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机器人焊装线安全性控制系统构建

文档作者：王健强孙自强王玮文档来源： 1.合肥工业大学机械与汽车工程学院 2机械工业第一设计研究院		点击数：	更新时间： 2021年09月10日
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制造业信息化
仿真/建模/ad/Cam/ae/A
机器人焊装线安全性控制系统构建
王健强,孙自强,王玮
(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥230002机械工业第一设计研究院,安徽蚌埠233017)
摘要:安全性控制系统将标准系统和安全系统进行独立控制,分别由标准PLC和安全网络控制器(SNC)控制。SNC
在标准控制系统中充当标准从站作用,与标准主站进行状态和信息交互:SNC在安全网络中充当安全主站角色(连接安
全设备或安全从站),处理整个控制系统安全逻辑,并给出相应安全处理响应。机器人自动化焊装线中,在危险设备应用
安全控制系统,能够有效减少劳动灾害,确保制造现场安全性和生产性。
关键词:安全控制;机器人;自动化;焊装线:标准主站;安全主站
中图分类号:TP242
文献标识码:A
文章编号:1002-2333(2011)01-0037-03
 Design of the Safe Control System in Robot Welding Line
 Abstract: Safe control system, disjoining the standard system and safety system, is controlled independently by standard
 PLC and Safety Network Controller (SNC). SNC acts as the standard slave station in standard control system,and
 communicates with the standard master station. Acting as safety master station in the safety network. SNC handles safety
 logies of the entire safety control system, and hands out corresponding response. In the automatic robot welding line.
 applying the safe control system on dangerous equipments can efficiently reduce the work danger, and ensure the security
 and producibility
 Key words: safety control; robot: automation welding line; standard
1引言
2系统任务剖析
机械安全是一项复杂的系统工程,需要考虑的因素
白车身机器人自动焊装线,通常由分总成(sub
等等。一般来说,安全控制系统应该包括安全信号检测,ine)线ingi系统(如图所
安全信号分析和处理以及安全信号响应。这三个部分构示)包括2条su
成了真正意义上的安全系统:安全信号点(急停,安全锁,
双手按钮等等)检测,一般通过急停按钮、信号灯、安全门
限位开关或联锁开关、安全光栅或光幕、双手控制按钮、
激光扫描仪等来完成;安全信号点分析和处理一般通过
安全网络控制器、安全继电器和安全总线等完成,以保证
国
安全信号的正确性;安全信号点响应一般通过安全驱动
装置将安全信号最后输出给驱动装置,如主回路中的接
触器、继电器或阀等,完成安全功能的执行。
本文将结合合肥工业大学汽车装备研究所承接的机
器人自动焊装线项目,对整线安全控制模式进行阐述。
图1系统布局图
参考文献]
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(编辑立明)
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4]沈春根,王贵成,吴卫国HSK主轴刀柄连接锥面的疲劳寿命作者简介:程洁(1990-),女,山东大学机械设计制造及其自动化专业
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本科学生。
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收稿日期:2010-10-15
机械工程师2011年第1期37
制造业信息化
 DMANIFACTUNING INFORMATIZATION建模/CA/CA/CAE/CAP
及部分 main body line。其中,2条分总成全部人工完成焊
KUKA机器人支持所有标准现场总线系统,如:
接任务,左右各有5个手工工位和一个输送送料工位 Profibus Interbus、 DeviceNet和 ControlNet,而且,还支持
