基于PLC的實驗教學(xué)機器人FAS生產(chǎn)線的設(shè)計與實現(xiàn)

張 欣，葉家煒

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

隨著制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展轉(zhuǎn)變，原來的單一技能就業(yè)要求被多工種、多技能的崗位要求所取代．為了增強學(xué)生應(yīng)對市場激烈競爭能力，滿足崗位需求，我們模擬生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況，將現(xiàn)有的各獨立單元，整合在一起組成一條機器人FAS生產(chǎn)線，可根據(jù)不同的實訓(xùn)目的自由組合完成不同實訓(xùn)項目，達到對各種專業(yè)技術(shù)綜合訓(xùn)練，提升綜合應(yīng)用能力的目的．

1 工藝流程

工藝流程模擬制造企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，完成從原材料出庫到成品產(chǎn)出入庫的產(chǎn)品生產(chǎn)過程，機器人FAS生產(chǎn)線工藝流程如圖1所示，具體過程如下：

1）通過傳感器檢測托盤狀態(tài)，流水帶將狀態(tài)正確的托盤送至出庫工位，原料庫掃描原材料，并送至出庫位，機器人取料放入托盤．

2）通過傳感器檢測托盤狀態(tài)，流水帶將狀態(tài)正確的托盤送至裝配工位．成品庫掃描空倉位，送至入庫位．

3）機器人從配件庫抓取配件．

4）機器人將配件裝配到原材料上．配件庫掃配件，并送至出庫位．

5）傳感器檢測成品中是否包含配件．

6）流水帶將狀態(tài)正確的成品傳送至入庫工位．

7）機器人將成品送入成品庫空倉位．

圖1 機器人FAS生產(chǎn)線工藝流程

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

機器人簡易生產(chǎn)線硬件控制系統(tǒng)如圖 2所示，本系統(tǒng)的控制過程為：總控單元向各個子單元發(fā)送控制指令，子單元按照總控單元的指令動作和過程控制．同時，實時向總控單元發(fā)送信息，從而實現(xiàn)總控單元對整個生產(chǎn)線的綜合控制．該系統(tǒng)由總控單元、搬運及裝配單元、倉庫單元、自動化輸送線單元幾部分組成，如圖3、圖4所示．

圖2 機器人FAS生產(chǎn)線硬件系統(tǒng)框圖

2.1 總控單元

PLC可編程控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置．它具有可靠性高、抗干擾能力強、體積小、重量輕、能耗低、建造工作量小、維護方便、容易改造等特點，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡等各個行業(yè)．本系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC作為總控單元[1-3]，向各子單元發(fā)送控制命令，同時接收各子單元及各傳感器的狀態(tài)，做出判斷，向子單元發(fā)送下一步控制命令，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制．

2.2 搬運及裝配單元

搬運及裝配單元采用MOTOMAN工業(yè)機器人，是一種串聯(lián)關(guān)節(jié)式機器人．PLC通過讀取各子站狀態(tài)及輸送線上待加工工件的狀態(tài)，做出判斷，向機器人發(fā)送，原料出庫、配件出庫、裝配、入庫命令，控制機器人完成搬運、裝配等動作，機器人完成對應(yīng)動作后，向PLC發(fā)送動作完成信號，從而使 PLC得到機器人目前狀態(tài)，實現(xiàn) PLC對機器人的控制．

圖3 機器人FAS生產(chǎn)線示意圖

2.3 倉庫單元

倉庫單元由一個雙層旋轉(zhuǎn)倉庫和一個單層旋轉(zhuǎn)倉庫及步進電機、零位開關(guān)、工件檢測微動開關(guān)組成．PLC通過FM353定位模塊控制步進電機，以達到對倉庫倉格精準(zhǔn)定位的作用．PLC根據(jù)當(dāng)前執(zhí)行工序，通過工件檢測微動開關(guān)對倉庫倉格進行掃描，再根據(jù)倉格的狀態(tài)及倉庫單元所處的位置進行計算，控制步進電機將滿足要求的倉格運動到出庫或入庫位，由MOTOMAN機器人完成出庫或入庫工作．當(dāng)原料或配件庫材料都已經(jīng)用完，或者成品庫已滿，PLC會控制整個系統(tǒng)停止，并發(fā)出報警信號，等待現(xiàn)場管理人員處理．

2.4 自動輸送線單元

自動輸送線單元由皮帶輸送機、變頻器、三相異步電機、對射光電傳感器、氣動定位裝置及導(dǎo)向條組成．本系統(tǒng)中皮帶輸送機采用變頻調(diào)速，皮帶運行速度2～5 m/min．PLC根據(jù)當(dāng)前工序通過對射光電傳感器對工件托盤及工件狀態(tài)進行判斷，控制皮帶輸送機將正常狀態(tài)的托盤及工件傳送到對應(yīng)工位，驅(qū)動氣動定位裝置將托盤及工件停留在此工位，等待機器人完成出庫、入庫或裝配動作．當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，如等待原料出庫的托盤內(nèi)仍有物料，或者完成裝配動作的工件未發(fā)現(xiàn)裝配件等，此時PLC控制皮帶輸送機將異常狀態(tài)的托盤送到異常狀態(tài)區(qū)，停止整個系統(tǒng)，并發(fā)出報警信號，等待現(xiàn)場管理人員處理．

