張艷清，郭大川

(北京奔馳汽車有限公司，北京 100176)

北京奔馳汽車有限公司作為汽車行業(yè)的佼佼者，始終以品質為核心，以智能制造與綠色制造為雙擎，為了使自身高質量發(fā)展更好的助力首都汽車工業(yè)持續(xù)向高精尖轉型，引進了大批先進的智能化設備。作為智能化設備的代表，機器人對生產制造業(yè)的發(fā)展起著至關重要的作用，機器人技術已成為衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端生產制造水平的重要指標。傳統(tǒng)的工業(yè)機器人在使用過程中為了保證在機器人可達范圍內人員的安全，通常會根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境及工藝要求設定相應的安全區(qū)以及安全防護欄，將人與工業(yè)機器人徹底分開。這樣不僅占用了大量的空間，產生了防護性設備預算，還大大降低了人機協(xié)作程度。根據(jù)現(xiàn)場某些工位的工藝復雜程度，傳統(tǒng)的工業(yè)機器人已經(jīng)無法滿足實際生產需求，此時，引進柔性化機器人來實現(xiàn)生產過程中人機協(xié)作顯得至關重要。

目前柔性化機器人的出現(xiàn)有效地解決了生產線對人機協(xié)作的需求，例如KUKA LBR IIWA智能型工業(yè)作業(yè)助手是一款量產的靈敏型機器人，該機器人通過關節(jié)力矩傳感器可立即識別接觸并降低力和速度，通過位置和緩沖控制來實現(xiàn)人機協(xié)作；發(fā)那科公司推出的一款全新協(xié)作機器人，負載可達到35 kg，該款機器人無須設立安全防護欄，人與機器人可共同在某一工位進行協(xié)作；優(yōu)傲公司提供的UR10機器人專為更大型的、對精確性和可靠性仍然有高要求的作業(yè)所設計，該機器人系統(tǒng)編程簡單，設置快捷，具備協(xié)作性與安全性。

為了盡快實現(xiàn)人機協(xié)作，裝焊車間引進了基于UR10機器人的涂膠系統(tǒng)，并針對涂膠系統(tǒng)的整體結構、軟件設置以及涂膠系統(tǒng)的搭建與測試情況進行介紹。

1 涂膠系統(tǒng)的整體結構

基于UR10機器人的涂膠系統(tǒng)主要是以UR10機器人手臂作為執(zhí)行機構，機器人控制箱作為系統(tǒng)的主控單元，SCA涂膠頭作為系統(tǒng)工具，涂膠控制器和膠泵為該系統(tǒng)的動力機構。圖1為基于UR10機器人涂膠系統(tǒng)的結構。

圖1 涂膠系統(tǒng)結構示意圖

1.1 UR10機器人系統(tǒng)

UR10機器人系統(tǒng)主要包括UR10機器人、機器人控制器、UR示教器以及相關線纜。近些年，UR機器人在車企中得到了越來越廣泛的應用，主要優(yōu)點如下：

機器人各關節(jié)運動范圍大：UR協(xié)作機器人的各關節(jié)運動范圍為±360°，在整個空間工作范圍為一個球體，工作區(qū)域無死角，可以實現(xiàn)任意安裝方式。

通信方式多樣化：UR機器人支持Profinet、TCP/IP、Ethernet 、ModBusTCP及I/O的通信方式，可以與大多數(shù)PLC及上位開發(fā)軟件進行通信。

重復定位精度高、運行速度快：UR機器人的重復定位精度能達到±0.03mm，對于精密組裝更加適合。機器人運行的最大線速度能夠達到2.5 m/s,穩(wěn)定性好，故障率低。

安全設置方面：擁有15個高級安全配置功能 符合：EN ISO 13849:2008 PL d, EN ISO10218-1:2011,clause5.4.3, ISO/TS 15066標準。

