖1 時(shí)間存儲器

說明：

V1—V10：輸入每個(gè)閥片的具體報(bào)警時(shí)間。

備 注：‘W_XXXX-H_XXXX’(‘W_1500-H_ 1510’)

W_XXXX：到工作位時(shí)間

H_XXXX：到原位時(shí)間

XXXX：具體時(shí)間，單位ms。

格式鎖定不可更改。

special_1—special_10：每個(gè)具體氣缸的報(bào)警時(shí)間。

備注：‘VXXY-W_ZZZZ-H_ZZZZ’ (‘V021-W_ 1501-H_1512’)

XX=02：第02個(gè)閥片

Y=1：第1個(gè)氣缸

W：到工作位

ZZZ=1 501：報(bào)警時(shí)間為1 501 ms

H：到原位

2016年10月，鄭州大學(xué)成立河南母親學(xué)院，掛靠在繼續(xù)教育學(xué)院。母親學(xué)院計(jì)劃針對已婚女性開設(shè)包括思想教育、職業(yè)技能、婚姻家庭、智慧生活等方面的課程。母親學(xué)院旨在幫助母親們練就智慧生存、快樂生活、煥發(fā)魅力的本領(lǐng)，掌握一定的職業(yè)技能，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮一己之力。

ZZZ=1 512：報(bào)警時(shí)間為1 512 ms

格式鎖定不可更改。

圖2 計(jì)時(shí)器

說明：

V1—V10：現(xiàn)有軟件標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)塊內(nèi)直接讀取機(jī)器人動(dòng)作單元數(shù)據(jù)。

WORK_1—WORK_10：機(jī)器人動(dòng)作信號，動(dòng)作。

HOME_1—HOME_10：機(jī)器人動(dòng)作信號，動(dòng)作。

Display：機(jī)器人動(dòng)作單元的具體動(dòng)作時(shí)間輸出到智能制造數(shù)據(jù)塊。

最終形成監(jiān)控畫面圖3為氣缸狀態(tài)效果圖，圖4為氣缸動(dòng)作時(shí)間效果圖。

圖3 氣缸狀態(tài)效果圖

圖4 氣缸動(dòng)作時(shí)間效果圖

其中，PT：根據(jù)需要設(shè)置的警告上限值。ET：當(dāng)前氣缸的實(shí)時(shí)動(dòng)作時(shí)間。

棒圖：即ET，更加直觀，可以通過棒圖直觀看出目前設(shè)備運(yùn)行的動(dòng)作時(shí)間是否良好。（24 000 ms以內(nèi)是正常動(dòng)作時(shí)間，24 000 ms～28 000 ms是氣缸預(yù)警時(shí)間，28 000 ms～30 000 ms是氣缸報(bào)警時(shí)間）

3.3 創(chuàng)新代碼報(bào)警-代替交互信號不夠用

（1）工件感應(yīng)器報(bào)警：機(jī)器人運(yùn)行過程中，在相應(yīng)工藝位置檢測傳感器信號判斷是否滿足當(dāng)前狀態(tài)，如不滿足則發(fā)出報(bào)警代碼傳送至可編程控制器，可編程控制器將報(bào)警代碼對應(yīng)到相應(yīng)抓手傳感器畫面上，實(shí)施提示。

（2）工業(yè)機(jī)器人氣缸狀態(tài)異常報(bào)警：工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過程中，在相應(yīng)工藝位置進(jìn)行抓手動(dòng)作，在動(dòng)作過程中會(huì)監(jiān)控是否動(dòng)作到位（打開/關(guān)閉到位），如動(dòng)作不到位則發(fā)出報(bào)警代碼傳送至可編程控制器，可編程控制器將報(bào)警代碼對應(yīng)到相應(yīng)抓手氣缸畫面上，實(shí)施提示。