圖4 機器人FAS生產(chǎn)線

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

機器人自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計在保證機器人 FAS生產(chǎn)線功能實現(xiàn)的同時還需要兼顧生產(chǎn)效率與系統(tǒng)可靠性．在控制軟件設(shè)計上，充分利用PLC系統(tǒng)的優(yōu)點，控制雙層料庫、單層料庫和傳送帶這3個單元并行動作，通過機器人信號協(xié)調(diào)各單元動作，實現(xiàn)系統(tǒng)整體有條不紊的運行[4]．這種方式相較于順序執(zhí)行方式，縮短了產(chǎn)品的單件工時，提高了生產(chǎn)效率，并且考慮了生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的幾種異常狀況，增強了系統(tǒng)的可靠性．如圖5所示，該機器人自動生產(chǎn)線的具體控制過程為：

1）系統(tǒng)復(fù)位，生產(chǎn)線啟動，原料庫、配件庫通過工件檢測傳感器尋找待出庫工件，并將找到的工件傳送到出庫位．同時流水帶將料盤向等待工件出庫工位傳送，通過光電對射傳感器檢測料盤內(nèi)是否有工件存在，若料盤為空，氣動定位裝置動作，將料盤停留在等待出庫工位．

2）系統(tǒng)判斷有原料待出庫的同時料盤抵達工件出庫工位，向機器人發(fā)送原料出庫指令，機器人執(zhí)行出庫程序，將原料從原料庫搬運至料盤中，完成后發(fā)送出庫完成信號．

3）系統(tǒng)接收到出庫完成信號后，控制流水帶將料盤向裝配工位傳送，通過光電對射傳感器檢測料盤內(nèi)是否有工件存在，若料盤內(nèi)有工件，氣動定位裝置動作，將料盤停留在等待裝配工位．同時成品庫通過工件檢測微動開關(guān)尋找空倉位，并將空倉位傳送到入庫位．

4）系統(tǒng)判斷料盤抵達工件裝配工位同時有配件待出庫，向機器人發(fā)送裝配指令，機器人執(zhí)行裝配程序，將配件從配件庫中取出并完成工件裝配動作，完成后發(fā)送裝配完成信號．

5）系統(tǒng)接收到裝配完成信號后，控制流水帶將成品工件向入庫位傳送，通過光電對射傳感器2檢測配件，若檢測到配件，氣動定位裝置動作，將料盤停留在等待入庫工位．同時配件倉通過工件檢測微動開關(guān)尋找下一待出庫配件，并將配件傳送至出庫位．

6）系統(tǒng)判斷有成品待入庫同時料盤抵達工件入庫工位，向機器人發(fā)送成品入庫命令，機器人執(zhí)行入庫程序，將成品工件從料盤搬運至成品庫的空倉位中，完成后發(fā)送入庫完成信號．

7）接收到入庫完成信號后，控制流水帶將料盤向等待出庫工位傳送，開始下一個產(chǎn)品裝配作業(yè)．

該系統(tǒng)設(shè)計了生產(chǎn)過程中常見的3種異常狀況的檢測與處理，在每個工序都會對與該工序相關(guān)的單元狀態(tài)進行判斷：

1）在原材料出庫工序，會判斷料盤是否為空、原料庫是否為空，若料盤內(nèi)有工件或者原料庫沒有原料，均會判定為狀態(tài)異常．

2）在裝配工序，會判斷料盤內(nèi)是否有工件、配件庫是否為空，若料盤內(nèi)沒有工件或者配件庫沒有原料，均會判定為狀態(tài)異常．

3）在成品入庫工序，會判斷成品上是否有配件、成品庫是否有空倉位，若成品上未發(fā)現(xiàn)配件或者成品庫沒有發(fā)現(xiàn)空倉位，均會判定為狀態(tài)異常．

任何異常情況出現(xiàn)，PLC都會停止整個生產(chǎn)線，發(fā)出報警信號，等待現(xiàn)場管理人員處理．

4 應(yīng)用及實現(xiàn)教學(xué)效果

本文搭建的一套模擬工業(yè)現(xiàn)場實際應(yīng)用的機器人FAS生產(chǎn)線綜合實訓(xùn)系統(tǒng)，包含多種工業(yè)現(xiàn)場常用的專業(yè)技術(shù)．本系統(tǒng)具有良好的開放性和柔性，可讓學(xué)生從控制柜配線到整個系統(tǒng)的組成和原理都有一個全面的認識和理解；可根據(jù)不同的實訓(xùn)目的自由組合完成不同實訓(xùn)項目，達到對各種專業(yè)技術(shù)綜合訓(xùn)練，提升綜合應(yīng)用能力的目的；也可根據(jù)需求重新構(gòu)建，達到創(chuàng)新的目的．本系統(tǒng)應(yīng)用于機電一體化綜合實訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計、社團活動、對外培訓(xùn)等，實踐證明，可有效提升學(xué)生的專業(yè)技術(shù)綜合應(yīng)用能力．

圖5 機器人FAS生產(chǎn)線軟件流程圖

[1] 胡健．西門子S7-300PLC應(yīng)用教程[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007．

[2] 廖常初．S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)（第3版）[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2011．

[3] 韓裕生，喬志花，張金．傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2013．

[4] NX100操作要領(lǐng)書[Z]．安川電機SGM-CSO-A032．