工具快换装置中现场总线技术的应用

作者:白伟 韩小军 文章来源:ATI工业自动化中国代表处 发布时间:2012-03-19
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图1  总线控制网络应用案例

在工业机器人使用工具快换装置的案例中,现场总线技术作为机器人与末端工具的信号传输和数据交换手段得到了广泛应用,网络化、数字化的工业网络提高了工业机器人的整体应用水平,简化了机器人管线包与工具快换装置的连接,同时也保证了现场应用的可靠性与安全性。

现场总线技术作为近年来迅速发展起来的工业数据总线,广泛应用于众多工业领域,得到了很多厂家的支持。现场总线技术主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器和执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题,因此现场总线网络既是通信网络,又是现场设备的控制网络。如今,现场总线技术越来越受到工业机器人制造商、集成商和汽车厂的重视。随着机器人以及工业自动化技术的不断发展,越来越多的机器人应用考虑使用现场总线技术作为控制信号的传输方案,其中包括使用工具快换装置的机器人应用案例。

在机器人实际应用中,工具快换装置可以实现单台机器人自动更换不同的末端执行工具或外围设备,由安装在机器人手臂上的机器人侧和安装在末端执行工具上的工具侧组成,能够让不同的介质(如气体、电信号、液体、视频、总线、焊接强电和超声等介质信号)从机器人手臂连通到末端执行工具,该装置的应用可以极大地拓展单台机器人的柔性。现场总线技术在工具快换装置的方案中,是通过信号控制模块从机器人侧模块传递到工具侧模块上,再继续传输到末端工具上的不同智能仪表或者执行机构。


图2  TSI技术的总线模块

用于汽车行业的现场总线技术协议分类

1.工具快换装置使用现场总线技术的优点

(1)简化机器人的管线包 如果采用I/O方式,机器人管线包(Dress Package)的信号数量会经常因为工具侧过多的I/O数量需求而被完全耗用;使用总线方式传输可减少管线包内的线缆数量,并可降低潜在故障点的发生概率。

(2)简化并扩展多种末端工具 现场总线技术可为柔性制造环节实现更为丰富的末端工具拓展,可在同一总线网络下运行多重配置的末端执行工具。

(3)总线网络采用模块化设计,缩短平均修复时间(MTTR),减少设备启动和调试时间,易于现场判断故障节点,响应和维护工作也易于在现场实现。

(4)共享备件 现场使用同一种类型的总线模块,有效地减少了需要的备件数量。

2.ATI基于不同现场总线技术的信号控制模块介绍

现场总线是一种串行的数字数据通信链路,它沟通了过程控制领域的基本控制设备(即场地级设备,如机器人运动控制、末端执行工具和工具快换装置)之间,或者与更高层次自动控制领域的自动化控制设备(即车间级设备,如生产线总控制器)之间的联系。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输和多分支结构的工业通信网络。

(1)基于设备层现场总线DeviceNet类型的模块 DeviceNet总线网络通过一根电缆将PLC、传感器、操作员终端、机器人、工具快换装置、轴承座、变频器和软启动器等现场智能设备连接起来,是分布式控制系统减少现场I/O接口和布线树立,将控制功能下载到现场设备的理想解决方案。

工具快换装置中的DeviceNet总线模块采用的是一个主站和多个从站的连接结构,即机器人侧的节点作为仅限组2服务器,该侧节点支持显性报文、轮询方式、选通方式以及预定义主/从连接的状态变化/循环相应,支持ODVA组织定义的“快速连接”(Quick Connect)功能,不支持非连接信息管理器(UCMM,即建立I/O连接和显性连接),支持设置MAC地址、波特率和终端电阻。工具侧节点同样可作为仅限组2服务器,并支持工具编号Tool ID功能。

(2)基于Profibus现场总线(Process Fieldbus)类型的模块 Profibus是德国于20世纪90年代制定的国家工业现场总线协议标准,如今已成为国际化的开放式现场总线标准,即EN50170欧洲标准。Profibus是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准,采用Profibus标准后,不同厂商所生产的设备不需对其接口进行特别调整就可通信。Profibus为多主从结构,可方便地构成集中式、集散式和分布式控制系统。


图3  工具支架互锁实现过程

通常汽车厂的机器人会采用Profibus-DP方案,主要用于传感器和执行器级的高速数据传输,传输速率可达12Mbps,一般构成单主站系统,主站与从站间采用循环数据传送方式工作。采用Profibus总线技术的模块用于工具快换装置上一般采用的是Profibus总线通过的方式,机器人侧与工具侧都不被视为网络中的节点。