(soL-sb5l和b1-SB5)底板线分为2个以太网TCP/IP和OPC客户机服务器,可以提供丰富的
手工上件工位(UB010和UB020)和机器人纯补焊工位通信资源,机器人程序可以直接编程的1O分别有1024
(UBO30-UB060);主线先由MB10工位8台机器人完成个。我们把其中1~96的地址分配给PLC用于通信,机器
上件和补焊,在MBO20工位由空中小车输送至MB030人各种外设1O也根据企业标准对应地分配在不同地址
工位,经过2个机器人纯焊接工位和5个人工工位完成段。这样机器人和外部设备的接口就通过标准化方式来
补焊。
做到了统一,方便了后期编程。
本文所引述的部分是UB线以及MB线的2个工位。
关于输送机和各种置台中使用的气缸电磁阀、磁性
整个控制系统所涉及到的标准控制对象包括17台开关以及水气排RIP等离线信号通过 OMRON现场模块
 KUKA
UKA点焊机器人(其中2台含换抓具功能),2台KUKA DRM21-V1进行信号收发,作为标准从站通过 DeviceNet
搬运机器人,4把 GRIPPER,17把 OBARA SPOT GUN.现场总线与主站CPU进行实时通讯。同时,本控制系统
17套P5000 BOSCH WELD TIMER,2 NITTA AUTO与线体之间交互信号,也是通过PLC本地1模块进行通
 TOOL CHANGER(ATC)17台 OBARA TIP DRESSER,17讯,保证机器人与线体之间信息传达的实时性。整个控制
台RP系统,2个 CONVEYER,
系统安全设备分别通过UB和MB安全网络控制器
1个滑动置台,1个升降置台和1个辅助置台。另外neia -SCPU-2进行独立管理,同时与两个PLC保持实
安全控制对象包括:11个安全门,1个安全光栅,1个安全时信息交互,保障机器人系统动作准确性以及机器人之
地毯和19个机器人急停。
间信息交互的可靠性3
3控制系统
以上构成整个控制
面对如此多的控制对象,为了达到理想的控制状态,系统一级网络结构(如
我们将整个系统分成标准控制系统和安全控制系统两部图2所示,为标准控制-日
分。把安全系统和标准控制系统独立开来使用 OMRON网络),UB和MB分别
标准PLC来处理标准控制设备,使用 OMRON安全网络以PLC为标准主站,以
图2标准控制网络
控制器来处理现场安全和急停等设备。处理安全信号时,机器人、标远程模块和sNC为标准从站,同时两主站
使用 OMRON安全网络控制器NEIA-SCPU作为安全PLC同线体之间保持实时信息传递。
主站,安全远程输入输出系统构成安全从站每个NE1A-3.2机器人独立控制单元
SCPU02又能同时执行标准从站功能,具备与标准主站进
与机器人相关的附属设备,如 OBARA WELD GUN
行标准输入输出通信功能。分配状态信息基本状态,本 NITTA ATC、 GRIPPER TOOL STAND等,必须配合机器
地输入输出错误状态,和其他信息)或逻辑操作结果给人执行相应动作。为满足机器人作业的控制要求,我们将
标准PLC,标准PLC对安全系统状态进行实时监视。
这些设备设计成机器人专门控制的子控制网络,机器人
3标准控制网络
与PLC之间保持通讯,提供机器人控制单状态信息。
整个标准控制系统运用2个 OMRON标准PLC进行KUKA机器人内部提供了供开发的 IOSYSINI等系统文
管理,PLC1控制UB线机器人工位UB030-UB060,11台件可以进行机器人控制网络态机器人内部地址按
机器人,PLC2负责MB线的2个工位,8台机器人。通过照企业标准,分配给机器人管理的标准从站KUKA机
2个PLC的分工,化整为零,使控制任务相对模块化,并器人的SPS是除机器人主函数之外另一个独立运行的函
且冗余一部分PLC处理能力,便于保证系统的可靠性和数,只要机器人程序开机并且相关的程序没有语法错误,
方便后期功能扩展。但整线物流是一个整体,2 PLC个 SPS程序就在后台自动运行。利用SPS和机器人应用主
之间要相互协作,要进行大量数据交互才能保证线体顺程序是相互独立的两个进程的特性,我们多使用SPS函
利运行。及时相关控制任务,同时也方便操作人员对整线数和PLC进行数据交互包括机器人各种状态监控电极
进行实时监控2,如使用HMI对整线进行控制。 DeviceNet寿命状态信息的传递,这也增加了控制的灵活性。机器人
是基于CAN技术用于PLC与现场设备之间的通信网络与标准从站之间一律采用 PROFIBUS现场总线通讯协议
 DeviceNet使用的通信模式是:消息产生者(Producer)和进行通讯,保障信息可靠性和传输稳定性增强系统的柔
消息使用者(Consumer) DeviceNet使用的模型更为有性
效,它可使控制数据同时到达控制的每一个单元,可以更
如图3所示
有效地利用网络频带宽度。消息产生者一次发送的数据为机器人子网络
可被多个消息使用者使用,从而更有效地传送数据; PROFIBUS网络
 DeviceNet上的每一个设备可以随时连接或断开而不会硬件组态图,主要
影响其他设备正常运行。真正的开放性使系统扩充和改有 BOSCH WELD图3机器人子网络硬件组态
型非常方便。
 TIMER,用以对
38机械工程师2011年第1期
制造业信息化
仿真/建模/CA/CA/CAE/CAPP DMANUF ACTURING INFORIAATIZATION