接下來對UR10機器人本體、機器人控制器以及機器人示教器進行介紹。

1.1．1 UR10機器人

UR10機器人主要由六個機器人關節(jié)和兩根鋁管組成，機器人的機座與機器人的工具相連，機器人允許工具能夠在機器人工作空間平移和旋轉，能夠滿足現(xiàn)場涂膠工藝需求。表1是UR10機器人的技術參數(shù)。

1.2.2 機器人控制器

機器人控制器作為機器人系統(tǒng)的控制單元，內部含有存儲卡并存儲機器人工藝程序，內部的驅動主板通過線纜對機器人本體6個軸進行驅動。此外，控制器通過通信接口與上位機連接，同時通過I/O接口與外圍子站進行信號交互，從而完成工藝作業(yè)。

1.2.3 機器人示教器

機器人示教器作為機器人系統(tǒng)的人機界面，可以根據(jù)實際需求完成通信參數(shù)設定以及對現(xiàn)場工藝作業(yè)進行編程，也可以通過人機界面查看實際報錯信息等。另外，示教器上還配有安全急停按鈕，可以在緊急情況下進行使用。

表1 UR10機器人技術參數(shù)

1.2 SCA膠泵系統(tǒng)

膠泵系統(tǒng)由德國SCA公司提供，主要由氣動泵、控制單元、加熱單元、涂膠工具等組成。該膠泵系統(tǒng)可實現(xiàn)最大允許膠料壓力350 Bar，最大膠料加熱溫度100℃，最大氣源壓力6 Bar，壓比57∶1。

根據(jù)實際工藝要求，使用適用于UR機器人的自動涂膠工具，涂膠工具主要包括氣缸、閥針、加熱單元、密封潤滑單元以及涂膠嘴。

1.3 放件臺

工件放件臺主要是用于加工人放置工件，由于MFA項目涉及五款車型，故在設計該放件臺時必須考慮到工件的防錯問題。為了解決該問題，設計方面主要依靠不同的定位塊進行區(qū)分，若加工人取錯工件時，便無法放進指定位置。根據(jù)物種車型，放件臺上裝有5個按鈕，每個按鈕代表一種車型。加工人放完工件后，根據(jù)所放置工件所屬車型，選擇按下相應車型按鈕，此時機器人會收到信號，調取相應車型的機器人程序，帶動涂膠工具進行該車型的涂膠工藝。放件臺上每個車型位置都配有三個光電傳感器，主要用于檢測工件是否到位以及工件是否被取走，機器人根據(jù)傳感器的狀態(tài)判斷是否進行下一個工藝循環(huán)。圖2為該系統(tǒng)所使用的機器人涂膠工具和涂膠放件臺：

圖2 涂膠工具和放件臺

2 電氣方案

基于UR10機器人的涂膠系統(tǒng)采用了UR機器人系統(tǒng)，SCA涂膠系統(tǒng)以及放件臺。UR10機器人主要由220 V 50 Hz的主電源進行供電，涂膠控制柜主要由220 V電源供電。由于放件臺上有選擇車型的按鈕，每種車型放件位置均有三個感應工件的光電傳感器，而UR10機器人只有8路通用數(shù)字I/O，無法滿足現(xiàn)場工藝需求，為了解決上述問題，在電氣方案設計上專門使用了擴展數(shù)字量I/O模塊，該模塊通過Modbus通信協(xié)議與機器人控制柜相連，使用I/O信號傳輸?shù)姆绞脚c放件臺上傳感器進行信號交互。圖3是本涂膠系統(tǒng)的電氣設計圖。

圖3 涂膠系統(tǒng)電氣設計圖

3 軟件設置

UR機器人的軟件設置主要在PolyScope機器人用戶界面進行。PolyScope以層級結構的形式來組織各個屏幕畫面，主要涉及運行程序、機器人編程、設置機器人、關閉機器人。在編程環(huán)境中，屏幕以選項卡的形式組織排列以便于訪問。本部分主要講述I/O配置、安全配置以及機器人軌跡程序的編輯。

