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机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用 摘要 摘要 随着中国逐步成为汽车的生产大国，越来越多的汽车生产线开始在国内自主 研发和建造。网络化和远程监控使得企业的生产管理更趋于高效，全集成自动化 开始融入中国制造行业，特别是汽车生产行业。 本论文所研究应用的机器人冲压线即是应用于江淮汽车股份有限公司的冲 压线，其中采用了k u k a 的6 轴机器人，压机由济南第二机床厂提供。p l c 控制 系统采用s i e m e n ss 7 系列产品，针对现场的具体工位要求设计基于现场总线 p r o f i b u s 控制网络，各机器人工位之间通过p r o f i b u s 现场总线通讯，每个机器 人工位配有i o 从站，。此外，系统配备了以太网络层，用于工厂级的监控和管 理。整个控制系统接入企业广域网中，成为企业管理系统的一部分，满足现代化 生产的要求。 在现场总线控制网络中，本论文主要根据现场不同的工位分布和工艺要求， 进行网络框架设计，并对现场的执行器进行软硬件设计和网络配置，构建完成 控制系统的网络部分。此外，论文还针对现场安全性要求，设计制作用于现场级 的监控画面，提高系统的交互性和安全性。 在控制系统的软件设计中，论文提出基于高级编程理念的对象模块化编程思 想，改善以往p l c 的编程方式，使实际控制系统在软件系统中具体化。概括和提 取执行元件和自动控制的共同特征，构建基础对象控制模块。同时建立具体的工 位对象，从而创建基于对象的编程系统。采用对象模块化思想进行程序编制，不 仅使整个程序系统更加结构化，而且易于程序调试。 本课题最终结果达到设计的各项要求，并经过现场的实际检验，得到了企业 好评。目前该系统已经投入批量生产，运行情况良好。 关键词：冲压线6 轴机器人p r o f i b u s 对象模块化p l c 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用 a b s t r a c t s i n c ec m i l ah a sb e i n go r l eo ft h em a i na u t o m o t i v em a n u f a c t u r i n gc o u n t r i e si n t h ew o r l d ，m o r ea n dm o r ea u t o m o b i l ep r o d u c tl i n e sh a v eb e e nr e s e a r c h e da n d e s t a b l i s h e db yo u r s e l y e si nt h ec o u n t r y t h es y s t e r n sb a s e do nt h en e t w o r ka n dt h e r e m o t em o n i t o r i n g - c o n t r o l l i n gm a k et h ep r o d u c tm a n a g e m e n to ft h ee n t e r p r i s e s m o r ee f f i c i e n t c o m p l e t e d i n t e g r a t e da u t o m a t i z a t i o nh a sb e e ni n t r o d u e e di n t ot h e 矗e l do f m a n u f a c t u r ei nc h i h a , e s p e c i a l l yi nt h ei n d u s t r yo f t h ea u t o m o b i l ep r o d u c t i nt h i sp a p e r w eh a v ed e s i g n e da n de s t a b l i s h e dt h er o b o tp r e s s l i n ec o n t r o l s y s t e mb a s e do nt h ek u k a r o b o t s a n dt h ep r e s sm a c h i n ei sp r o v i d e db yj i e r i nt h e s y s t e m s i m p 口i cs 7 3 0 0p l ci se m p l o y e da st h em a i nc o n t r o l l e r t h ep r e s s l i n e i n c l u d e7r o b o ts t a t i o n s w h i c ha r es e tu po nt h ep r o f i b u st of u l f i l lw i t ht h er e q u e s t o fi d i o g r a p h i cs t a t i o n so nt h ep r e s e n t ，r e a l i z i n gt h er e m o t ed i s t r i b u t e dc o n t r o l m o r e o v e r , i n0 r d e rt