實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人

在汽車及零部件制造業(yè)，使用工業(yè)機(jī)器人可以降低廢品率和產(chǎn)品成本，提高設(shè)備利用率，降低工人誤操作帶來的殘次零件風(fēng)險(xiǎn)等，收益明顯。機(jī)器人具有執(zhí)行高危任務(wù)的能力，平均故障間隔期達(dá)60 000 h以上，比傳統(tǒng)的自動(dòng)化工藝更先進(jìn)。

工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器及人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。從1962年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）、自動(dòng)化工廠（FA）及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動(dòng)化工具。

在奇瑞公司生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，使用有焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人和裝配機(jī)器人，數(shù)量較多的為FANUC、KUKA及COMAU等品牌機(jī)器人。下面以焊接機(jī)器人為例，談?wù)勂湓谄嫒疝I車生產(chǎn)線上的使用情況。

FANUC機(jī)器人在焊接線中的應(yīng)用

FANUC工業(yè)機(jī)器人主要用于奇瑞轎車的A系列平臺(tái)車型的焊接中，其技術(shù)特點(diǎn)主要包括：

在機(jī)械本體方面，采用關(guān)節(jié)型6自由度串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在1、2和3關(guān)節(jié)處為電動(dòng)機(jī)+RV減速器驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率相同；4、5和6關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)功率相同且相鄰呈L形放置。4軸傳動(dòng)鏈為電動(dòng)機(jī)+長(zhǎng)傳輸軸+直齒輪+RV減速器；5軸傳動(dòng)鏈為電動(dòng)機(jī)+長(zhǎng)傳輸軸+直齒輪+傳輸軸+錐齒輪+RV減速器；6軸傳動(dòng)鏈為電動(dòng)機(jī)+長(zhǎng)傳輸軸+直齒輪+傳輸軸+錐齒輪+直齒輪+錐齒輪+RV減速器。除5軸為減小體積RV減速器為特殊定做外，其他軸RV為標(biāo)準(zhǔn)系列；機(jī)器人2軸帶有雙彈簧平衡缸；主體采用條幅式鑄件（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、減輕重量）。

在電控系統(tǒng)方面，F(xiàn)ANUC控制系統(tǒng)采用典型的主從二級(jí)控制結(jié)構(gòu)，上位機(jī)包括主板、CPU及FROM/SRAM組件，負(fù)責(zé)控制器內(nèi)部及外圍設(shè)備的信號(hào)處理、交換。下位機(jī)——伺服卡與伺服放大器不僅提供伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)、抱閘信號(hào)，并且與絕對(duì)值編碼器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)裝換，與主控單元采用光纖傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)循環(huán)反饋。該機(jī)器人伺服放大器集中了6個(gè)軸的電動(dòng)機(jī)于一塊電路板上，造成一個(gè)放大器損壞需更換整個(gè)電路板的局面。FANUC機(jī)器人只有一個(gè)電源輸送單元供給控制箱內(nèi)各板卡，安全保護(hù)回路由變壓器直接向急停單元供電，并接入內(nèi)部各控制板卡形成保護(hù)回路，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電路保護(hù)。

FANUC工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)人機(jī)交互采用示教盒實(shí)現(xiàn)，軟件采用基于LINUX的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，代碼完全公開，只需嵌入式專家對(duì)其內(nèi)核進(jìn)行適量裁減，就可以獲得所需的功能系統(tǒng)，然后用LINUX結(jié)構(gòu)式語言編寫所需的應(yīng)用程序一起移植于嵌入式芯片中，因此其應(yīng)用程序圖形化功能弱，界面不友好，操作人員不易掌握，且對(duì)其進(jìn)行開發(fā)和升級(jí)困難。操作方面，在用FANUC示教盒操作時(shí)需要同時(shí)按住“DEADMAN”開關(guān)和“SHIFT”鍵以后，再點(diǎn)擊各個(gè)功能鍵操作。對(duì)于程序編寫可以在示教盒上直接編寫，也可以在其他計(jì)算機(jī)上編寫后通過CF卡接口讀入。

