工業(yè)機(jī)器人綜合訓(xùn)練平臺(tái)

印 松， 唐矯燕

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245)

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工業(yè)機(jī)器人綜合訓(xùn)練平臺(tái)

印 松， 唐矯燕

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245)

為了適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，開發(fā)了一套貼近工程實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人綜合訓(xùn)練平臺(tái)。該平臺(tái)硬件包括基于三菱PLC和觸摸屏的控制板和FANUC機(jī)器人?？刂瓢遄鳛樯蠈友b置，提供人機(jī)交互界面，啟動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序并對(duì)機(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。機(jī)器人作為下層裝置，執(zhí)行指定的作業(yè)?？刂瓢迮c機(jī)器人之間的通信提供并行IO和CCLINK總線兩種可選方式?；谠撈脚_(tái)，學(xué)生可以選用合適的機(jī)器人末端執(zhí)行器，連接機(jī)器人與PLC的通信線路和氣動(dòng)回路，編寫機(jī)器人和PLC程序，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面以完成機(jī)器人訓(xùn)練任務(wù)。經(jīng)過多班次的實(shí)踐表明，該平臺(tái)能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的積極性，取得了良好的教學(xué)效果。

工業(yè)機(jī)器人； 綜合訓(xùn)練； 可編程控制器； 人機(jī)交互界面

0 引 言

工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的自動(dòng)化裝備。推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)于改善勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，帶動(dòng)相關(guān)學(xué)科發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新能力提升，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義[1]。世界機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)認(rèn)為中國(guó)是工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的國(guó)家之一，數(shù)據(jù)表明，到2015年，我國(guó)將成為全球規(guī)模最大的機(jī)器人市場(chǎng)[2]。工業(yè)機(jī)器人的大量應(yīng)用必然面臨相關(guān)人才短缺的問題，包括機(jī)器人操作與維護(hù)類人才和機(jī)器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用類人才。

目前，國(guó)內(nèi)高校所開設(shè)的機(jī)器人實(shí)踐課程主要針對(duì)非工業(yè)用機(jī)器人，或僅著眼于工業(yè)機(jī)器人的認(rèn)知及示教編程，缺少工業(yè)機(jī)器人工程應(yīng)用相關(guān)實(shí)踐課程及實(shí)踐平臺(tái)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了社會(huì)對(duì)相關(guān)技術(shù)人才培養(yǎng)的需求[3-7]。為了緊跟工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用的時(shí)代步伐，同時(shí)探索適合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)方法和手段，我校機(jī)械電子工程專業(yè)較早開設(shè)了“機(jī)器人學(xué)”和“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用”兩門理論課和具有工程性、綜合性和實(shí)踐性特點(diǎn)的“工業(yè)機(jī)器人項(xiàng)目綜合訓(xùn)練”實(shí)踐課，并基于FANUC機(jī)器人和PLC控制板搭建了工業(yè)機(jī)器人綜合訓(xùn)練平臺(tái)[8]?；谠撈脚_(tái)，學(xué)生可以綜合利用所學(xué)得的相關(guān)理論知識(shí)，自己設(shè)計(jì)并動(dòng)手完成指定的機(jī)器人訓(xùn)練任務(wù)，達(dá)到其工程實(shí)踐能力鍛煉和工程素養(yǎng)培養(yǎng)的目的。

1 總體方案

1.1 設(shè)計(jì)思路

搭建機(jī)器人綜合訓(xùn)練平臺(tái)是為了讓學(xué)生了解和學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用技術(shù)，通過完成一個(gè)完整的機(jī)器人應(yīng)用項(xiàng)目，達(dá)到工程實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)培養(yǎng)的目的。為了提高訓(xùn)練的有效性，增強(qiáng)學(xué)生參與的積極性，課程從項(xiàng)目選定、平臺(tái)搭建以及元器件的選擇等方面來保證機(jī)器人綜合訓(xùn)練更加接近于工程實(shí)際?；驹O(shè)計(jì)思路是提供一個(gè)訓(xùn)練平臺(tái)，學(xué)生可以在這之上自主設(shè)計(jì)、動(dòng)手搭建一個(gè)可以控制機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)，以便完成所設(shè)定的工件搬運(yùn)任務(wù)。