3．1 I/O配置

UR機器人主要通過PolyScope界面中I/O模塊對各個信號點進行設置，并根據(jù)設計的電路圖紙，對使用的I/O信號點進行硬線連接。本課題針對I/O信號點的分配主要用于車型的區(qū)分以及涂膠閥的控制，DI3～DI7五個輸入信號點分別對應五種車型的輸入按鍵，DO3～DO7五個輸出信號分別接于按鍵指示燈，DO1用于涂膠閥的開啟，同時為了便于信號點的監(jiān)控，在I/O配置界面里對每一個使用到的信號點進行注釋編輯。

3.2 安全配置

UR機器人系統(tǒng)擁有一套高級安全系統(tǒng)，安全系統(tǒng)的設置必須在確保機器人周邊的所有人員和設備安全的情況下進行配置，可以通過安全配置界面設置機器人手臂的最大力、功率、速度以及動量。根據(jù)現(xiàn)場工藝需求該系統(tǒng)對機器人TCP移動速度設定為250 mm/s，并對速度進行實時監(jiān)控，當機器人運行速度超過了速度設定值，機器人就會以1類停機方式停止運行。1類停機是UR機器人在驅動電源開啟的情況下對機器人減速，使機器人在不偏離當前路徑的情況下停止。

外部急停功能實現(xiàn)主要是將雙通道外部急停按鈕連接至安全輸入點，A通道正負極接于管腳24 V和SI0，B通道正負極接于管腳24 V和SI1。當遇到緊急情況時，按下急停按鈕，機器人會以1類停機方式停止運行。

3.3 機器人運動編程

機器人程序編程主要通過PolyScope軟件完成，并根據(jù)上件臺上的車型選擇按鈕選擇需要涂膠的車型，機器人收到該信號后進入相應車型主程序，為了進行新車型涂膠工藝，機器人先將上一個循環(huán)信號點復位，然后通過If分支語句以及上件臺上接收到的工件感應傳感器信號進行車型核實，車型準確無誤后，機器人開始進行涂膠。涂膠過程中如果發(fā)生碰撞，達到了設定最大碰撞力時，機器人會立即停止，加工人確認該工位無安全風險時，可以選擇繼續(xù)涂膠還是直接回HOME位置。圖4為涂膠系統(tǒng)流程圖(圖4)。

圖4 為涂膠系統(tǒng)流程圖

3．3．1 運動程序

UR機器人涂膠軌跡指令主要使用了指令MoveL (該指令下的路點均執(zhí)行直線軌跡)、MoveJ (該指令下的路點按照機器人內部計算執(zhí)行最短路徑)，機器人開始涂膠時先通過指令MoveJ移動至目標點Car1_P1，此時依靠指令“等待 Car1_BG11=TRUE and Car1_BG12=TRUE and Car1_BG12=TRUE”確定機器人是否收到上件臺Car1三個感應工件傳感器信號。根據(jù)涂膠工藝要求，涉及的涂膠工藝均為直線運動軌跡，故通過MoveL指令完成，為了使工藝軌跡準確，通過指令“Set_payload(4.5[0.07,-0.25,-0.3])”補償機器人工具負載引起的微小偏差。在指令MoveL下方插入Car1_P2，機器人移至該路點時，執(zhí)行指令“設置Doser_open=TRUE” 開啟涂膠閥，機器人沿涂膠軌跡路點Car1_P3，Car1_P4，Car1_P5完成涂膠工藝。并通過指令“設置Doser_open=FALSE”關閉涂膠閥，機器人通過指令MoveJ回至路點HOME位置。

3．3．2 人機協(xié)作受力設定

人機協(xié)作是本課題的一大亮點，機器人正常工作過程中與加工人進行協(xié)作時，難免會由于人員的誤動作導致與機器人相撞，為了保證人員安全以及更好地實現(xiàn)人機協(xié)作，對UR機器人各個軸關節(jié)角度進行監(jiān)控，每個關節(jié)角度范圍為±363°。正常生產涂膠過程中，機器人穿過上件臺窗口對工件進行涂膠，此時工藝需要涂膠另外一種車型時，加工人會在機器人涂膠過程中去上另一個工件，這樣機器人與人可能發(fā)生碰撞風險。根據(jù)現(xiàn)場工藝實際需求，加工人在放件臺另一側上工件，圖5為現(xiàn)場UR機器人涂膠工位示意圖。

