吳超群，姜尚文，王本志，張軍威

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070；2.北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100000)

0 引言

鈦合金憑借其材料利用率高、可成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的技術(shù)工藝優(yōu)勢(shì)，在航空航天領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。為保證產(chǎn)品安全使用，對(duì)產(chǎn)品中的缺陷進(jìn)行定性、定量、定位檢測(cè)是必不可少的[1-3]。

傳統(tǒng)的鈦合金鑄件缺陷檢測(cè)方法采用人工輔助擺放工件和膠片以配合射線機(jī)進(jìn)行拍攝的形式。這種方法由于零件檢測(cè)位置較多，人工輔助更換拍攝部位時(shí)需開(kāi)關(guān)鉛門(mén)進(jìn)入射線機(jī)房進(jìn)行擺放，造成效率低下、拍攝效果一致性不好，同時(shí)存在膠片成本較高等一系列問(wèn)題。

多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)有工作空間可擴(kuò)展、工作效率高和運(yùn)動(dòng)靈敏性好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)提高工業(yè)自動(dòng)化與柔性，實(shí)現(xiàn)智能制造具有重要意義[4-5]。本文提出了一種多機(jī)器人協(xié)作配合數(shù)字射線成像(DR)的檢測(cè)方法?；跈C(jī)器人及其控制柜，通過(guò)對(duì)其硬件系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成了針對(duì)某航空部件的全自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，加快了生產(chǎn)節(jié)拍，降低了檢測(cè)成本，保證了檢測(cè)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)某種航空部件，系統(tǒng)的整體布局包括：PLC操作臺(tái)、IRB6700機(jī)器人、機(jī)器人控制柜、X射線機(jī)、IRB1200機(jī)器人、DR成像板、過(guò)渡工裝臺(tái)、工裝小車(chē)、自動(dòng)鉛門(mén)。機(jī)器人采用ABB公司IRB6700-200/2.6機(jī)器人和IRB1200-7/0.7機(jī)器人，是動(dòng)作執(zhí)行的主要部分；X射線機(jī)和DR成像板是拍攝執(zhí)行的主要部分；6700機(jī)器人末端裝有工件夾持機(jī)構(gòu)用來(lái)抓取工件，1200機(jī)器人末端裝有真空發(fā)生器，用來(lái)吸取像質(zhì)計(jì)；系統(tǒng)自動(dòng)完成不同型號(hào)工件的識(shí)別、抓取、擺放位姿，并吸取對(duì)應(yīng)型號(hào)的像質(zhì)計(jì)進(jìn)行拍照檢測(cè)、下料等工藝過(guò)程。

具體的檢測(cè)工藝流程為：操作工在工裝小車(chē)上上料完畢后，點(diǎn)擊開(kāi)始，此時(shí)6700機(jī)器人從工裝小車(chē)上自動(dòng)抓取工件到DR成像板上的拍照部位，然后發(fā)送信號(hào)讓1200機(jī)器人吸取像質(zhì)計(jì)放置到工件對(duì)應(yīng)的位置，蜂鳴器發(fā)出響聲提示拍照，拍照完成后，1200機(jī)器人撤回，然后發(fā)信號(hào)給6700機(jī)器人抓取工件進(jìn)行下一個(gè)姿態(tài)的拍照，直至所有位置全部檢測(cè)完成，IRB6700機(jī)器人抓取工件放回工裝小車(chē)進(jìn)入下一個(gè)零件的檢測(cè)。

1.1 機(jī)器人配置

(1)夾持工件的機(jī)器人選用IRB6700-200/2.6，考慮以下三個(gè)因素：①鈦合金鑄件重量較重，同時(shí)滿(mǎn)足工廠日后更換其他產(chǎn)品的需求；②機(jī)器人需從工裝小車(chē)抓取工件至DR板上，工作范圍廣。③IRB6700機(jī)器人性?xún)r(jià)比高，是150～300kg負(fù)載等級(jí)中性能最好且總體擁有成本最低的機(jī)器人。

