双机器人柔性压紧控制系统设计

贾 冬

（中国航空制造技术研究院机器人系统集成中心，北京100024）

在飞机机身壁板的蒙皮与长桁T型接头激光焊接过程中，需要将长桁T型接头与蒙皮压紧，使两者在水平和垂直方向上达到工艺要求。传统的压紧方式是使用固定的工装，如图1所示。这种压紧方式虽然可靠，但是每一种工装仅可以对一种工件的固定。而机身壁板焊接件在研制时，焊接件具有批量小，品种多的特点。使用固定工装会消耗大量的资金，并且固定卡具的制作加工周期也比较长。

图1 传统的压紧装置

因此，设计一种柔性的压紧工装是十分必要的。文献[1-4]从理论和设计角度出发，对压紧工装进行了研究。

本文首先介绍了由双库卡机器人、压紧末端执行器、外部控制器组成的T型接头压紧系统。然后介绍了压级系统控制系统的设计。然后对机器人和外部控制器进行通信配置，设计了机器人控制系统与外部控制器的通信协议，并设计了机器人和外部控制器的通信程序。最后，通过实验，验证了机器人离线编程数据传输可靠性；在双机器人程序同步运行的情况下，实现了对T型长桁模拟件的压紧和夹紧功能。

1 双机器人压紧系统设计

双机器人压紧系统由两台库卡机器人KR360 R2830，压紧末端执行器，集成控制台组成。压紧末端执行器包括双夹紧装置，双压紧装置组成。每个夹紧装置由两对四个导向轮、以及相对应的驱动气缸组成。夹紧装置保证T型长桁在水平方向上与保持焊接时所需要的姿态。压紧装置由两个压紧导向轮以及相对应的驱动气缸组成，压紧装置是T型长桁在垂直方向上保证焊接要求的姿态。压紧末端执行器如图2所示。

图2 机器人压紧末端执行器置

1.1 机器人压紧控制系统设计

机器人压紧控制系统由集成控制台内的工控机、机器人控制柜以及机器人控制柜内的IO模块组成。机器人控制系统为KRC4，机器人控制柜内的X44扩展接口通过EtherCAT总线耦合器EK1100连接。EK1100后面安装EL6695模块和IO数字量模块。EL6695模块是机器人与外部控制系统TwinCAT3数据交换的桥接模块，数字量IO模块用于实现压缩空气气压监测，以及压紧末端执行器的压级、夹紧控制。

1.2 KRC4与TwinCAT3的通信配置

机器人控制系统KRC4与TwinCAT3通过EL6695来实现数据交换，数据交换的类型只能是整数型。由于机器人的工作半径是2 832 mm，坐标值精度为小数点后两位，因此，交换数据的长度定位为32位。在库卡机器人项目配置软件WorkVisual中，配置EL6695模块的输入/输出变量为32个DWORD型数据。

TwinCAT3向机器人控制系统KRC4发送的内容包括：离线编程生成的机器人工具坐标轨迹、双机器人系统控制同步信号，以及库卡机器人外部运行所需要的控制信号等。

机器人控制系统KRC4向TwinCAT3发送的内容包括：机器人接受数据的控制信号，机器人接收离线编程数据定位，双机器人控制系统的同步控制信号等。

1.3 机器人与TwinCAT3数据通信设计

机器人控制器指令执行是逐步执行，而Twin－CAT3系统中语句指令是逐行扫描，周期性刷新，两者的指令执行周期没有固定的关系。两个控制器通信方式设计为：机器人控制系统请求数据通信，TwinCAT3响应。以TwinCAT3向机器人控制系统发送离线编程数据为例，流程图如图3所示。

图3 离线编程数据传输

本文应用两个机器人与TwinCAT3系统通信，实现了两个机器人之间的程序的同步控制，其原理是每个机器人运行每一步程序前，都向TwinCAT3系统发送程序运行到达的信号，当TwinCAT3系统根据两个机器人程序信号，发送下一步程序开始的控制信号，当机器人末端执行器由初始点运行至压紧工件位时，机器人发送压紧控制信号给TwinCAT3控制系统，其控制流程如图4所示。