（3）故障報(bào)警：可以通過報(bào)警代碼的編碼規(guī)則來對應(yīng)可編程控制器對氣缸狀態(tài)顯示如圖5代碼規(guī)劃圖。

圖5 代碼規(guī)劃圖

代碼編程邏輯如下：

4 實(shí)施后優(yōu)勢分析及收益

通過報(bào)警代碼規(guī)則來代替信號點(diǎn)進(jìn)行畫面異常報(bào)錯(cuò)展示，通過必要的信號點(diǎn)反饋工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸狀態(tài)，這兩部分的分工，就可以在可編程控制器觸摸屏上，顯示工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸狀態(tài)及報(bào)錯(cuò)信息。與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人氣缸報(bào)錯(cuò)方案相比，它的優(yōu)點(diǎn)和帶來必要的改善如下。

4.1 硬件配置利用率

利用原有硬件組合，深入挖掘可編程控制器空閑利用空間，通過編程手段實(shí)現(xiàn)自定義計(jì)時(shí)器計(jì)算氣缸節(jié)拍，避免因利用原有系統(tǒng)計(jì)時(shí)器增加可編程控制器的循環(huán)掃描周期。

4.2 成本投入

（1）工業(yè)機(jī)器人上只需要在后臺定義標(biāo)準(zhǔn)的程序語句作為抓手氣缸的狀態(tài)信號，與可編程控制器交互和映射不需要資金投入。

（2）可編程控制器上只需要添加功能塊編寫相應(yīng)邏輯并將優(yōu)化好的邏輯進(jìn)行封裝，形成標(biāo)準(zhǔn)的功能塊程序，后面直接調(diào)用功能塊即可不需要資金投入。

（3）觸摸屏畫面組態(tài)上不需要資金投入只需要編譯畫面即可。

4.3 故障定位

以前只能通過工業(yè)機(jī)器人示教器顯示錯(cuò)誤信息來判斷是否為抓手異常，再到工位里去查找具體氣缸耗費(fèi)工時(shí)至少5分鐘，現(xiàn)在可以通過可編程控制器查看觸摸屏顯示抓手氣缸狀態(tài)，且可編程控制器也會(huì)顯示具體閥片和氣缸編號，查看異常信息到定位具體氣缸耗時(shí)只需要1分鐘左右。

4.4 運(yùn)行效率

解決單方面工業(yè)機(jī)器人異常報(bào)錯(cuò)信息，可以展示多通道的設(shè)備詳細(xì)信息，也解決長線體人員少運(yùn)行效率低問題，不需要到工位排查故障，通過查看具體畫面即可鎖定目標(biāo)位置。且抓手氣缸動(dòng)作時(shí)間數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確的知道每臺工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作時(shí)間分布，為優(yōu)化項(xiàng)目節(jié)拍提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.5 人員管理效率

（1）編程人員水平上大大縮短了編輯程序的時(shí)間成本，現(xiàn)場無需反復(fù)對點(diǎn)。可以一定程度上減少“現(xiàn)場出車后觸摸屏畫面還在長時(shí)間持續(xù)更新”的現(xiàn)象。

（2）人員編制上，以前一個(gè)線體需要三人，現(xiàn)在只需要一人到兩人即可。

5 結(jié)束語

綜上所述，我們在對工業(yè)機(jī)器人抓手氣缸狀態(tài)顯示在觸摸屏觸摸屏上時(shí)，需要在前期規(guī)劃中將該功能放入后臺作為標(biāo)準(zhǔn)程序。可編程控制器也同樣是提前在項(xiàng)目發(fā)包前期將功能塊封裝到離線程序中，并對線體商進(jìn)行必要培訓(xùn)，避免后期現(xiàn)場修改程序影響生產(chǎn)。將此技術(shù)路線所述的功能作為機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)軟件擴(kuò)展功能，為后期工業(yè)機(jī)器人數(shù)據(jù)采集提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過自主開發(fā)的工業(yè)機(jī)器人抓手狀態(tài)顯示及氣缸動(dòng)作時(shí)間，為自動(dòng)化線體提供高精準(zhǔn)的監(jiān)控。