基于PLC與工業(yè)機器人的全自動化碼垛系統(tǒng)設(shè)計

張業(yè)鵬，張 明

ZHANG Ye-peng, ZHANG Ming

（湖北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，武漢 430068）

0 引言

隨著我國勞動力成本快速上漲，企業(yè)進行經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級的愿望更加迫切，因此在企業(yè)生產(chǎn)中使用工業(yè)機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工作業(yè)，是提高企業(yè)自動化程度和提高自身競爭力的有效途徑。尤其是化工行業(yè)，工作環(huán)境惡劣，人員流動大，人工碼垛效率低下，基于PLC與工業(yè)機器人的全自動化碼垛系統(tǒng)憑借其高效、穩(wěn)定的生產(chǎn)特性以及優(yōu)越的制造柔性非常適合工廠現(xiàn)代化改造。為此，根據(jù)襄陽一家化肥企業(yè)的實際生產(chǎn)情況，設(shè)計了一條以西門子PLC控制器為主，庫卡搬運機器人為輔的全自動碼垛生產(chǎn)線系統(tǒng)。

1 全自動碼垛系統(tǒng)設(shè)計

整條全自動碼垛系統(tǒng)由機械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)構(gòu)成，由于機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單主要由輸送線組成，故主要以設(shè)計電氣控制系統(tǒng)為主，電氣系統(tǒng)主要包括PLC，工業(yè)機器人，觸摸屏，傳感器，電磁閥以及安全護欄等，其電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括PLC程序設(shè)計，機器人程序設(shè)計以及觸摸屏程序設(shè)計。PLC程序主導(dǎo)整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程，指揮整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)以及與機器人實現(xiàn)信息交換。機器人程序生成搬運軌跡，完成肥料包的碼垛任務(wù)。觸摸屏程序?qū)崿F(xiàn)與PLC的人機交換功能，完成各種生產(chǎn)線參數(shù)實時設(shè)定使整條生產(chǎn)線操作簡單，高效。

2 碼垛系統(tǒng)工作流程

根據(jù)車間的實際生產(chǎn)需求和企業(yè)的要求，全自動碼垛生產(chǎn)線設(shè)計為兩線兩垛結(jié)構(gòu)，車間結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

整條生產(chǎn)線的流程為：化肥顆粒料生產(chǎn)成型經(jīng)過縫包機縫包后連續(xù)不斷的送上兩條輸送線，每天輸送線上都裝有光電檢測傳感器，當輸送線上光電傳感器檢測到預(yù)約信號并傳給PLC，PLC又通過IO口把信息傳給機器人控制器，機器人收到信號就執(zhí)行輸送線碼垛任務(wù)，到達預(yù)定抓取位置，當輸送線光電傳感器檢測倒抓取信號，機器人抓取化肥進行碼垛，完成一次碼垛，碼垛完成后回到預(yù)定位置，繼續(xù)等待預(yù)約信號與抓取信號進行下一次碼垛，直到完成碼垛任務(wù)。

圖1 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 碼垛生產(chǎn)線

3 PLC與觸摸屏選擇和程序設(shè)計

在整個全自動碼垛生產(chǎn)線系統(tǒng)中，PLC起的核心作用像人的大腦一樣，主要接受和采集外部傳感器的信號完成對外部環(huán)境的檢測作用，控制碼垛輸送線電機的啟動和停止，實現(xiàn)和機器人控制器的信息交換以及對機器人末端執(zhí)行器抓手的控制以及各電氣元件的控制作用。

根據(jù)本全自動化碼垛系統(tǒng)的設(shè)計要求，整個系統(tǒng)有22點數(shù)字輸入和16點數(shù)字輸出共有38點數(shù)字IO量。經(jīng)查閱西門子，三菱，歐姆龍等各主流小型PLC硬件手冊和編程軟件可知西門子S7-200系列PLC與其他同類型PLC相比具有更多的輸入輸出點、更強的模塊拓展能力、更快的運算速度、更好的內(nèi)部集成特殊功能，故本系統(tǒng)選用西門子S7-200CPU226作為主控制器，使用西門子STEP7 MicroWIN V4.0進行編程。PLC程序主要包括啟動停止模塊，手動模塊，自動模塊，輸入輸出模塊，報警模塊等5個模塊。整條生產(chǎn)線程序設(shè)計流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)選用歐姆龍觸摸屏作為人機交互軟件，使用其自帶的編程軟件NB-Designer進行編程，主要程序設(shè)計包括設(shè)備初始化，界面程序編寫，參數(shù)設(shè)置，模式選擇和系統(tǒng)管理等幾部分。由于操作簡單，性能穩(wěn)定，能在極端惡劣的條件下工作，適合普通工人在工廠操作使用。