om e e tt h en e e d so f t h em o d e r nm a n u f a c t u r e t h ee t h e r n e ti sa l s o d e s i g n e dt om o n i t o ra n dm a n a g et h ep r o c e s s t h ew h o l es y s t e mi sc o n n e c t e dt ot h e c o m p a n yw n b e c o m i n gt h ep a r to f m ee n t e r p r i s em a n a g e m e n ts y s t e m i nt h el e v e lo ft h ef i e l d b u sc o n t r 0 1 t h ep r i n c i p a lp a r to ft h es y s t e mi sc o n t r i v e d a n de s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ta r r a n g eo fs t a t i o n sa n dt h em a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，i n c l u d i n gt h en e t w o r kd e s i g n ，t h es o f t w a r ed e s i g n ，t h eh a r d w a r ed e s i g na n d n e t w o r kc o n f i g u r a t i o no ft h ee x e c u t o r s t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sm a d et oe n h a n c e t h ew h o l es y s t e m so p e r a t i o na n ds a f e t y i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ei d e ao fo b j e c tm o d u l a r i z a t i o ni nt h ep l cp r o 掣a mi s b r o u g h tf o r w a r di nt h i sp a p e r , w h i c hi m p r o v e st h et r a d i t i o n a lm o d eo fp l cp r o g r a m a n dm a k e st h er e a lc o n t r o lo b j e c t sc o n c r e t ei nt h es o f t w a r e t h ea c t i v ei m p l e m e n t a n dt h ep r o c e s so fa u t o m a t i ec o n t r o lp r o c e s sa r ea b s t r a c t e da n dd i s t i l l e dt of o r i l lt h e o b j e c tc o n t r o lm o d u l e s t h e ne s t a b l i s h i n gt h ei d i o g r a p h i cs t a t i o nm a k e st h ec o n t r o l o b j e c tc o n c r e t i o n ，w h i c he s t a b l i s h e st h ep r o g r a ms y s t e mb a s e do no b j e c t u s i n gt h e i d e ao f o b e c tm o d u l a r i z a t i o nt om a k ep r o g r a mc a l ll e tt h ew h o l es y s t e mb e c o m en o t o n l ym o r es t r u c t u r e db u ta l s om o r ec o n v e n i e n tt od e b u gt h ep r o g r a m t h ef i n a lr e s u l t so ft h i st a s kh a v ea p p r o a c h e dt h er e q u i r e m e n te s t a b l i s h e d b e f o r e ，a n da f t e rd e b u g g i n go nt h ep r e s e n t ，t h ew h o l es y s t e mi sr e c e i v e dm u c hp r a i s e f r o mt h ee n t e r p r i s e n o wt h i sc o n t r o ls y s t e mh a sb e e np u ti n t op r o d u c t i o na n dr u n w d l k e y w o r d s ：p r e s sl i n e ，6l i k e sr o b o t ，p r o f i b u s ，m o d u l a r i z a t i o n , p l c i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期立丝 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：乒盥 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 从第一辆汽车发明出来到现在，汽车已经从一种实验性的发明转变为关联产 业最广、工业技术波及效果最大的综合性工业。