喻剑平

（江铃汽车股份有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

工业机器人是一种以自动化技术和计算机技术为主体、有机融合各种现代自动控制技术的系统集成和应用的高度自动化设备，工业机器人的应用发展是现代生产智能制造需求的必然结果。目前工业机器人的装机量全世界已超过百万台，与传统设备相比，它具有3 个主要优点：实现生产过程的高度完全自动化，与其他生产设备的高度配合协同能力，大规模应用的成本优势。

1 协同动作

工业机器人可以由多台工业机器人进行协同动作，共同完成一系列复杂的工艺流程，实现生产过程的高度自动化，其工艺过程存在不同工艺流程先后顺序及工作区域互相干涉的问题。解决逻辑控制方法一般由工业机器人工艺时序和干涉区控制方式共同完成，此方式为目前最为常用的一种控制解决方式。

2 工艺时序控制

2.1 机器人工艺时序

所谓工业机器人工艺时序即为工业机器人的工作步骤，以常见的汽车白车身工业机器人自动焊接应用为例，白车身工业机器人焊接工艺时序均分为多个小步骤，可概括为以下3 个大步骤：

（1）工业机器人处于初始定义原点位置，并给主控PLC 发出工业机器人工艺站各状态信号。

（2）待焊接的白车身工件由上级工位传入后，主控PLC对车型数据与车型进行一致性判断；车型一致则驱动夹具对白车身进行夹持定位，车身夹具定位确认后，主控PLC 发出工业机器人启动指令；工业机器人进行车型比对，比对一致开始进行点焊工艺进入焊接状态；待完成既定点焊程序后，工业机器人需对焊点数和电极磨损进行判断，到达设定焊点数后工业机器人执行电极修磨程序；电极头磨损到达设定值后，工业机器人需执行更换电极头程序；待以上所有处理工艺结束后工业机器人回到初始原点位置，发出并保持点焊循环结束信号。

（3）夹具夹紧定位机构打开，退回至接件状态，确认工业机器人点焊工艺循环已结束，工业机器人已回初始定义原点位置、工业机器人无故障，进入下一工艺循环。

这三大步骤又可划分为若干小步骤，这些小步骤即为工业机器人的工作时序。将工业机器人的各个时序作为一个程序段，当工位有多台工业机器人协同动作时，必定存在先后工艺的顺序，对不同工业机器人先后工艺顺序的控制即为时序控制。一般时序在工业机器人程序中以Segment 代替，该信号可以定义为若干BOOL 量（表1），也可以定义为一个整数型表示工序号，与主控PLC 进行交互，共同完成工业机器人的时序控制。

表1 定义的BOOL 量时序交互信号

为便于现场标准化管理，通常将若干Segment 序号定义为标准时序（表1 可见定义的几个标准时序），在程序设计中，该Segment 信号不能用作其他时序控制。

工业机器人时序控制通常是该工业机器人在开始运行某个程序段时需向主控PLC 发出信号DoOutSegX 请求，同时将DoFinishSegX 置位OFF，等待主控PLC 发送该程序的允许信号DiRunSegX 置位为ON；当进入该时序程序，需再将DoOutSegX置位OFF，在该程序段DiRunSegX 需要一直保持为ON 接通状态。在运行过程中，主控PLC 必须监控该程序段的运行条件是否满足，若主控PLC 发现该程序段的运行条件不满足（例如某个传感器状态位信号丢失），需立即停止工业机器人的运行并将程序段允许信号DIRungSegX 置为OFF，并断开相关工业机器人的自动运行回路，实现工业机器人自动停机；当工业机器人运行该程序段的运行条件满足后，主控PLC 再次置位DIRungSegX，实现工业机器人再次自动工艺。

2.2 程序段的信号处理

当工业机器人在时序段等待位置接收到时序号时，DoOut－SegX=1，DoFinishSegX=0；当请求某个Segment 没有被运行时，相对应的DoOutsegX=1，DoFinishSegX=0；当运行某个Segment时，相对应的DoOutsegX=0，DoFinishSegX=0，DiRunSegX=1；当该Segment 运行完毕后，相对应的DoOutSegX=1，DoFinishSegX=1，并一直保留到整个任务执行完成。工业机器人等待SEGMENT 信号和完成SEGMENT 信号请求及结束可定义为机器人函数或子程序段，以便统一引用。