图4 双机器人同步控制

1.4 程序设计

双机器人压紧控制系统的程序设计包括Twin－CAT3程序、以及机器人程序三部分。

TwinCAT3程序设计主要实现机器人末端执行器动作逻辑运算、向机器人控制系统传输离线编程数据，控制两个机器人程序同步运行。关键程序代码如下所示：

varRobotcounter：=getcounter（varRobotRequest）；//获取机器人传输的第几个点

IF varRobotcounter>0 THEN

robotReq： =getFlagStatus （varRobotRequest，robotReqFlag）；

IF robotReq THEN

posCounter：=varRobotcounter；

varOUTX：=robotXPos[posCounter]；

varOUTY：=robotXPos[posCounter]；

varOUTZ：=robotXPos[posCounter]；

varOUTA：=robotXPos[posCounter]；

varOUTB：=robotXPos[posCounter]；

varOUTC：=robotXPos[posCounter]；

varRobotAck：=1；//传输完成

End_if

Robot1Start：=SetRobot1Start（robot1PrjEnd）；

//机器人1程序第N条语句执行完毕

Robot2Start：=SetRobot1Start（robot2PrjEnd）；

//机器人2程序第N条语句执行完毕

If Robot1Start=Robot2Start then

Robot1Start：=setRobotPrgStart（robot1Start）；

//机器人1程序第N+1条语句执行

Robot2Start：=setRobotPrgStart（robot2Start）；

//机器人2程序第N+1条语句执行

机器人程序主要实现压紧末端执行器运行轨迹的。机器人的程序如下所示，机器人首先由执行PTP P18指令，使机器人待机位置，然后与TwinCAT3进行数据通信，获取离线编程坐标点，其中，变量varinx，variny，varinz，varina，varinb，varinc，分别是各个点与P18点的差值。因为传输数据的格式只能是整数形式，所以需要将数据处理，乘以0.01.机器人程序获取离线编程数据后，通过wait for等待Twin－CAT 3发送的第一条同步执行语句，执行第一步语句后，两个机器人分别发送S1End信号给TwinCAT3，然后等待第二条语句开始信号。如此便实现了两台机器人语句同步执行。程序代码如下：

PTP XP18；机器人运行至初始位置

for counter=1 to 10；以传输10个离线编程点为例

varInputReq=TRUE；机器人向请求数据输入

varInputReqCounter=counter；机器人发送传输第几个点

varInputFinished=FALSE；

WAIT for varExternInput；等待 TwinCAT3 数据传输完成

robotPos[counter]=$POS_ACT；保存机器人HOME点S，T变量信息

robotPos[counter].x=robotPos[counter].x+varinx*0.01；保存离线编程点X

robotPos[counter].y=robotPos[counter].y+variny*0.01；保存离线编程点Y

robotPos[counter].z=robotPos[counter].z+varinz*0.01；保存离线编程点Z

robotPos[counter].a=robotPos[counter].a+varina*0.01；保存离线编程点A

robotPos[counter].b=robotPos[counter].b+varinb*0.01；保存离线编程点B

robotPos[counter].c=robotPos[counter].c+varinc*0.01；保存离线编程点C

varInputReq=FALSE；接受离线编程数据完毕后，请求输入复位

varInputFinished=TRUE；接受数据标志完成位置位

ENDFOR

varInputReqCounter=0；数据传输完毕

lin robotpos[1]；

s1End=TRUE

wait for s1Start

lin robotpos[2]

s2End=true

2 实验验证

2.1 离线编程数据传输验证

在 TwinCAT3 的 robotXpos，robotYpos，robotZpos，robotApos，robotBpos，robotCpos的数组分别读入数值为{100，200，300，400，500，600，700，800，900}，然后运行选择机器人程序，程序运行第一条同步程序后，在机器人示教器上查看机器人程序变量，分别输入变量名为robotPos[1..10]，显示结果如表1所示。机器人坐标显示值分别为：

robotPos [1]={1446.20，- 4208.69，2193.54 ，178.93，45.09，-179.94}

robotPos[2]={1447.20，-4207.69，2194.54 ，179.93，46.09，-178.94}

robotPos[3]={1448.20，-4206.69，2195.54 ，180.93，47.09，-177.94}

……

robotPos[1]={1455.20，-4199.69，2202.54 ，187.93，54.09，-170.94}

通过以上数据可以看出可以看出，机器人程序中robotPos[1]—robotPos[10]，相邻的两个坐标产在X，Y，Z，A，B，C 差值为 1，即 100*0.01，与传输值完全一致。

2.2 双机器人同步控制

选择机器人程序，双机器人实现了程序同步运行。采用这种机器人同步的方式，有一个特点是当机器人连续执行两条lin指令，机器人自动会做轨迹逼近，如果机器人执行的两个lin指令中间有IO操作的指令，机器人控制器会中断两个lin指令的逼近。这样会使机器人精确定位到该点，但是也会降低机器人运行效率。

2.3 压紧夹紧验证

在两个机器人示教器上分别选择程序，并运行至BCO，然后在集成操作台操作界面上选择离线编程数据传输，并启动机器人同步控制，机器人带动压紧末端执行器运行至离线编程的第一个点，机器人控制器输出数字量DO控制信号，控制夹紧驱动气缸和压紧驱动气缸运动，对T型长桁进行压紧和夹紧。然后双机器人同步执行指令运行至程序结束，如图5所示。

图5 压紧末端执行器实验验证

3 结论

（1）利用机器人与集成控制台TwinCAT3控制系统的通信协议，可以使不同程序运行周期、不同运行机制的库卡机器人控制系统和TwinCAT3系统实现数据的传输、双机器人程序同步执行。利用这种通信协议，也可以实现对机器人的轨迹校正，用于焊接机器人的焊缝跟踪、搬运机器人的定位校正等。

（2）利用“发送—等待信号”机制，可以实现双机器人程序的同步控制，并且这种机制会使机器人精确运行至离线编程输出的目标点，但是使机器人控制系统取消了两条语句之间的程序逼近算法，会降低机器人运行效率。

（3）通过机器人运行程序，运用实验验证了控制系统实现双压级机器人系统导入离线编程数据、控制机器人同步运行，对T型长桁进行压级和夹紧，实现了机器人柔性压紧工装的功能，从而缩短了小批量焊件的生产周期。