汽车工业的发展已经成为汽车行 业本身的技术进步，而且也带动了汽车工业应用技术的发展。在新形式下，许多 公司把各种技术和装备，如微型电子计算机、无线电通讯、卫星导航等等新技术、 新设备和新方法、新材料广泛应用于汽车工业中，汽车正在走向自动化和电子化。 同时汽车本身的发展也在促进汽车制造业的发展。在最近召开的国际制造工 程学会年会上，各个发达工业国家如美国、日本、欧洲等国的与会制造专家、学 者发表的论文集中地反映了当前汽车制造业发展的特点和趋势。其特点是现代化 高新技术的综合利用；其趋势是四化：柔性化、灵捷化、智能化和信息化，再也 不是2 0 世纪4 0 5 0 年代发展起来的传统汽车制造方式以凸轮及其它机构为 基础，采用专用机床、夹具、刀具、量具组成的流水式生产线，即刚性自动化。 在市场化日益成熟的中国，许多的国外汽车制造商已经把眼光投入了这片热 土。中国将成为以后世界最大的汽车生产和零部件生产基地。同时根据有关方面 预测，未来五年汽车工业对各种技术装备的需求总量价值约在1 0 0 亿元左右。这 期间汽车工业发展主要以企业为投资主体，产品以多品种、小批量的方式来适应 市场需求的变化，但又要发挥汽车工业规模经济的优势，因此生产规模和工艺要 随之变化，各种刚性和半刚性生产线将逐步减少，柔性生产线将占主导地位。这 就对技术装备提出了更高的要求。2 0 0 5 年，中国汽车市场需求总量达2 9 0 万辆， 其中轿车需求量为1 1 5 万辆。在未来五年，还需要建汽车总装配线及与整车配套 的发动机、变速器、前后桥等大总成装配线和零部件装配线【l 】。 目前国内汽车行业规划设计是分别由合资外方公司、企业设计部门或专业 设计院承担。纵观现有汽车行业，各厂家水平是参差不齐，合资企业、国有企业 和民营企业生产制造技术水平各有不同。合资企业投入大，外方拥有产品和工艺 高度集成的优势，紧紧把住生产制造规划设计工作，设计费用比例也较高。通过 设计招标引进国外设备和装备，虽然提高了生产线的质量，但是其主要的知识技 术仍然偏向于外国。因此生产制造技术的规划设计简单理解就是“买设备、盖房 子”。在计划经济年代，国家通过编制“汽车工业产业政策”、“工艺和设备发展 规划”提出很多指导性意见，诸如：“高起点、大批量、专业化”、“经济规模”、“滚 动发展”等内容，对制造技术的进步有一定的推动作用，但始终没有把这项工作 的重要性提到应有的高度。为此，汽车生产制造技术和产品开发技术同样面临自 主发展和依赖引进相冲突的形势和压力，也给国内材料、装备行业的发展带来深 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用第一章绪论 远的影响。因此装配线的控制研究对于以后中国汽车的发展具有深刻的意义。 本课题就来源于江淮汽车股份有限公司和德国库卡合作的汽车冲压生产 线，。虽然该课题是来源于企业和学校的合作项目，但是其整套控制系统是由德 国库卡公司全权委托我校科研处和机电工程及自动化学院进行开发，是我校与外 国著名企业进行合作的一次成功实践，同时也将会在一定程度上弥补我国在汽车 冲压线自主设计上的不足，缓解汽车行业技术对于国外的依赖性。 1 2 冲压线的发展 冲压是汽车生产的主要工艺，冲压生产线虽然没有像汽车产品那样不断的推 陈出新，但是，也从来没有停止过前进的脚步。为高效、安全、高质量的冲压生 产汽车零部件，自动化冲压生产线在汽车生产的规模达到一定程度以后，已经是 一种必然的选择。从2 0 世纪6 0 年代算起直到今天，冲压生产线的发展可以说经 历了以下四个阶段 2 j 。 图1 17 0 柔性自动化冲压线总体技术方案 1 2 1 第一阶段：由单机组成的冲压线 早期的冲压线，是按照工序、工艺的不同，把不同吨位或者相同吨位的压力 机排列安放在一起。压力机的上、下料全部靠人工来实现。压力机之间的工件则 是靠传送带、行车甚至铲车来传递。 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用第一章绪论 所有的压力机参数，都要靠人工来进行手动调整，以适应生产的需要，有 的压力机甚至没有移动工作台，更换模具要采用行车、卷扬机等工具来进行工期 度，效率很低，安全性也很差。这个阶段的压力机，行程次数不高，电气控制系 统也比较简单，液压润滑系统的监控功能也比较少。 这一阶段，各国的的发展情况不同，横跨了2 0 世纪6 0 - - 8 0 年代，直至9 0 年代。在我国，大多数现存的冲压线属于这一阶段的产品，目前还有很多汽车及 冲压件生产厂仍然在继续购买这样的产品。 1 2 2 第二阶段：带简易上下料装置机械式的多工位冲压线 在这个阶段，对于生产量不是很大的汽车厂以及冲压件厂，开始采用简易 的上、下料装置来代替人工对压力机实施上、下料。