秦志刚 张鹏
一汽-大众汽车有限公司天津分公司 天津市 300000
摘要：工业机器人因其高稳定性、高精度的特点，在汽车生产线被大范围使用以提高生产效率。由于临近机器人之间以及机器人与周边设备之间存在交互协同作业，使得机器人的碰撞风险成为必然。本文对机器人的碰撞的原因和预防碰撞的策略进行了初步研究，以期为降低因碰撞带来的成本损失做出一定贡献。
关键词：焊装车间；机器人；干涉区；防碰撞
引言
当前汽车市场进入到存量竞争阶段，各汽车整机厂通过快速推出新产品和降低人工成本来增加竞争力，这就对汽车制造生产线的高柔性[1]、高自动化率提高提出了更高的要求。作为汽车生产四大专业中工艺最复杂的焊装车间生产线，焊装车间主要通过采用工业机器人[2]来实现高柔性和高自动化率。为了充分利用空间，节约土建投资，焊装普遍采用紧凑性布局，各个机器人之间距离很近，而且临近机器人之间以及机器人与周边设备之间都存在交互协同作业[3]，这就不可避免会存在碰撞风险。设备碰撞后对不仅仅带来设备成本损失，更会带来产量成本损失和质量成本损失。因此，对机器人的碰撞进行研究，减少或者消除碰撞问题，成为了重要课题。
1 机器人碰撞的原因分析
机器人碰撞的种类很多，在焊装车间，除去人为误操作的因素，机器人的碰撞主要分为机器人与机器人之间的碰撞、机器人与其他设备（比如传送设备、辊床等）之间的碰撞、机器人与工件之间的碰撞。
机器人与机器人之间的碰撞指的是在生产或调试过程中，一台机器人的手臂进入了另一台机器人的运动范围而发生的碰撞[4]。由于工位的紧凑型布局，以机器人的活动半径画圆构成机器人的活动区域，不同机器人的活动区域之间存在一定的“交集区域”，该区域被称为干涉区，通过合理设置干涉区可以有效避免碰撞[5]。以两台机器人为例，正常而言，如果其中一台机器人进入干涉区，另一台机器人则禁止进入，这里需要靠互锁信号来实现。综上所述，机器人与机器人的碰撞主要由两个原因导致。第一是干涉区设置的不合理，因为干涉区是一个虚拟的区域，很难直观的目视，一旦设置不合理，将造成碰撞的发生；第二是互锁信号设置不合理，这就导致无法实现有效的互锁，进而导致碰撞。
机器人与周边设备之间的碰撞，即机器人与周边设备，比如夹具台、辊床气缸、铣刀等动作的设备发生碰撞。以夹具台气缸为例，气缸在动作之前，是不允许机器人进入该区域的，这通过信号交互来实现，既是互锁信号，只有互锁信号满足才允许机器人进入该区域。这种形式的碰撞的主要原因就是互锁信号设置的遗漏或者不合理，导致在某个有可能发生碰撞的轨迹点上并没有添加这种约束，进而导致碰撞。
机器人与工件之间的碰撞，在焊装车间多发生在料架和存储塔。首先是料架，为了生产的高效，焊装自动工位常使用多层料架，即机器人抓取上层料架后再抓取下一层，每层料架依靠接近式传感器检测当前是否有件，如果上层传感器失效导致有件却没被检测到，这时机器人会认为该层无件而去抓取下层，导致碰撞。其次是存储塔，为了生产的连贯性，焊装车间在部分工位设置有存储塔，机器人将生产出来的零件放在空的存储塔上，同样每层塔也是依靠传感器检测是否为空，如果传感器失效导致塔上有件却检测为无件，这时机器人在放件时便会发生叠件，即产生碰撞。
2 降低机器人碰撞的有效策略
2.1解决机器人与机器人之间的碰撞
针对干涉区设置不合理问题，需要重新优化干涉区，由于机器人的轨迹是由很多轨迹点构成的，而干涉区是一个虚拟的区域。这里有两个方法，首先是仿真法，在做线体之前，专业的线体商都会进行系统仿真来确认干涉区，这种方式是十分有效的，但是由于现场布局在实际安装过程中会有轻微的出入，这种方法不具备百分百的准确性。这时需要第二种方法，即现场观察法，利用线体运行的机器人轨迹状态，寻找介于干涉区临界的轨迹点，该点之后的点全部加入互锁信号，这样便保证了干涉区的准确性。
针对互锁信号的设置问题，可以人工进行排查。以KUKA机器人为例，互锁信号成对使用，并且互锁信号需要经过PLC进行处理，而基本上在设备安装前每个机器人是否加入互锁信号，具体使用哪个信号便已经进行预设，这时需要保证使用的互锁信号与预设的一致，如有必要需要在程序中逐一排查。
2.2解决机器人与周边设备之间的碰撞
上文中已提到，机器人与周边设备的碰撞主要为互锁信号的设置不合理。机器人与周边设备也存在一定的互锁关系，例如夹具台气缸在未打开的情况下，不允许机器人抓件离开等。因此这类碰撞的解决办法分为两步：第一步便是识别机器人与周边哪些设备存在碰撞的风险，分为两类：第一类是正产生产过程中轨迹有可能存在干涉的，在焊装车间这类设备较多，比如夹具台、转台、buffer链等；第二类便是设备运行的不可或缺的辅助步骤，比如电极帽的铣削，胶枪的排胶等，这类是不易察觉的，需要重点排查。第二步便是在识别了碰撞风险的基础上，需要建立机器人与PLC之间的程序互锁，PLC将机器人周边设备的信号进行收集并处理后发送给机器人，作为机器人的运行条件，这样便起到了防止碰撞的作用。
2.3解决机器人与工件之间的碰撞
解决机器人与工件之间的碰撞在焊装车间主要解决料架和存储塔上对于工件的误检测问题，这里有两种方法。第一种方法便是利用双检测开关结构来代替单检测开关，单个的检测开关容易受外界的影响，比如焊接飞溅、灰尘或者本身损坏，双开关的检测的方式将会大大提升稳定性。第二种方法是利用PLC程序实现软件层面的保护，以存储塔为例，增加一个标志位，当放件完成时将标志位置1，取件完成后标志位置0，这样的话即使检测开关失效，因为标志位未置0，机器人也不会去重复放件，以此来解决叠件问题。
3 结论
上文主要对通过程序控制和硬件设置规避碰撞风险进行了阐述和研究。但是除此之外，由于人为误操作，人员能力不足导致程序编写错误，引发的通过人员管理降低碰撞风险问题，以及现场设备硬件和周边环境突然发生变化带来的变化点管理降低碰撞风险问题，以及系统性规避高柔性汽车生产线多车型生产时碰撞风险问题，仍需要进一步深入研究。
参考文献：
[1] 孙凤元. 汽车焊装车间柔性化生产线的应用研究[J]. 中国设备工程, 2019(11): 159-160.
[2] 陈怡竹. 工业机器人在汽车智能制造生产线中的应用[J]. 内燃机与配件，2019(21):255-256.
[3]喻剑平.工业机器人协同动作控制程序设计[J].设备管理与维修,2020(05):141-142.
[4]韩胜利,孙国林,于宁. 机器人自动线干涉区应用研究[A]. 中国汽车工程学会.2013中国汽车工程学会年会论文集[C].中国汽车工程学会:中国汽车工程学会,2013:4.
[5] 蔡永财, 薛明英, 王斌, 等. 浅析涂装车间喷漆机器人防碰撞方案的设计及应用[J]. 现代涂料与涂装, 2016, 19(01):36-38.