1.2 平臺(tái)組成

本課程所采用的機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)如圖1所示。根據(jù)所給出的機(jī)器人訓(xùn)練任務(wù)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，采用Roboguide軟件對(duì)任務(wù)進(jìn)行仿真和離線編程，制定機(jī)器人與PLC通訊的IO分配表，選擇合適的末端執(zhí)行器，動(dòng)手搭建對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)回路，連接機(jī)器人與PLC通信線路，編寫機(jī)器人和PLC程序，設(shè)計(jì)觸摸屏界面，完成機(jī)器人訓(xùn)練任務(wù)。

圖1 機(jī)器人綜合訓(xùn)練平臺(tái)組成

2 訓(xùn)練平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人訓(xùn)練平臺(tái)實(shí)物如圖2所示。該平臺(tái)包括一臺(tái)FANUC機(jī)器人；一套包含威綸觸摸屏和三菱FX3GA系列PLC的控制臺(tái)；一套氣動(dòng)末端執(zhí)行器等。PLC控制臺(tái)提供人機(jī)交互接口，控制機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行完成工件搬運(yùn)作業(yè)，并對(duì)實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

圖2 機(jī)器人訓(xùn)練平臺(tái)

2.1 FANUC機(jī)器人

FANUC機(jī)器人是工件搬運(yùn)作業(yè)的主體，可通過示教的方式完成機(jī)器人編程。所編寫的機(jī)器人程序可在示教器上啟動(dòng)運(yùn)行，然而工程應(yīng)用中，往往希望機(jī)器人能夠在滿足某些條件的情況下，通過外部控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。FANUC機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行有RSR和PNS兩種方式，其中多采用PNS方式。采用PNS方式時(shí)，其程序命名規(guī)則和調(diào)用時(shí)序如圖3、4所示。其中CMDENBL，SNO1-8，SNACK，PROGRUN為機(jī)器人系統(tǒng)輸出信號(hào)(UO)，PNS1-8，PNSTROBE， PROD_START為系統(tǒng)輸入信號(hào)(UI)[9]。

圖3 PNS程序命名規(guī)則

圖4 PNS程序調(diào)用時(shí)序

2.2 PLC

訓(xùn)練平臺(tái)所采用的三菱FX3GA-24MR PLC帶有14個(gè)輸入口和10個(gè)輸出口，輸出方式為繼電器輸出。當(dāng)PLC的S/S端口連接0 V或24 V時(shí)，可方便實(shí)現(xiàn)源型輸入或漏型輸入[10]。

2.3 信息交互

機(jī)器人需通過IO口與外圍設(shè)備通訊。機(jī)器人綜合訓(xùn)練采用并行IO和CC-LINK總線兩種通訊方式。

(1) 并行IO。并行IO采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊方式，一個(gè)機(jī)器人IO對(duì)應(yīng)一個(gè)PLC輸入輸出端口，定義清晰，易于理解，但線路連接復(fù)雜，不適合于多機(jī)通訊，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，尤其是需遠(yuǎn)距離通訊的場(chǎng)合難于實(shí)現(xiàn)。圖5為采用CRMA15/16主板時(shí)，機(jī)器人與外圍設(shè)備輸入輸出信號(hào)連接[11]。由此可見，當(dāng)機(jī)器人的輸出接入PLC時(shí)，PLC端應(yīng)采用漏型輸入的接線方式。

圖5 機(jī)器人與外圍設(shè)備信號(hào)連接

(2) CC-LINK總線。CC-LINK總線是以三菱電機(jī)為主導(dǎo)的多家公司以“多廠家設(shè)備環(huán)境、高性能、省配線”為理念開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線，該總線網(wǎng)絡(luò)可由1個(gè)主站和64個(gè)從站組成，子站可以是遠(yuǎn)程IO站、遠(yuǎn)程設(shè)備站或智能設(shè)備站。主站和從站之間通過普通屏蔽雙絞線連接，其信號(hào)傳輸速率可達(dá)10 MB/s，通信距離可達(dá)1 200 m[12,13]。CC-LINK總線相比并行IO，線路連接簡(jiǎn)單，但需較為復(fù)雜的參數(shù)配置，其電氣連接如圖6所示[14]。在設(shè)置CC-LINK遠(yuǎn)程參數(shù)時(shí)，應(yīng)將FANUC機(jī)器人設(shè)置為遠(yuǎn)程設(shè)備站，且站點(diǎn)數(shù)至少設(shè)置為2[15]。在完成CC-LINK設(shè)置后，通過PLC指令FROM K0 H0E0 K4M100 K2和TO K0 H160 K4M300 K2 兩條指令，即可完成如圖7所示通信映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了通過PLC輔助繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人UI/UO和DI/DO的讀寫。