这一时期，比较典型的有 “s h l i n ”的“铁手”用于压力机的下料。其他的一些厂家也有些采用机械和气 动结合起来的上下料装置。 这些装置，总体上来说，柔性很差，对工件质量的提高并没有多少帮助。后 来出现的一些结合电子伺服技术发展起来的电子和气动相结合的两坐标送料装 置，也存在可靠性差、速度低等问题。在国内9 0 年代后期从欧洲一些二、三流 压力机厂家引进的压力机线，有些就配备有这个时期的产品，目前已经基本被淘 汰掉。 在同一时期，汽车工业的发展，对大批量的生产有了非常迫切的需求”于 是便产生了大型机械式送料多工位压力机。这种大型机械式送料多工位压力机的 送料装置采用机械式凸轮传动机构，结构非常复杂，送料的动力来自于压力机的 主传动。这种大型的多工位压力机，在不同国家有着不同的阶段，从7 0 年代一 直延续到9 0 年代的后期。造价高，效率高，柔性差是这种压力机的主要特点， 它在早期西方国家汽车单品种产量很高时，发挥了很大的作用。 在第一、二阶段，全钢焊接机身，多连杆传动，液压保护装置，移动工作 台，气动小惯量摩擦式离合器，制动器，气动模具夹紧器。气囊式滑块气垫。稀 油循环式润滑系统，纯气式气垫，液压张紧式的拉紧螺栓，电子凸轮开关，o k 监视器触摸屏等等，在这一阶段的不同时期代表了压力机技术的发展水平。 济南二机床在8 0 年代初期就引进了v e r s o n 的全套技术；而一重、上重、 齐齐哈尔二机床则分别引进了小松的部分成型产品，为北吉普、江西五十铃等国 内汽车制造厂提供了数十条机械式薄板冲压生产线。 1 2 2 第三阶段：电子技术在冲压线上得到广泛应用 对于单机连线而言，随着电子技术的发展，伺服驱动的上下料装置得到了 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用 第一章绪论 广泛的应用，陆续出现了电子两座标送料装置，比较典型的是i s i 的p a t h f i n d e r 系列和a b b 的d o p p i n 系列，基于6 轴的r o b o t 的柔性自动化系统开始进入 市场。 伴随着电子技术的发展，联机、连线、联网等技术都得到了充分的应用， 包括远程诊断，分布式控制技术，总线技术，以及计算机技术都在自动冲压线上 得到了长足的发展。 在这个时期，压力机的速度有了明显提高，生产效率和节拍也显著提高， 像a d c 技术，自走式模具夹紧器，吨位监控，温度监控，平衡器风压自动调整! 气垫风压自动调整，装模高度自动调整，气垫行程自动调整等技术也得到了广泛 的应用，液压湿式离合器! 制动器的应用也越来越广泛，数控液压垫技术也在很 多用户中开始应用。 在多工位压力机方面，大型的电子三坐标送料得到应用，多台大型压力机 公用传动轴组成的c r o s s b a r 大型多工位压力机也进入了市场，使得多工位压 力机的效率和柔性有了很大的提高。 这一阶段，从8 0 年代末一直持续到现在，在这一阶段中，我国的汽车工业 在单机连线组成的自动化方面陆续投入了几十条各种各样的自动化冲压线，而 c r o s s b a r 的大型压力机和大型的电子三坐标送料技术在国内却一直没出现用 户。 1 2 2 第四阶段：新型自动化冲压线的出现 目前，可以认为，冲压技术开始进入了第四个发展阶段。 汽车的改型换代越来越频繁，汽车市场的个性化需求也越来越多，所以对于 汽车生产的柔性要求也越来越高，在单机连线方面，6 轴r o b o t ( 机器人) 技 术日趋完善，造价越来越低，使用也越来越普及，其柔性越来越显示出其优越性， 越来越多的冲压线开始配备r o b o t 自动化系统。 在大型多工位方面，c r o s s b a r 压力机，由于制造难度高，成本高，对模 具的制造技术和质量要求很高，而且柔性受到制约，所以局限性越来越大。 一种介于c r o s s b a r 和单机自动化连线之间的新型自动化的冲压线开始投 入使用，这种自动化线的特点是： ( 1 ) 压力机的行程次数高，对于大型压力机，连续形成次数达2 0 - 一2 2 次 分钟。 ( 2 ) 压力机之间设有快速送料装置，这种送料装置与c r o s s b a r 的送料 形式既有相同之处，也有不同点，相似之处在于其功能与c r o s s b a r 完全相同； 不同之处在于c r o s s b a r 是整线只有一个送料装置，用于整线的送料，而这种 送料装置，每一个单元都是独立的。 ( 3 ) 对于c r o s s b a r 多工位，压力机公用一根传动轴，压力机是连续运 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用第一章绪论 行的。对于快速送料线，每台压力机都有自己的传动轴，压力机是单次运行。生 产节拍比c r o s s b a r 低一些，但是仍然可以达到1 2 1 4 件分钟。 ( 4 ) 一次性投资( 在设备、模具等方面) 可以大大地降低，生产线的柔性 也有了很大的提高。 同时，对于中小件，越来越多地采用2 0 0 0 - 一3 0 0 0 t 的多工位压力机配电子三 坐标送料装置代替中型的冲压线，这在汽车的传统生产大国美国得到了越来越多 的应用随着电子技术的飞速发展，伺服电机的成本又有了大幅度的下降，一种新 型的伺服压力机也逐步开始投入使用。在现阶段，这些技术在我国都已经开始应 用。