3 干涉区控制

3.1 干涉区及相关信号

工业机器人可多台进行协同动作，共同完成一系列复杂的工艺流程，其工作区域存在交互过程，彼此交互的工作区域称为干涉区，如图1 所示。

图1 所示工位共有4 台工业机器人，分别命名为R1、R2、R3和R4，每台工业机器人和其他工业机器人之间存在共同工作区域，其共同工作区域即为工业机器人协同工作干涉区，将其依次命名为ZONE1～ZONE6。以R1 来分析，它分别与R2、R3 干涉：R1与R2 干涉，干涉区域命名为ZONE1、ZONE4；R1 与R3 干涉，其干涉区为ZONE2；干涉区ZONE3、ZONE5 和ZONE6 不属于其干涉区。这样统一延续命名原则可以简化工业机器人干涉区的PLC 程序设计，干涉区越多会使工业机器人及主控PLC 程序越复杂，一台工业机器人的干涉区设计一般不应多于4 个。

每个干涉区可供多台工业机器人使用，但任意时刻，一个干涉区只能允许一台工业机器人进入其中。在工业机器人开始自动运行前，所有干涉区区域的定义必须仔细测试，避免发生工业机器人碰撞事故。

与干涉控制相关的信号可定义为3 个相关信号：DoOutOf－ZoneX（X 为干涉区编号）、DoReqZoneX（X 为干涉区编号）、DIZoneXFree（X 为干涉区编号）。信号DoOutOfZoneX、DoReqZoneX由工业机器人发至主控PLC，DiZoneXFree 由主控PLC 发至工业机器人，工业机器人程序模块中预干涉区相关的信号处理流程如图2 所示。

3.2 程序段信号处理

（1）工业机器人在干涉区外，信号DoOutOfZoneX 为ON，DoReqZoneX 为OFF，工业机器人运动到干涉区前的运动轨迹空间点，将信号DoReqZoneX 置位ON，向外围控制主控PLC 申请进入干涉区。

图1 工业机器人干涉区

图2 预干涉区信号处理流程

（2）等待主控PLC 发来的DiZoneXFree 信号为ON 后开始进入干涉区，当工业机器人开始进入干涉区时，将信号DoOut－OfZoneX、DoReqZoneX 均置为OFF；当工业机器人进入干涉区后，主控PLC 所发出的信号DiZoneXFree 需保持为ON。

（3）当工业机器人完成干涉区内工艺并离开干涉区后，工业机器人将信号DoOutOfZoneX 置为ON，通知主控PLC 该工业机器人已经离开干涉区，主控PLC 将信号DIZoneXFree置为OFF，此时主控PLC 可以允许其他工业机器人进入该干涉区。

3.3 注意事项

（1）当多台工业机器人同时申请进入某一干涉区时，进入先后顺序由主控PLC 判别，一般根据工作节拍进行逻辑判断。

（2）工业机器人运动到进入干涉区前的运动轨迹空间点必须使用精确轨迹点。

（3）当工业机器人发现有两台工业机器人同时进入同一干涉区时，需立即停止相关工业机器人的运行，以避免工业机器人碰撞事故的发生。

（4）工业机器人的干涉区请求及释放可定义为函数或子程序段，以便统一引用。

4 时序控制及干涉区控制

工业机器人的时序控制与干涉区控制既有相同点也有异同点。

相同点：①工业机器人与主控PLC 交互信号均可设计为3个；②工业机器人时序和干涉区均有进入、释放阶段，均需向主控PLC 请求，由主控PLC 进行判断。

不同点：①工业机器人时序控制需严格按照SEGMENT 流程执行，其执行完成，机器人及主控PLC 均需记忆完成信号，在完成工艺流程循环后、开始下一个工艺循环时才进行初始化信号；②工业机器人干涉区控制采用先进先出原则，在离开干涉区后就可释放干涉区记忆信号，可重复进入。

通过工业机器人工艺时序和干涉区控制方式的组合逻辑控制，与主控PLC 进行交互，可以使工业机器人进行协同动作，实现现代生产的智能、自动化制造。