(2)吸取像質(zhì)計(jì)的機(jī)器人選用IRB1200-7/0.7，考慮以下三個(gè)因素：①像質(zhì)計(jì)重量較輕，在工作過(guò)程中需要快速移動(dòng)；②機(jī)器人吸取像質(zhì)計(jì)只需在DR板區(qū)域內(nèi)進(jìn)行活動(dòng)，工作范圍?。虎跧RB1200機(jī)器人體積小，工作范圍滿(mǎn)足使用需求，同時(shí)能將節(jié)拍時(shí)間縮短10%[5]。

機(jī)器人配置及參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)器人配置

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)工件的檢測(cè)工藝要求，對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)需要的I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行了分析如下：數(shù)字量輸出包括氣缸、真空發(fā)生器等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；數(shù)字量輸入包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的應(yīng)答、行程開(kāi)關(guān)、氣源反饋、真空反饋等信號(hào)；模擬量輸入為氣缸上位移傳感器信號(hào)。

整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，在該控制系統(tǒng)中，外部設(shè)備的控制主要由機(jī)器人控制柜來(lái)完成，PLC的主要作用為實(shí)現(xiàn)PLC與機(jī)器人之間的通訊，監(jiān)視機(jī)器人狀態(tài)。選用CX9020嵌入式控制器，并在控制器上擴(kuò)展Profinet接口，將兩臺(tái)機(jī)器人控制柜的Profinet從站接口通過(guò)交換機(jī)連接到CX9020控制器擴(kuò)展的Profinet接口上，即實(shí)現(xiàn)了PLC與機(jī)器人之間的通訊。由于IRC5控制柜配備的I/O板中沒(méi)有模擬量輸入，因此在DeviceNet總線下擴(kuò)展了由DeviceNet耦合器BK5250、模擬量模塊KL3062和末端端子模塊KL9010模塊組成的模擬量輸入模塊?？刂葡到y(tǒng)以機(jī)器人控制柜為主體，模擬量和數(shù)字量擴(kuò)展模塊通過(guò)自帶的通信端口依次連接，各信號(hào)均采用隔離措施，模擬量采用光電隔離，數(shù)字開(kāi)關(guān)量采用繼電器隔離，確保系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行[6-7]。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)原理圖

2 多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

2.1 多機(jī)器人協(xié)作通信方案設(shè)計(jì)

多機(jī)器人協(xié)作通信方案如圖2所示。

(1)如圖2示，所有的Node地址不能重復(fù)，且Node的地址范圍為0～63。

(2)在主站和從站中各建一張?zhí)摂M板，類(lèi)型分別為DN_SLAVE、DN_Internal_SLAVE。這兩種類(lèi)型板上的信號(hào)交互相通。

在6700機(jī)器人DN_SLAVE上添加一個(gè)信號(hào)doA1(Address：0)，1200機(jī)器人DN_Internal_SLAVE上添加一個(gè)信號(hào)diB1(Address：0)。那么：doA1=1時(shí)diB1=1；doA1=0時(shí)diB1=0。

(3)6700機(jī)器人的DN_SLAVE類(lèi)型板的地址必須與1200機(jī)器人的DN_MasterAddress一樣。

(4)DN_Internal_SLAVE類(lèi)型的板沒(méi)有設(shè)置選項(xiàng)地址，其地址在示教器的I/O單元中，查看到和該機(jī)器人的DeviceNet插卡地址一樣。如圖2所示地址為3。

圖2 雙機(jī)器人通信方案

2.2 多機(jī)器人在工藝過(guò)程中的協(xié)同控制

在檢測(cè)工藝過(guò)程中，多機(jī)器人協(xié)同控制程序主要分為三大部分：

(1)初始化程序。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)首先要進(jìn)行初始化，初始化主要包括張開(kāi)抓手、關(guān)閉真空發(fā)生器、將錯(cuò)誤代碼清零、開(kāi)啟氣源氣壓檢測(cè)中斷，若在工作過(guò)程中氣源氣壓不正常則系統(tǒng)停止并發(fā)出警報(bào)，防止因掉氣而造成危險(xiǎn)。