(3)EtherNet/IP现场总线 EtherNet/IP建立在标准TCP/IP协议之上,利用固定的以太网硬件和软件,为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议,使用有源星形拓扑结构。Ethernet/IP应用层协议是基于控制和信息协议(CIP)层的,提供了从工业楼层到企业网络的一整套无缝整合系统。EtherNet/IP使用所有传统的以太网协议,构建于标准以太网技术之上,这意味着EtherNet/IP可以和现在的所有标准以太网设备透明衔接工作。

工具快换装置中的总线模块采用EtherNet/IP网络接口协议将信号传递到工具侧,机器人侧被视为EtherNet/IP网络中的一个节点并作为工具侧部分的服务器,UCMM非连接信息管理器显性报文、Class 3级别连接显性报文以及Class 1级别连接循环I/O报文,支持客户通过IE等浏览器方式完成IP地址以及DHCP(动态主机配置协议)的设定。工具侧不作为网络中的节点,提供工具编号以及TSI工具支架互锁功能。

(4)基于现场总线技术模块的客户定制化能力 现场总线技术的选择是以客户选择为导向的,ATI具备30多种基于不同现场总线技术标准的信号控制模块,这些模块为工具快换装置的控制和信号传输提供了对应的功能,如工具编号功能,传感器信号接入与电磁阀模块通信。ATI可以按需定制各种基于不同总线协议的信号控制模块,并可以在总线模块开发中做更进一步的工作,定制化的模块能够完全适用于工具快换装置的应用。

总线模块典型应用案例

1.采用现场总线技术的方案配置

图1是典型总线方案的工具快换装置实际应用,总线信号传输和控制工具快换装置完全可以通过总线网络实现,通过工具快换装置的线缆数量减少至1~2条细小线缆,工具侧I/O设备的数量不受通过工具快换装置的线缆数限制。

2.信号传输形式与信号控制模块支持功能

在现有的机器人工具快换装置实际应用中,总线网络的实际应用中可采用两种不同类型的技术方案,即“总线通过”方案和“总线节点”方案形式。两种方案的区别在于前一种方案只是利用工具快换装置的信号模块具备通过总线信号的能力,而不将机器人侧/工具侧视为总线网络的节点;而后者的技术方案除了模块具备的通过总线信号的同时,还会将机器人侧/工具侧视为总线网络的节点,即机器人侧与工具侧的信号均是通过总线网络实现的,如工具编号大小、工具快换装置自身传感器反馈以及机器人与电磁阀之间的通信。


图4   防拉弧技术的原理

3.信号控制模块功能描述

在工具快换装置中,总线模块可实现总线信号从机器人侧传输到工具侧,并可实现机器人利用总线网络控制工具快换装置。

总线信号模块通常配合单项或者双向的电磁阀模块使用,来实现工具快换装置的锁紧与打开,因此客户只需要提供一路恒定气压的气源即可实现工具快换装置的锁紧与打开。模块在机器人侧与工具侧均提供总线信号和电源部分的接头,工具快换锁紧后,机器人侧与工具侧的针脚会通过一个弹簧接触针的过渡模块实现对接,将信号传递到工具侧,过渡模块的外围会考虑在应用的现场增加橡胶密封,防止焊渣或者喷溅。

总线模块的工具侧提供工具编号功能,即工具侧模块通过内置的拨码开关来设定客户定义的工具编号,该功能可让客户更容易判断同一台机器人单元下的不同工具,或者同一生产线内不同编号的机器人。总线模块不需要额外的I/O Block模块即可实现将工具快换装置的传感器状态反馈到机器人,如准备锁紧位置传感器,锁紧机构打开位置传感器,锁紧机构锁紧位置传感器;可以将机器人的输出命令传送到电磁阀模块,如打开指令,锁紧指令。

技术特点

现场总线技术应用于机器人用工具快换装置案例中,不仅需要设备提供商开发出基于总线的信号控制模块,用于匹配工业现场原有的总线技术传输网络中设备节点的控制和数据通信,还需确保机器人与末端工具的通信可靠性和现场工具设备的安全性。ATI在满足现场总线信号传输可靠性的同时,还针对工具快换装置的应用面开发了一些新的技术,以下面两种为例:

1.工具支架互锁技术(TSI)

TSI技术可有效避免工具意外脱落事故:如末端工具在空中或者尚未完好放置在工具支架之前,人为错误地给出一个打开的指令到工具快换装置,而造成现场工具脱落。TSI技术方案主要是基于内置的继电器电路来实现的,机器人发出的打开指令会通过由机器人侧模块内部的继电器电路,并继续反馈至安装在工具上的机械触发式限位开关回路,最后反馈到机器人侧后再与电磁发模块进行通信。TSI技术的总线模块如图2所示。