圖5 UR機器人涂膠工位示意圖

通過圖5可以看到，機器人在正常工作過程中，通過上件臺窗口進入上件臺并開始涂膠工藝，由于隔板的視覺障礙，加工人肩部以上部位如額頭、頸部、臉等很難與機器人存在干涉，加工人上件過程中最容易與手及手臂發(fā)生碰撞， 風險非常高。根據(jù)2016年2月份由國際標準化組織(ISO)正式出版的ISO/TS 15066機器人和機器人裝置.協(xié)作機器人中附錄A表A.2人體部位受力極限的規(guī)定，設定UR機器人碰撞力時主要參考手臂及手的受力極限，具體受力極限如表2所示：

表2 人體部位受力極限

結合上述表格及涂膠工位示意圖，設定UR機器人碰撞受力時主要以手臂部位受力極限作為參考，故該受力≤150 N，由于機器人法蘭測固定著膠槍，機器人正常工作時需帶動膠槍及膠管進行涂膠，若該設定值過小，那么機器人感受力時會很敏感，嚴重影響生產。綜合考慮，將機器人感應力設定為150N。

4 涂膠系統(tǒng)的搭建與測試

基于UR10機器人涂膠系統(tǒng)，北京奔馳在前驅車裝焊車間左右側圍工位各自搭建了一套系統(tǒng)。搭建完成后，對該系統(tǒng)進行了涂膠工藝測試、碰撞檢測測試以及人機協(xié)作測試等工作，將系統(tǒng)成功應用到了現(xiàn)場。

4.1 涂膠工藝測試

根據(jù)現(xiàn)場涂膠工藝要求，側圍膠條寬度為2.00 mm，誤差允許范圍±0.10 mm，本測試連續(xù)生產50套工件，從中抽取5套工件對膠條寬度進行測量，測量結果如下：2.03 mm、2.01 mm、1.96 mm、2.05 mm、1.95 mm。經(jīng)過驗證，該系統(tǒng)完全符合工藝要求。

4.2 碰撞檢測測試

機器人正常運行過程中，加工人用手觸碰機器人，當機器人受力達到設定值150 N時，就會以1類停機模式停止運行，并通過I/O模塊向膠槍閥發(fā)出關閉信號，涂膠立刻停止。與此同時，機器人示教器顯示出對話框提醒加工人機器人受到碰撞，這時加工人需確定現(xiàn)場安全無問題便可在示教器上點擊復位，機器人自動回HOME位置，等待下一個工件。

4．3 人機協(xié)作測試

生產過程中，機器人可能被外部因素打斷而停止運行，有時停止位置很難依賴于編輯好的程序回HOME位置，這時就需要人為干預將機器人移至初始位置。人機協(xié)作測試需要加工人在機器人正常運行時觸碰機器人并停止運行，此時，加工人可以用手沿著加工人設定的任意軌跡將機器人移至HOME位置，從而實現(xiàn)人機協(xié)作。

5 結 論

通過對優(yōu)傲機器人及SCA涂膠設備研究，提出了一種基于UR10機器人的涂膠系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場工藝需求，完成了搭建與調試工作，并對系統(tǒng)進行了涂膠工藝測試、碰撞檢測測試以及人機協(xié)作測試，最后成功應用到了現(xiàn)場。北京奔馳裝焊車間已經(jīng)擁有了智能化生產線，作為智能化設備的代表，UR機器人有著非常重要的應用價值和市場價值，更重要的是將利舊產品SCA涂膠系統(tǒng)與UR機器人系統(tǒng)相結合，充分體現(xiàn)了北京奔馳汽車有限公司“走向卓越2025”的戰(zhàn)略目標。