 OBARA焊枪的焊接电流、焊接压力等参数设定和精确控实现:双侧对射式和单侧
发射
制,以及对电极寿命的管理; TURCK现场模块主要负责检测式。这里使用的是单
 TOOL STAND上的工具感知以及 COVER的开合控制侧检测式,原理如图5所
机器人侧 TOOL CHANGER上具备IP67防护等级的示。在应用中,如果是被
接收端和控制器
ET200R-H现场模块,用以与机器人侧 TOOL CHANGER允许的物体通过通道时
上的IO信号的通讯;工具侧ET200R-W现场模块用以能够先依次再同时遮住
与工具侧 TOOL CHANGER和焊枪上的信号通讯;两个光栅单侧的图5 MUTING功能
 SMC VALVE UNIT,用于与抓具上的电磁阀、气缸上磁性 MUTING传感器,此时光
构成示意图
开关信号通讯,机器人通过 PROFIBUSVAL总线和栅启用 MUTING功能,物
UNIT通讯并实现对抓具的控制。
体就可以通过该通道。如果是不被允许的物体通过时,会
运用机器人独立控制单元,可以实现系统控制模块出现无法依次或同时遮住两个光电的情况,此时如果物
化。总线的应用,实现信息可靠性,方便设计和安装接体进入到光栅保护区域,光栅正常工作,产生报警信息,
线。模块化控制,方便可能的设备变更和系统扩展工作。阻止该物体进入。 OMRON的SNC内部集成有光栅
33安全控制网络
 MUTING功能块, MUTING传感器信号通过SNC的标准
 OMRON SAFTY NETWORK CONTROLLER(SNC)输入端输入,通过MUTING功能块处理输出安全光栅与
内置 DeviceNet Safety接口可以实现安全回路上所需功4个 MUTING SENSOR通过组合构成具备 MUTING功能
能模块化、程序化。功能安全方面符合IEC61508SIL3认的光栅控制系统。
证,机器安全方面则符合EN954-14级认证。具备安全逻
整个安全系统检测信息,在SNC内部进行逻辑处
辑操作,例如与、或等。紧急停止、安全地毯和安全门监视理,结果通过标准输出端接到终端响应设备,如安全继电
功能块亦能支持各种安全应用。支持48个本地安全输器等安全设备。
入/输出点(40点输入和8点输出),以及8个测试输出4结语
NEA-SCPU02可以同时作为安全主站和标准从站以上系统控制方案,得到客户普遍认可,在实际应用
作为标准从站(如图2所示),过程中体现出很多优点:(1)利用安全控制回路程序化实
NEIA-SCPU2可以与标准主现了整个系统柔性设计。实现了符合安全标准安全控制
站(如PLC)进行标准输入输出回路程序化,可以简单解决工艺和设计变化所带来安全
通信;作为安全主站(如图4所回路变更增加问题(2)可以节省配线把SNC与安全网
示)能执行最多16个连接(16络连接实现安全设备布线网络化,控制器布线长度就可
个从站)的安全输入输出通信,以大大缩短。以上网络构造,可以减少安装/维修时布线
图4安全系统网络图每个连接多达16个字节。
错误,提高变更时工作效率。(3)现有系统中可以进行安
整个安全系统同样分为UB和MB两块,由两组全网络追加。安全控制硬件方面与标准控制部分是分离
SNC的CPU进行安全逻辑处理,其中UB线CPU扩展的,实现模块化控制方案,具有良好的扩展性,便于后期
了一个安全从站DST系列,进行信息采集两组独立安追加安全设备。
全CPU作为安全系统主站,同时也充当标准PLC标准
参考文献]
从站,与标准PLC进行状态和信息交互。UB线的处理信【1梁义平许庆星汽车焊装车间侧围输送线现场总线控制系统
号有11台机器人和1个MCP上的E-Stop、8个安全门
设计[]自动化信息2006:4-45
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处理信号有8台机器人和1个MCP上的E-Stop,3个
1999:6-10
安全门锁以及一套安全地毯。
【4]卫华李志敏孙景枫等在同一网络上实现安全控制和标准控
急停、安全地毯和安全门锁属于无源触点,利用SNC
制]国内外机电一体化技术208.115:5
的 Test Output和 Safty Input与之构成安全测试回路,对【5]段建中基于工业机器人的柔性制造单元的实现宁夏工程
外接触点进行实时状态诊断。NEA系列SNC支持双通
技术,2003,2(4):44-47
道模式,选择双通道等值模式,可以监控两输入状态变化6]万翟,丽丽新型的安全现场总线技术[]汽车制造业200
时间差,超出预设值,则视为故障。可以有效避免由于安
(3):48-49
全设备故障所引起的误动作。
[7]熊有伦机器人技术基础[M武昌:华中科技大学出版社,1996
15-50.
(编辑立明)
由于生产现场,特别是在人工工位和机器人工位之
间的光栅需要具备防止人员穿越的功能,同时又要求能作者简介:强(1964-)博士学位,教授,硕士生导师,主要研
在车身经过时,不会对安全系统造成影响。需要构建一种
究方向为先进制造技术、智能机器人系统控制等。
能自动区分人和车身的检测系统,有两种简单方案可以收稿日期:2010-10-14
机械工程师2011年第1期39

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