(2)狀態(tài)檢查程序。當(dāng)系統(tǒng)初始化后需要對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢查來(lái)判斷系統(tǒng)是否能夠運(yùn)行，包括氣壓是否正常、工裝小車(chē)是否定位、抓手是否張開(kāi)、真空發(fā)生器是否關(guān)閉、DR設(shè)備是否連接成功。

(3)檢測(cè)程序。單個(gè)工件檢測(cè)工藝過(guò)程中6700機(jī)器人與1200機(jī)器人相互協(xié)作和信號(hào)交換的流程圖如圖3所示。

圖3 多機(jī)器人協(xié)作流程圖

2.3 多機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)控制

(1)工件夾持機(jī)構(gòu)安裝在6700機(jī)器人6軸末端，由平行氣缸和導(dǎo)軌組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)功能：①抓取和放置工件；②判斷零件型號(hào)；③判斷抓手狀態(tài)。6700機(jī)器人與工件夾持機(jī)構(gòu)之間的控制流程圖如圖4所示。

(2)像質(zhì)計(jì)夾持機(jī)構(gòu)由吸盤(pán)、真空發(fā)生器、真空反饋器組成，安裝在1200機(jī)器人末端。采用吸盤(pán)吸取，實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)功能：①吸取檢測(cè)部位對(duì)應(yīng)像質(zhì)計(jì)；②判斷像質(zhì)計(jì)是否掉落。1200機(jī)器人與吸盤(pán)夾持機(jī)構(gòu)之間的控制流程圖5所示。

圖4 工件夾持機(jī)構(gòu)控制流程圖

圖5 像質(zhì)計(jì)夾持機(jī)構(gòu)控制流程圖

2.4 人機(jī)交互界面控制

本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了4個(gè)人機(jī)交互界面，分別為故障信息界面、當(dāng)班產(chǎn)量界面、主界面、安全門(mén)界面，其中主界面，如圖6所示。

圖6 HMI界面

主界面主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的開(kāi)和關(guān)，拍照確認(rèn)以及檢測(cè)功能的選擇；故障信息界面可以查看當(dāng)前和歷史報(bào)警記錄，根據(jù)提示的故障解決方法來(lái)排除故障，恢復(fù)運(yùn)行；當(dāng)班產(chǎn)量界面顯示不同型號(hào)的工件已檢測(cè)的個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)報(bào)表能以EXCEL的格式保存數(shù)據(jù)；安全門(mén)界面可選擇鉛門(mén)開(kāi)、關(guān)、停來(lái)控制鉛門(mén)，代替了傳統(tǒng)的人工開(kāi)關(guān)門(mén)[8-9]。

3 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)際工況要求和檢測(cè)工藝，完成了對(duì)X射線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建；采用兩臺(tái)6軸機(jī)器人協(xié)作，自由度高、工作空間大，節(jié)拍快，能夠滿(mǎn)足不同拍攝位置姿態(tài)與不同產(chǎn)品檢測(cè)的需求；解決了檢測(cè)過(guò)程中的檢測(cè)質(zhì)量不穩(wěn)定、成本高等問(wèn)題，使單件產(chǎn)品的檢測(cè)效率提高了60%。該系統(tǒng)現(xiàn)已穩(wěn)定運(yùn)行半年，各項(xiàng)技術(shù)達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)需求，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的安全、穩(wěn)定與高效，為傳統(tǒng)X射線檢測(cè)機(jī)房的自動(dòng)化改造以及企業(yè)向智能制造的轉(zhuǎn)型提供了一種可行的設(shè)計(jì)思路和范例參考。