KUKA機(jī)器人在焊接線中的應(yīng)用

KUKA機(jī)器人主要用于奇瑞轎車B、T和S系列平臺(tái)車型的焊接，其技術(shù)特點(diǎn)主要包括：

在機(jī)械本體方面，采用關(guān)節(jié)型6自由度串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在1、2和3關(guān)節(jié)處為電動(dòng)機(jī)+RV減速器驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率相同；4、5、6關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)功率相同且相鄰呈L形放置。4軸傳動(dòng)鏈為電動(dòng)機(jī)+長(zhǎng)傳輸軸+直齒輪+RV減速器；5軸傳動(dòng)鏈為電動(dòng)機(jī)+長(zhǎng)傳輸軸+帶傳動(dòng)+傳輸軸+帶傳動(dòng)+RV減速器；6軸傳動(dòng)鏈為電動(dòng)機(jī)+長(zhǎng)傳輸軸+帶傳動(dòng)+傳輸軸+帶傳動(dòng)+錐齒輪+減速器；5軸和6軸傳鏈中有帶傳動(dòng)，且6軸未采用RV減速器，其他軸RV為標(biāo)準(zhǔn)系列。機(jī)器人2軸帶有雙彈簧平衡缸，主體采用封閉式鑄件。

在電氣系統(tǒng)方面，KUKA控制系統(tǒng)采用的是分布式控制結(jié)構(gòu)，工控機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的中樞部分，負(fù)責(zé)與主電源、安全回路、RDC及外圍設(shè)備進(jìn)行信號(hào)處理、交換，除標(biāo)準(zhǔn)配置外，還包括MFC卡（控制安全回路，非可屏蔽性中斷）和DSE-IBS卡（與RDC串口通信，輸出到KSD，實(shí)現(xiàn)三環(huán)控制）。KUKA伺服驅(qū)動(dòng)器（KSD）與工控機(jī)間采用INTERBUS總線方式通信，標(biāo)配為6個(gè)分散獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)控制6軸運(yùn)動(dòng)，柜內(nèi)最多可擴(kuò)展到8軸。KUKA ESC安全系統(tǒng)由主電源直接向ESC卡提供27 V直流電，并與工控機(jī)、示教器及外圍設(shè)備連接，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電路保護(hù)。KUKA主電源向各伺服驅(qū)動(dòng)器提供600 V電壓，輔助電源向工控機(jī)、安全模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)制動(dòng)及電池等模塊提供27 V直流電。

在人機(jī)交互方面KUKA機(jī)器人系統(tǒng)的人機(jī)交互除示教盒外，還可以外接顯示器和鍵盤、鼠標(biāo)等成為PC機(jī)。示教盒設(shè)外觀設(shè)計(jì)采用了近似于掌上PC的結(jié)構(gòu)，其軟件系統(tǒng)為KUKA與微軟公司合作開發(fā)的VX-Win操作系統(tǒng)，是將Windows與VxWorks結(jié)合開發(fā)的專用收費(fèi)軟件，類似于Windows，支持VC面向?qū)ο筌浖帉憫?yīng)用程序，界面友好、易掌握，開發(fā)和升級(jí)相對(duì)容易，使用成本高。

COMAU機(jī)器人在焊接線中的應(yīng)用

COMAU工業(yè)機(jī)器人主要用在奇瑞轎車的M、S系列平臺(tái)車型的焊接，其技術(shù)特點(diǎn)如下：

在機(jī)械本體方面，采用關(guān)節(jié)型6自由度串聯(lián)結(jié)構(gòu)，1軸電動(dòng)機(jī)和底座固定在一起，通過減速機(jī)和齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)，2、3軸為電動(dòng)機(jī)+RV減速器驅(qū)動(dòng)，1、2、3軸電動(dòng)機(jī)功率相同；4、5、6關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)功率相同且相鄰呈品字形放置。4軸傳動(dòng)鏈為電動(dòng)機(jī)+長(zhǎng)傳輸軸+直齒輪+RV減速器；5軸傳動(dòng)鏈為電動(dòng)機(jī)+長(zhǎng)傳輸軸+直齒輪+傳輸軸+錐齒輪+RV減速器；6軸傳動(dòng)鏈為電動(dòng)機(jī)+長(zhǎng)傳輸軸+直齒輪+傳輸軸+錐齒輪+直齒輪+錐齒輪+RV減速器。機(jī)器人2軸帶有雙彈簧平衡缸。大臂采用槽形鋼加勁板結(jié)構(gòu)的鑄造形式，且小臂是焊接件。