在这方面，与前几个阶段相比，中国的冲压行业，应该可以说已经基本与世 界同步，济南二机床近年来已经向美国出口了4 台2 0 0 0 t 的大型多工位压力机。 展望未来，我国的冲压生产可以说有以下几方面的发展趋势。中小件的生产， 将会逐步以中型、大型多工位配电子送料装置，取代中小型的单机连线，；中大型 件的生产，将逐步采用r o b o t 自动化技术的中型、大型单机自动线，对于大型 的覆盖件，将逐步采用使用快速送料技术的大型冲压线。对于新型材料，如铝板 等材料的冲压件的生产，大型的伺服压力机将会起到越来越重要的作用，对于卡 车大梁以及卡车的车厢板，将会逐步淘汰采用大型压力机的工艺，辊压成型技术 已经越来越多地得到应用。 图1 2 一汽大众机器人冲压线 德国库卡是世界几家顶极为自动化生产行业提供柔性生产系统，机器人，夹 具，模具及备件的供应商之一。库卡的技术几乎遍及所有的汽车生产厂家，也是 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用第一章绪论 欧洲，北美洲，南美洲及亚洲的主要汽车配件及综合市场的主要供应商。同时库 卡公司宣布它正在寻找从传统机械或物理自动化包装以及货盘装运到包装设备 和自动化包装系统的更加灵活，低成本机器人方案传输，创建一家唯一的、免费 基于网络帮助和信息中心。库卡公司自从2 0 0 0 年正式进入中国自动化领域，已 经有了相当不错的业绩，并慢慢把它的技术和优势渗透到该领域。( 图1 1 ) 图l3 库卡技术在自动化行业中 1 3 设计内容和要求 冲压生产是汽车制造的重要环节，一部好的汽车制造过程，首先从冲压开始， 汽车大型覆盖件由于形状复杂，零件一般为1 o m m 左右的薄钢板，冈0 度差，常常因 为手工操作带来的变形，表面划伤等原因，造成废品率很高。冲压生产自动化连线 不仅提高劳动生产率，而且也大大提高产品质量、降低成本。正是由于上述种种 原因，冲压生产自动化连线普遍受到国内生产厂家的重视，纷纷要求和争取解决这 一汽车生产的难题。 课题是来源于江淮汽车和德国库卡公司的合作项目，但是在整个控制方面是 于库卡柔性制造系统( 上海) 有限公司全权委托我校机械电子工程系进行开发( 压 机由济南第二机床厂提供) ，开创了外国著名企业委托中国企业进行技术开发的 先河，同时也将会在一定程度上弥补我国在汽车冲压线装配线上的不足，缓解汽 车行业技术对于国外的依赖性。 在该项目里面，课题主要研究和设计的是整条冲压线中的物料控制系统部 分；整线的安全回路控制部分；以及上位监控部分。实际情况下，根据总体的工 艺需要和整线的控制需要，建立基于现场总线的控制体系。整线冲压件的生产为 全自动化，因此机器人的节拍要与压机进行配合。作为大型的冲压线，其安全控 制系统也非常重要，我们采用了欧洲标准的区域紧停与通用的全线紧停相结合的 方法，使整线的生产安全和流畅。而且作为大的生产线，须配有人性化的操作界 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用第一章绪论 面。我们用以太网使上位机与整线连接，方便的通讯使得监控更加得心应手。除 了上述描述的总体设计要求外，本课题还对该冲压线的实际设计和调试中所用到 和遇到的一些相关技术进行了详细阐述： 机器人汽车冲压生产线的网络规划中的几个关键技术问题 控制系统实现的模块化、柔性化及控制程序的优化 机器人汽车冲压线的整线安全系统研究与设计 硬件系统、软件系统的实际工程调试 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用第二章机器人冲压线控制系统总体设计 第二章机器人冲压线控制系统总体设计 随着中国汽车行业的迅猛发展，汽车生产的自动化程度越来越高，而冲压作 为汽车生产的主要工艺，其自动化程度对汽车生产的质量起着举足轻重的作用首 先从冲压开始，汽车大型覆盖件由于形状复杂，零件一般为0 8 2 m m 左右的薄钢板， 刚度差，常常因为- y - ；r 操作带来的变形，表面划伤等原因，造成废品率很高。冲压生 产自动化连线不仅提高劳动生产率，而且也大大提高产品质量、降低成本。正是 由于上述种种原因，冲压生产自动化连线普遍受到国内生产厂家的重视。纷纷要求 和争取解决这一汽车生产的难题。 在中国，汽车行业的蓬勃发展，已经成为现在自动化领域中的领跑者。依据 江淮汽车股份有限公司的要求，结合德国库卡多年来在机器人自动化冲压连线方 面的经验，我们与库卡共同合作完成该冲压连线自动化系统。总体设计目标是： 设计一套国际领先水平的，性能优良，品质卓越，按照一流的工艺和优质材料生 产制造的冲压连线自动化系统。 2 1 机器人汽车冲压线的总体设计分析 本文所述的机器人汽车冲压线自动化控制系统为除掉冲压机部分整条冲压 线的连线系统。本控制系统的总体控制流程为，垛料车自动的将板料送入冲压线 物料机器人r 1 的工作区；机器人r 1 将板料拆垛，并逐一通过磁性皮带机送入 涂油机进行涂油；涂油后，送入对中台将板料进行定位；物料机器人r 2 将对中 好的板料抓取，并送入第一台压机；然后是6 轴机器人在5 台压机之间进行物料 传递；最后送至线尾，有两条传送皮带，将最后压成型的板料送至成品堆放区。 该整线系统的布局图，如图2 1 所示。 图2 1 冲压线系统布局图 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用第二章机器人冲压线控制系统总体设计 2 2 机器人冲压线物料控制系统设计分析 机器人冲压线物料控制系统，可简单分为上料和下料两部分。