《自动化博览》

    摘要：本文介绍了PHOENIX公司的无线蓝牙模块在上海大众涂装车间机器人上的实际应用。通过该模块已省去了不定期的数据线的替换，减少了设备故障，提升了设备的开动率，同时也降低了维修工时及设备维护的备件消耗。

   关键词：无线蓝牙模块；机器人

   1 DVD涂胶站介绍

   上海大众一厂油漆车间DVD机械手涂胶站（图1）是由KUKA机械手和DVD胶水供应系统所组成。该工位主要是对白车身油漆报交结束后即将进入总装的车身，进行车顶内侧粘贴防震纸板的工艺，该纸板可以达到消音降噪的作用。
        
                       
                                          图1  DVD机械手涂胶站   
  
                        
                                    图2   机器人臂上抓取工具  

   该工作站的机械手携带了一个抓取工具（图2），用于抓取防震纸板并对其涂胶后送入车身内部，将其粘贴于车顶。该工具上安装携带了数个位置传感器、电磁阀等。这些位置信号、执行信号等均通过3根19芯的电缆连接到机械手底座上的重载接线盒，再从接线盒经过地面线槽连接到INTERBUS现场总线的输入输出控制模块（图3）。
    
                     
                          图3  连接抓取工具信号的INTERBUS 站 
      
                    
                                 图4  菲尼克斯电气无线MUX模块

   2 改造背景

    在实际生产过程中，机械手为了完成抓取、涂胶以及贴板的整个过程，在每完成一辆车身工艺内容的过程中均要数次的来回运动，姿态转换大，每天的工作频率很高。与此同时，安装在机器人臂上的3根19芯的高柔性电缆则跟随机械手一起运动。

    经过长时间的振动与扭曲，该3根高柔电缆的连接口就出现了不同程度的松动。在生产过程中，时常因接口处连接不牢固，导致工具上的各种信号无法准确与INTERBUS现场总线模块通讯，因而使设备出现故障，影响生产的正常进行，该工位已经成为一个经常造成停机的高故障工位。

   通过调研，笔者认为使用无线通讯技术是降低线缆接口故障的最好办法，而德国菲尼克斯电气公司最新推出的无线蓝牙技术可以满足此项需求，且在德国大众、奔驰有过成功应用，菲尼克斯电气公司的无线蓝牙MUX产品，使用简单，无须做任何设定，甚至不用修改原PLC程序。该产品可以使用无线蓝牙传输技术在室内100米的距离之间实现点对点的数字和模拟信号的传输。

   3 方案设计

   经过仔细阅读菲尼克斯电气无线MUX的技术资料，发现一对无线MUX可以实现16个数字信号和2个模拟信号的双向传输，因而可以取代至少1根信号电缆。该模块支持IEEE802.15.1蓝牙标准的1.2版本，运行于国际认可的2.4G免费频段，运行在该频段，不仅不会与附近的任何WLAN802.11.a/b/g网络发生干扰，而且2.4G频段是远离工厂自动化中常用的变频、弧焊等各种不同设备的工作频段和谐波频段，与此同时，使用跳频扩频技术的蓝牙通讯协议保证了通讯的实时性，使系统抗干扰、稳定可靠。

    经过对现场DVD机械手涂胶站连接到抓取工具上的3根19芯电缆的各种信号进行分析研究，发现该3根电缆总共传输了输入、输出信号共计48个，因而需要用两对无线MUX进行替代。HHHH总体方案确定后，项目小组成员分析了现场的情况，并确定了无线MUX的安装与替换位置。方案一是将现场所有输入感应开关的信号直接连接到无线模块的各个输入端，而无线模块的输出信号则直接传输电磁阀；另外一侧无线模块安装在机械人底座的重载接线盒处（图5），这样就可以取代抓取工具到机械手底座之间的高柔性电缆。
    
                    
                                 图5  机械人底座电缆的连接 
          
                   
                                 图6  工具上原电缆的连接

    方案二，从位于机器人臂端的抓取工具上的3根电缆接口处进行接线替代，通过在抓取工具上3个19针接口（图6），做硬接线到过渡端子，再连接到无线模块上。而无线MUX的另一侧模块则直接连接到现场INTERBUS模块上，这样就替换掉从机械手抓取工具到机器人底座的高柔性电缆，及机器人底座连接到INTERBUS站之间的信号电缆。

    对电气图纸和现场的电缆布线情况进行分析，发现方案一将在抓取工具上增加许多连接线，因每个传感器都需要供电电源，且在机械手底座处无另一侧模块的安装位置。最终小组成员决定采取第二种方案。

    4 准备工作
          
                  
                         图7  抓手工具上接线盒的接线分布图 

    首先，小组成员根据设计图纸和线缆分布情况分析了线缆接口底座的接线原理，如图7所示。

   在该接线盒上，6号为电源负，19号为电源正，12号为接地，一个接线盒连接了16个信号端，而外部线缆连接为：6号接负，12号接电源正。
  
    接下来统计并测量了3根19芯电缆的各个线缆的信号连接情况，如图8所示。
 
                   
                       图8  三束19芯线缆的线束分布  

   XS112线缆连接了8个输入输出信号，XS114电缆连接了16个输入信号，而XS116则连接了16个输出信号。线缆信号测量分配完成后，对无线模块的输入输出点也做了合理的分布，如图9所示。
 
                   
                            图9 机械手抓取工具上无线模块的I/O分布

                      
                                  图10 INTERBUS 模块端无线MUX模块的I/O分布

   数据信号的分布完成后，接下来将完成所有硬件方面的制作。首先制作3根19芯的电缆插接头，如图11所示。

   然后进行机械手工具端的无线MUX的安装与接线（图12）、INTERBUS总线端的无线MUX的安装与接线，方案设计完成和基本硬件安装完成后，接下来就是现场的安装及调试。

    5 现场安装与测试

   经过安排，小组成员在停产期间对DVD机械手涂胶站的现场进行了改造，将无线MUX模块替代了原来的3根19芯电缆，并将interbus端的输入输出端与无线模块进行了连接。

   两端的无线模块安装完成后，经过多次测试，各类信号的传输完全正常。在机械手的整个运动过程中，抓取工具上的3个19针的插件口不再存在受到电缆的扭曲而出现松动的隐患。
 
                     
                             图11 改造后的3根19芯电缆接线  

                      
                               图12 机械手端的无线模块

   6 结语

   改造前，该线缆接口经常松动，并且导致19针线缆接头处部分线缆断裂，严重影响生产。同时，维修人员更换该电缆的工作量非常大，需要进行接头的焊接、线缆穿管等工作。经过这次改造，DVD机械手涂胶站因线缆松动导致信号不正确的故障已经完全消除，取消了可能的线缆更换工作量，各个信号的状态清楚直观，便于维修人员维修维护。

   目前该机器人无线改造安全无故障运行已超过2年，通过此项目证明了这种无线通讯方式很可靠，应用在机器人涂胶，搬运过程中可以充分发挥无线的优势，方案的性价比很高，为生产、维修部门降低了资金成本和时间成本。

   图11 改造后的3根19芯电缆接线

   图12 机械手端的无线模块

   曹伟（1977-）

   男，本科，中级工程师，现就职于上海大众汽车有限公司，主要研究方向为电气自动化、生产线自动控制系统、编程与通讯。   

   摘自《自动化博览》2012年十二期