4 工業(yè)機器人的選擇與程序設(shè)計

工業(yè)機器人作為信息時代的新興產(chǎn)業(yè)，為現(xiàn)代工業(yè)的高速自動化生產(chǎn)和先進制造提供了強大的技術(shù)支撐。目前國際上工業(yè)機器人制造商主要有瑞士的ABB，德國的庫卡，日本的安川以及法那科。由于庫卡機器人采用PC BASED控制系統(tǒng)，機身選用碳纖材料制造，具有較高的機械性能和較強的抗震動能力，先進的設(shè)計使機器人能高速、精確、穩(wěn)定的運行，運行軌跡精確，重復(fù)定位精度小于0.35mm，故本系統(tǒng)選用庫卡機器人作為搬運系統(tǒng)。

根據(jù)化肥廠的實際生產(chǎn)情況，設(shè)計機器人碼垛的垛型如圖4所示。每垛設(shè)計為8層，每層5包，奇數(shù)層與偶數(shù)層的每包在XY平面的位置相同。

圖3 PLC程序流程圖

圖4 碼垛垛型

根據(jù)圖4碼垛垛型建立輸送線2第1層與第2層的三維數(shù)學(xué)模型，在三維空間中，以坐標表示每包的空間位置，定義肥料包各變量為長為chang，寬為kuang，高為gao，每包方位角度為A，包與包之間在X軸方向的間距為xp，Y軸方向的間距為yp，以第1包為作為原點基準包，依次建立每包的坐標公式如下：

第1包坐標為:X=0 Y=0 Z=0 A=0

第2包坐標為:X=chang+xp Y=0 Z=0 A=-180

第3包坐標為:X=2chang+xp-1/2kuang

Y=kuang+yp+1/2chang Z=0 A=90

第4包坐標為:X=chang+xp+1/2xp

Y=kuang+yp+1/2chang Z=0 A=90

第5包坐標為:X=chang-kuang-1/2xp

Y=kuang+yp+1/2chang Z=0 A=90

第6包坐標為:X=0 Y=0 Z=gao A=90

第7包坐標為:X=chang+1/2xp Y=0 Z=gao A=90

第8包坐標為:X=2chang+xp-1/2kuang Y=0 Z=gao A=180

第9包坐標為:X=3/2chang+xp

Y=chang+1/2kuang+yp Z=gao A=-180

第10包坐標為：X=0

Y=chang+1/2kuang+yp Z=gao A=-180

由于奇數(shù)層與偶數(shù)層在XY平面的位置相同，沿Z軸依次累加，由此可計算出每一層每一包的空間坐標，限于篇幅，故不再推算出每包的空間坐標。

寫好碼垛算法以后，使用庫卡的仿真編程軟件OrangEdit軟件進行編程，然后進行模擬仿真，查看算法是否可行，軌跡是否正確，確認仿真無誤后，把機器人程序?qū)氲綑C器人示教器，通過示教器在設(shè)計完成后的碼垛系統(tǒng)進行關(guān)鍵位置點的示教及調(diào)整，實現(xiàn)機器人在手動模式進行取料、搬運及碼垛動作，最后實現(xiàn)與PLC信號交換，進行聯(lián)調(diào)聯(lián)試，進而完善機器人程序。

5 結(jié)束語

經(jīng)過調(diào)試后實際投入使用，整條生產(chǎn)線安全平穩(wěn)運行，無意外事故發(fā)生，能連續(xù)24小時不間斷工作，達到1300包/小時的碼垛任務(wù)，垛型穩(wěn)定標準，日產(chǎn)量為人工的兩倍。工人經(jīng)過簡單培訓(xùn)就能掌握安全操作，能減少人工6～8人。設(shè)計的這套基于PLC與工業(yè)機器人的全自動化碼垛系統(tǒng)具有高度自動化水平，能夠在十分惡劣的工廠環(huán)境工作，大大減少工人勞動強度，運營成本顯著降低，生產(chǎn)效率和產(chǎn)能顯著提高，適應(yīng)國內(nèi)大多數(shù)同類化肥企業(yè)的實際需求，具有廣闊市場前景。

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