上料部分可分 为垛料、初对中、涂油、精确对中四个工位，其中有两台六轴机器人做工位之间 的板料搬运。下料部分由两条大型皮带机组成，它们与尾线一台机器人共同完成 下料工作。其中上料部分由于工位较多，且控制较复杂，所以作为整线p r o f i b u s 网络上的一个从站，因此可以视为一个子系统；而尾线皮带机的通讯要求较简单， 直接受控于线尾的机器人，可以看作一个工位。 2 2 1 冲压线的上料控制系统 本机器入汽车冲压线的上料控制系统一共由4 个工位组成，本节将分3 部分 做简单描述：垛料工位、初对中及涂油工位、精确对中工作台。 1 、垛料工位 本工位有两台独立的拆垛小车，可替换使用以保证连续生产，拆垛小车可以 在铺设的导轨上进行移动。当小车需要装载板料时，移出工作区域，板料装载完 毕后，移进工作区域，并且在工作区域内设有位置检测开关，保证了重复定位的 精度，位置检测信号同时和垛料机器人联锁，小车不在工作位置时，机器人不会 在该垛料台上进行操作。小车的装料区域和工作区域用电动门进行隔离，电动门 信号与操作安全信号连锁，保证了系统的安全性。在拆垛的时候，小车上的垛料 是不动的，由拆垛机器人r l 自动适应所来垛料的高度( h 5 0 0 m m ，不含托盘 高度) 开始拆垛，并能够自动适应垛料高度的变化。系统用机器人将垛料自动拆 成单张( 要求使用磁力分张器，分张成功率9 9 5 ) 并有双料检测装置( 测范 围具有可扩展性，能够满足板厚d 2 5 m m 的板料的检测，可预先设置要检测板 料厚度，检测准确率为1 0 0 ) 。 1 当小车需要装载板料时，移出工作区域，板料装载完毕后，移进工作区 域，并且在工作区域内设有位置检测开关，交流变频电机驱动以保证重复定位的 精度。 2 小车大小满足工件的最大尺寸。小车工作台净尺寸( 不带周边挡块、磁 力分张器) 为2 5 0 0 m m * 4 2 0 0 m m 。 3 小车最大载重负荷为1 5 ，0 0 0 k g ，小车上面有定位装置，托盘在小车台面 上采用靠角定位的方式。工件托盘可以通过行车，轻松在拆垛小车的台面上定位。 4 板材的分张是通过6 个分散的磁铁进行的，磁铁的位置可手动进行轻松 快捷的调整，调整装置的设计依托盘而定。 2 、初对中及涂油工位 拆垛机器人r 1 将板料分离后，把拆成单张的板料逐一放到传送皮带机上， 进行初次定位，即标题所称的初对中，然后通过传送皮带机将板料送入涂油机进 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用第二章机器人冲压线控制系统总体设计 行冲压前的涂油。 传送带由磁性传送皮带和支撑滚轮组成。磁性传送皮带由交流变频电机驱 动。磁性传送皮带上装有永磁条，永磁条位于不锈钢滑轨下。当板料在传送带上 传送时，磁条的磁力将板料吸附在传送带上。传送带将板料送至板料涂油机。传 输皮带应能满足所有不同的板料，板料能平稳的进入涂油机。传输带上装有板料 检测传感器，当传输带上有板料时，拆垛机器人r 1 要等待。 3 、精确对中工作台 磁性皮带机判断涂油机以及对中台的状态，然后把板料送入涂油机，经过涂 油处理的板件直接被传送到对中台上。对中台上面经过定位后的夹持机构在检测 到工件信号后，对板件进行精确对中。对中台的定位精度可达到3 m m 。 对中台对于每个工件的尺寸都有记忆功能。通过安装在驱动定位挡块的电机 上的编码器，对于每一个工件，我们只需要在第一次进行编程的时候，手动调节 好板件的定位位置，并用编码器记下板件的实际位置就可以了，以后我们只需要 根据工件的编号，然后根据以前记忆的数据，便可以轻易找回以前的位置。当板 件通过涂油机或者皮带机传送到对中台上后，安放在前固定挡块上的传感器只要 一检测到工件，便会对工件进行定位，定好位后会发送给下一台机器人定位完成 信号，以执行以后的操作。 2 2 2 冲压线的下料工位 该冲压线的下料工位由两条独立的1 1 0 0 m m * 8 0 0 0 m m 皮带机组成，皮带机间距 可调。对于小的工件，只需要放在一条皮带机上。对于比较大的工件或者是双片 工件，可已通过调节两个皮带机之间的间距来满足要求。 皮带机在机器人的放料位置装有光电检测开关，皮带上有工件时，机器人在 放料位的上方等待直到皮带上的工件送走。 2 3 机器人汽车冲压线机器人控制单元 本条机器人汽车冲压线共有7 台六轴的工业机器人，其将作为物料传输的主 体。这7 台机器人一共分为两部分，其中机器人r 1 、r 2 在上料控制系统中拆垛 和对中；剩余5 台则是在压机之间作冲压板料的传递。 2 3 1 六轴机器人简述 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用第二章机器人冲压线控制系统总体设计 图2 2k u k a 机器人系统模型 如图所示即为目前用于工业领域的六轴机器人的基本系统模型，由于篇幅所 限，本节只是简要介绍一下六轴机器人的几个基本组件的功能。 1 ，机器人本体，用于执行具体的动作任务； 2 ，机器人控制柜，机器人运动控制的核心，可完成各种控制运算。 3 ，机器人示教器，人机交互界面。 2 3 2 冲压线机器人功能简述 本课题选用k u k a 冲压专用机器人k r l 2 0 p 2 0 0 0 来完成拆垛以及各压机之 间板料的传递工作。