在電氣系統(tǒng)方面，COMAU工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，其RPU過程處理系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的主控制模塊，包括系統(tǒng)主處理器、運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器，以主從控制的方式進(jìn)行工作處理，完成I/O和現(xiàn)場(chǎng)總線管理、運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器人程序執(zhí)行。COMAU DSA數(shù)字伺服放大器通過機(jī)器人接口模塊反饋編碼器信號(hào)，與運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器間通過Internet進(jìn)行通信，提供伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源和抱閘電源，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。COMAU RSM安全保護(hù)系統(tǒng)與過程處理系統(tǒng)、系統(tǒng)通信模塊及外圍設(shè)備等單元進(jìn)行安全信號(hào)通信，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的安全保護(hù)。COMAU DPP電源分配系統(tǒng)向輔助電源和數(shù)字伺服放大器提供主動(dòng)力電源。APS輔助電源向數(shù)字伺服放大器、過程處理系統(tǒng)及系統(tǒng)通信模塊等單元提供24 V直流電源，并通過系統(tǒng)通信模塊向安全模塊提供24 V直流電源。

在人機(jī)交互方面，COMAU使用與KUKA相同的操作系統(tǒng)，示教盒外觀設(shè)計(jì)類似FANUC機(jī)器人，但操作更舒適，采用圖形化操作界面，易掌握。在操作上COMAU機(jī)器人“DEADMAN”附有二級(jí)開關(guān)，一般人按到一級(jí)開關(guān)便可以示教，按到二級(jí)開關(guān)是對(duì)機(jī)器人外部設(shè)備安裝的檢測(cè)，如果已安裝后按到二級(jí)開關(guān)就會(huì)出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象。該系統(tǒng)可以外接顯示器和鍵盤、鼠標(biāo)構(gòu)成一臺(tái)PC機(jī)，可以在上面進(jìn)行編程、調(diào)試和設(shè)置等工作。

實(shí)際應(yīng)用中存在的問題

在實(shí)際生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)器人焊接故障出現(xiàn)的比例最高，導(dǎo)致此故障的種類很多，軟件上包括控制程序指令丟失、失效，硬件上包括編碼器位置反饋錯(cuò)誤、焊鉗故障及伺服電動(dòng)機(jī)故障等。以FANUC為例，這類故障約占82%。伺服故障偶爾發(fā)生，大部分原因是轉(zhuǎn)矩超高報(bào)警，約占5%?？偩€網(wǎng)絡(luò)故障，包括網(wǎng)絡(luò)組線程序出錯(cuò)，PLC發(fā)生內(nèi)部故障以及PROFIBUS總線出錯(cuò)等，約8%左右。工業(yè)機(jī)器人無作業(yè)由于內(nèi)部運(yùn)動(dòng)函數(shù)插補(bǔ)失敗，控制程序失效，外部信號(hào)丟失沒有發(fā)給機(jī)器人控制程序等，約5%。

這些問題會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)延誤生產(chǎn)，造成重大損失。它們的發(fā)現(xiàn)和排除，有的需要廠家專業(yè)人員，有的需要從國(guó)外進(jìn)口配件，有的需要大量庫存。

針對(duì)以上問題，作為設(shè)備維護(hù)人員也要充分發(fā)揮自己的能動(dòng)性，做大量的改善工作。在減少焊接故障方面，維護(hù)人員對(duì)電纜、管路等加裝保護(hù)裝置；在信號(hào)干擾方面，對(duì)干擾源進(jìn)行排查、進(jìn)行隔離，同時(shí)，對(duì)線纜布線進(jìn)行整改，故障率可大大降低。

結(jié)語

隨著我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，制造業(yè)，特別是汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)將愈來愈激烈，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率將是企業(yè)在激烈競(jìng)爭(zhēng)中獲勝的關(guān)鍵因素之一。大量使用性價(jià)比高的工業(yè)機(jī)器人，在提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率的同時(shí)可減少人力，降低生產(chǎn)成本，將是我國(guó)制造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。(end)