(1)工具支架互锁TSI电路图针脚电路 限位开关连接至总线模块工具侧的TSI快插接头位置,即工具编号功能窗体侧面位置的4芯TSI接头,将信号传输至模块结合面的2个过渡针脚,之后连接到机器人侧模块的内部继电器电路上。该继电器内部信号包含如下:连接机器人与电磁阀之前通信的latch(锁紧)与unlatch(打开)命令,连接R1传感器的输出信号RTL,反馈给机器人的用于检测继电器状态的RTLV信号,以及24V与0V TSI限位开关的通断信号。

(2)工具支架互锁实现过程 机器人发出的命令经继电器逻辑判断是否输送控制信号给电磁阀线圈,其中TSI限位开关为常开开关。当机器人末端加载工具工作时处于打开状态,TSI回路处于断开状态,打开指令即Unlatch信号不能被传递。仅当工具置于工具支架上时,TSI限位开关触发,TSI回路导通。此时机器人给出的打开指令才可使Unlock solenoid位置电磁阀线圈上电,工具快换装置执行打开动作指令,如图3所示。


图5   应用防拉弧技术模块实际应用效果

2.防拉弧技术(Arc Prevention)

(1)防拉弧技术的原理与功能描述 防拉弧技术可确保总线传输的稳定性与可靠性。在总线网络中往往要求更换工具时总线信号中的电源保持畅通,因此导致工具侧与机器人侧模块锁紧贴合为带电连接/断开,接触针之间必定会发生拉弧/打火的现象,实际使用的时候难以避免因为实施热插拔对针脚造成的影响。消除热插拔影响可参考两种方案:

①方案1 将工具侧的24V水平的信号设置成为间断电源。工具快换装置实施锁紧前关断24V电源,即此时机器人侧与工具模块的接触针脚之间尚未接触;工具快换装置完全锁紧后再打开24V电源,此时机器人侧与工具模块的接触针脚之间已经完全可靠接触。打开工具快换装置前,机器人控制器首先关断工具侧电源,之后再实施打开操作。

②方案2 采用具备防拉弧技术的总线模块。该类型的总线模块内置了防拉弧电路,该电路将准备锁紧传感器输出,打开/锁紧指令、工具侧中间短针触点接通反馈作为总线信号有效通过的先决条件,确保总线信号在工具快换装置完全锁紧后才通到工具侧。一旦工具侧的短针脚与机器人侧脱开,总线信号即刻中断。防拉弧技术的原理如图4所示。

从图4可看出,防拉弧模块应用时无需关断机器人侧电源信号,内置电路可控制辅助电源(AUX Power)与总线信号电源(DeviceNet Power),完全实现在锁紧后才允许电源部分传输到工具侧。防拉弧电路由内置的继电器、逻辑判断电路及工具侧中间短针触点反馈组成,只有机器人连续给出latch指令,机器人侧与工具侧的接触针脚完全贴合之后,才允许工具侧的电源接通,因此在锁紧位置的传感器被触发之前,需要将latch指令持续给出而不能有中断,直至锁紧的动作过程结束。

在工具快换装置实施打开操作工程中,机器人首先会对其给出一个unlatch命令,该命令发出的瞬间工具侧的电源即将被中断,因为工具侧中间位置的短针脚会造成该位置的电触点首先脱离接触,防拉弧电路将会关断原本畅通的工具侧电源。

(2)防拉弧技术的对机器人总线应用的影响 防拉弧电路将充分延长针脚使用寿命,机器人的工具侧经常需要大电流负载如阀岛等器件,总线模块中具备大电流负载的针脚会有频繁的接触、断开的动作过程。经ATI的实验论证,通常经过6万次的热插拔测试之后,没有采用防拉弧电路的模块针脚会出现明显的损蚀,机器人侧的弹簧针脚的拉花尖部被明显损伤,表面有明显的发黑变污产生,工具侧也出现发黑变色情况;而具备防拉弧电路的模块弹簧针脚,在同样的条件下经过同样6万次循环测试,两边的针脚基本上还保持原有的颜色和形状,可以看出采用防拉弧技术的总线模块更能保证总线传输的稳定性与可靠性(见图5)。

结语

机器人利用现场总线网络技术和工具快换装置可进一步增强柔性制造环节,改善生产效率,现在主流的总线网络如DeviceNet、Profibus DP、INTERBUS、PROFINET和EtherNet/IP等,目前广泛应用于工业机器人领域中,尤其是涉及到工具快换装置的环节。近几年在新建工厂的案例中,有关EtherNet总线在机器人工具快换装置中的应用越来越普遍,ATI工业自动化也会进一步关注各种总线网络的发展趋势,努力完善并不断开发新的适合工具快换装置使用的基于现场总线技术的信号控制模块。

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