根据表格所示其性能参数，该型号机器人完全可满足冲压线 垛料和搬运的各种要求。 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用第二章机器人冲压线控制系统总体设计 负载( 指第6 轴最前端p 点负载)1 2 0 公斤 熬细虞j 赞i 奠7o j 。0 0 i 。j。鬻耄为焦鹰薹鍪 总负载1 7 0 公斤 蘑讯激。| “j 0 _ 。夏羹?+ 。纛。| 。! 一3 。6 。! 。j ，。j 。纛霪 法兰盘( 安装在第6 轴上) d qi s o9 4 0 9 - 1 一a 1 6 0 ”安装位鹫i 。”一二：! ；。篓“ 警地西德壁”。o 譬j “。溪 重复精度 + | 内? 2 m m 控制器菇? z 羔二i 登篡：篡一一。_ 麓? j 誓k r c 2 。”i ”。! + ? 鼹 自重1 5 0 0 公斤 作业空闻藏鼷。“一一“+ | | ”“、j j 。“、瞒羹贺绻”“g 。”慧 每个轴的运动参数 ， 一运动范匿 运动速度， * 一一” 轴1+ ，1 8 5 。9 0 0 s 撤27 + 。，一。j - ? 、。囊一：j + 7 0 0 _ 1 2 铲。 一，? 8 4 。s ? 鬟 轴3+ 1 5 5 0 1 1 9 。8 3 0 s 黏4j 。? 囊| 一 o i i ：+ i - 3 s o o ? 菇，。”薏+ l 。溉。j ”麓 轴5 + - 1 2 5 01 2 4 0 s 魄黾”| 1 。i ? 。”? 、。、0 j ? + - 3 5 0 a 。+ 8 。j 嗣i 。雾 图2 3k r l 2 0 p 2 0 0 0 运动及性能参数 2 4 机器人汽车冲压线上位监控描述 考虑系统功能需求和现场运行环境，选用s i e m e n sw i n c c 作为监控系统的 开发工具；硬件平台为研华工控机，此类机型比普通p c 机性能稳定、工作可靠 性高、抗震动强；以w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 作为系统的操作平台。 根据系统需求，采用模块化、结构化设计方法，以最优的方式把软件各组成 部分连接在一起，形成一个良好的软件结构，使其具有可靠性高、灵活性大、结 构性强、易于维护等特点。其原则是：自上而下、逐步细化、模块化、结构化编 程。该程序分三个层次，主控模块、功能模块和子程序模块。软件设计从顶层开 始设计即主控模块，是监控软件的主体部分，相当于一个调度台，是管理层的核 心，也是整个程序的核心部分，其任务是调度各功能模块，实现各模块功能。由 主控模块层开始向下逐步细化，将监控软件分成不同功能模块，每个功能模块采 用结构化编程，可被主控模块调用。再向下分解即子程序模块层，它由各种基本 功能子程序组成，是监控软件的最低层，可被功能模块层调用，完成程序的具体 功能。 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用 第二章机器人冲压线控制系统总体设计 整个上位机监控软件主要由数据通讯、生产运行状态监控、数据管理和系统 安全管理四大功能模块组成。根据不同功能的需求，又将生产运行状态监控模块 细分解成三个子程序模块：生产流程监控、工艺参数实时趋势监控和历史趋势监 控；将数据管理模块细分为四个子程序模块：生产任务设定、生产数据报表统计、 消息系统和生产数据记录备份；而系统安全管理模块由用户管理、权限设置和安 全关机三个子程序模块构成。监控主画面如图图2 4 所示： 图2 4 上位监控主画面 2 5 本章小结 本章主要介绍了课题所研究设计的机器人汽车冲压线的总体设计方案，并根 据冲压线的工艺要求，提出了相关的自动化解决方案。西门子产品带来的网络和 控制一体化，使得自动控制发展更为迅速。而工业机器人的应用更使得冲压线的 自动化程度和柔性大大提高。我们正是在吸收国外先进技术经验的同时，提出了 自己一些相关的自动化控制理念，使得高效率和低成本有机的结合在一起。 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用 第三章控制系统的通讯实现 第三章控制系统的通讯实现 本课题所设计的这条机器人汽车冲压流水线，是一条全自动化的汽车冲压 线。从铲车将板料放入垛料车至冲压件到成成品区，中间的生产过程不需要任何 的手工操作。如此高柔性、高自动化的制造系统，除了有先进的六轴机器人外， 它还得益于使用了现代化的通信与网络。本章将总体介绍该机器人冲压线的网络 结构，并分析它的具体通讯实现过程，针对课题的研究对象，提出一些适合的控 制网络模型。 3 1p r o f i b u s 现场总线 3 1 1 现场总线及其发展状况 i e c ( 国际电工委员会) 对现场总线( f i c l d b u s ) 的定义是“安装在制造和过 程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的 数据总线称为现场总线”1 3 1 。它是当前工业自动化的热点之一。现场总线以开放 的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替0 1 0 m a 或4 2 0 m a 现场电动仪 表信号。现场总线i o 集检验、数据处理、通信为一体，可以代替许多模拟仪表， 可以直接安装在现场导轨槽里。因此，现场总线是将自动化中底层的现场控制器 和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络。