圖6 CC-LINK電氣連接

圖7 PLC與機(jī)器人寄存器映射關(guān)系

(3) 信號(hào)配置。機(jī)器人的信號(hào)配置就是建立軟件端口與硬件端口之間的關(guān)系。FANUC機(jī)器人通過示教盒配置的畫面如圖8所示。其中RANGE為軟件端口的范圍，RACK為機(jī)架號(hào)，代表I/O通信設(shè)備種類，采用CRMA15/16方式通訊時(shí)設(shè)置為48，采用CC-LINK方式時(shí)設(shè)置為92，SLOT為I/O模塊的序號(hào)，START為對(duì)應(yīng)于軟件端口的硬件端口起始編號(hào)。通過圖8中的設(shè)置，機(jī)器人的系統(tǒng)輸入(UI[1-18])與起始編號(hào)為1的18個(gè)硬件輸入端口，以及系統(tǒng)輸出(UO[1-20])與起始編號(hào)為1的20個(gè)硬件輸出端口聯(lián)系了起來。

圖8 機(jī)器人信號(hào)配置

2.4 末端執(zhí)行器

機(jī)器人綜合訓(xùn)練采用的末端執(zhí)行器包括夾鉗式和氣吸式兩種。學(xué)生需根據(jù)工件的特點(diǎn)選用合適的末端執(zhí)行器，并搭建合適的氣動(dòng)回路。

3 機(jī)器人實(shí)踐

以學(xué)生完成機(jī)器人搬運(yùn)作業(yè)為例。學(xué)生首先對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析，根據(jù)所需搬運(yùn)工件的特點(diǎn)，選用氣吸式末端執(zhí)行器，并設(shè)計(jì)出如圖9所示的氣動(dòng)回路，然后根據(jù)所需資源定義，如表1所示PLC和機(jī)器人的I/O分配表。依據(jù)I/O分配表和機(jī)器人接口定義，畫出圖10所示電氣原理圖，并在此基礎(chǔ)之上完成圖2所示電氣連接。通過編寫機(jī)器人和PLC程序，操作所設(shè)計(jì)的觸摸屏界面即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)作業(yè)。

圖9 氣吸式末端執(zhí)行器氣動(dòng)回路原理圖

表1 PLC和機(jī)器人I/O分配表

圖10 電氣原理圖

4 結(jié) 語

基于FANUC機(jī)器人和PLC控制臺(tái)所開發(fā)的工業(yè)機(jī)器人綜合訓(xùn)練平臺(tái)貼近工程實(shí)際，既是學(xué)生自己設(shè)計(jì)、動(dòng)手操作的平臺(tái)，同時(shí)也是一個(gè)多門理論知識(shí)深入學(xué)習(xí)的平臺(tái)。由于在機(jī)器人訓(xùn)練中，學(xué)生參與了任務(wù)的整個(gè)實(shí)施過程，開動(dòng)腦筋，動(dòng)手操作，互相協(xié)作，因此表現(xiàn)出極大的興趣，也取得了不小的成績(jī)。

[1] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部. 工業(yè)和信息化部關(guān)于推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見[EB/OL]. (2013-12-30). http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n11293907/n12246780/15813180.html.

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Industrial Robot Platform for Comprehensive Training

YINSong,TANGJiao-yan

(College of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200245, China)

To meet the needs of cultivating application oriented talents, an engineering practice oriented industrial robot platform for comprehensive training was developed. This platform consisted of a MITSUBISHI PLC and touch screen based control board and a FANUC robot. Acting as the top level device, control board provided human machine interface, called the robot motion program and monitored the robot status. Robot was the lower level device and executed the designated task. Selectable communication methods of parallel IO and CCLINK bus between control board and robot were provided. By using this platform, college students can choose appropriate robot end effectors, connect the communication lines between the robot and PLC, construct the pneumatic circuit, program the robot and PLC, and design the human-machine interactive interface to accomplish the training tasks. By practicing in different classes, this platform can attract students joining in this training, and works well in teaching.

industrial robots; comprehensive training; PLC; human machine interface

2015-04-02

上海市教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目(14AZ07)；上海電機(jī)學(xué)院重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目

印 松(1979-)，男，四川宣漢人，講師，現(xiàn)主要從事機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用研究。Tel.:18001638690；E-mail:yins@sdju.edu.cn

TP 241.2

A

1006-7167(2016)02-0055-04