它遵循i s 0 的0 s i 开放系统互连 参考模型的全部或部分通讯协议。现场总线控制系统( f c s ) 则是用开放的现场 总线控制通讯网络将自动化底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时 网络控制系统。 利用现场总线构建的现场总线控制系统主要有以下特点： 1 ) 开放性和可互操作性。开放性意味f c s 将打破d c s ( 集散式控制系统) 大 型厂家的垄断，给中小企业发展带来平等竞争的机遇。可互操作性实现控制 产品的“即插即用”功能，从而使用户对不同厂家工控产品有更多选择余地； 2 ) 彻底的分散性。彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统 很容易进行重组和扩建，且易于维护； 3 ) 低成本。衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察系 统从安装调试到运行维护整个生命周期内的总投入。相对d c s 而言，f c s 开放的体系结构和0 e m 技术将大大缩短开发周期、降低开发成本。且彻底 分散的分布式结构将一对一模拟信号传输方式变为一对n 的数字信号传输 方式，节省了模拟信号传输过程中大量的a d 和d a 转换装置、布线安装 成本和维护费用。因此从总体上来看，f c s 的成本大大低于d c s 的成本。 可以说，开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的三大特征，它的出现 将使传统的自动控制系统产生划时代的变革，这场变革的深度和广度将超过历史 机器人汽车冲压线自动控制系统的设计研究与应用第三章控制系统的通讯实现 上任何一次变革，必将开创自动控制的新纪元。 由于历史的原因，现在有多种现场总线标准并存，i e c 的现场总线国际标准 ( i e c6 1 1 5 8 ) 是迄今为止制订时间最长、意见分歧最大的国际标准之一。它的 制订时间超过了1 2 年，先后进过9 次投票，在1 9 9 9 年底通过。经过多方的争执 和妥协，最后容纳了8 种互不兼容的协议，这8 种协议在i e c6 1 1 5 8 中分别为8 种现场总线类型： 类型1 ；原i e c6 1 1 5 8 技术报告，即现场总线基金会( f f ) 的h 1 ； 类型2 ：c o n t r o ln e t ( 美国r o c k w e l l 公司支持) ； 类型3 ：p r o f i b u s ( 德国西门子公司支持) ； 类型4 ：p n c t ( 丹麦p r o c e s sd a t a 公司支持) ； 类型5 ：f f 的h s e ( 高速以太网，美国f i s h e r r o s e m o u n t 公司支持) ； 类型6 ：s w i f tn e t ( 美国波音公司支持) ； 类型7 ：w o r l d f i p ( 法国a l s t o m 公司支持) ； 类型8 ：i n t e r b u s ( 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司支持) 。 由于类型的多样和制订标准的时间长，同时现场总线发展迅速，因此目前已 经开发出了4 0 多种的现场总线。其中最有影响力的有5 种：f f 、p r o f i b u s 、h a r t 、 c a n 和l o n w o r k s 。下面分别介绍这5 种总线【1 4 】： 1 、f ff o u n d a t i o nf i e l d b u s ( 现场基金会总线) 现场基金会总线由美国仪器协会( i s a ) 1 9 9 4 年推出，代表公司有h o n e y w e l l 和f i s h e r - r o s e m o u n t ，主要应用于石油化工、连续工业过程控制中的仪表。f f 的 特色是其通讯协议在i s 0 的0 s i 物理层、数据链路层和应用层3 层之上附加了用 户层，通过对象字典o d ( o b j e e td i c t i o n a r y ) 和设备描述语言d d l ( d e v i c e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 实现可互操作性。目前基于f f 的现场总线产品有：美国 s m a r t 公司生产的压力温度变送器，h o n e y w e l l & r o c k w e l l 推出的p r o c e s s l o g i x 系统，f i s h e r - r o s e m o u a t 推出的p l a n t w e h 。 2 、p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e i d b u s ) p r o f i b u s 是符合德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 9 的现场总 线，由德国s i e m e n s 公司于1 9 8 8 年推出，包括p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s - f m