基于PLC控制的機(jī)器人無人車間系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王燕 林黨養(yǎng)

摘 要：本課題研究和解決將工業(yè)機(jī)器人結(jié)合自動化技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)際中，提高各個生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)的模塊化、智能化，取代工人從事復(fù)雜、重復(fù)的操作，幫助企業(yè)做到產(chǎn)業(yè)升級，技術(shù)改進(jìn)，提高產(chǎn)品競爭力、保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率，從根本上解決當(dāng)前部分企業(yè)的技術(shù)困境和技術(shù)升級。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；PLC技術(shù)；AGV技術(shù)；視覺系統(tǒng)；無人車間

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.041

0 引言

在我國機(jī)器人的使用已經(jīng)接近二十余年，基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)、引進(jìn)到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。隨著我國改革開放的逐漸深入，國內(nèi)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面對越來越大的競爭與沖擊。因此，掌握國內(nèi)機(jī)器人市場的實(shí)際情況，把握我國機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)與研究進(jìn)展，顯得尤為重要。

1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

從亞馬遜倉庫中自動裝卸貨物的機(jī)器人、富士康生產(chǎn)線裝配零件的機(jī)器人、執(zhí)行特殊危險任務(wù)的特種機(jī)器人及以智能化軍用無人機(jī)，各類用途機(jī)器人正在被廣泛地應(yīng)用于豐富的場景之中。而工業(yè)機(jī)器人是最先產(chǎn)業(yè)化的機(jī)器人技術(shù)，綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能 、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域，適應(yīng)制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，解決單調(diào)、重復(fù)的體力勞動和提高生產(chǎn)質(zhì)量而代替人工作業(yè)[1]。

工業(yè)機(jī)器人是一種仿人操作自動控制，由操作機(jī)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感器裝置構(gòu)成，可重復(fù)編程，能在三維空間完成各種作業(yè)，特別適合于多品種、變批量柔性生產(chǎn)。對穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件的快速更新?lián)Q代起著十分重要作用。工業(yè)機(jī)器人可逐步改善勞動條件，更強(qiáng)與可控的生產(chǎn)能力，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代。提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，消除枯燥無味的工作，節(jié)約勞動力，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動強(qiáng)度，減少勞動風(fēng)險，提高機(jī)床工作效率、減少工藝過程中的工作量及降低停產(chǎn)時間和庫存，提高企業(yè)綜合競爭力[2]。

2 無人車間系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本課題研究和解決的問題是在生產(chǎn)實(shí)際中將工業(yè)機(jī)器人結(jié)合自動化技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各個生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，取代工人從事復(fù)雜、重復(fù)的操作，幫助企業(yè)做到產(chǎn)業(yè)升級，技術(shù)改進(jìn)，提高產(chǎn)品競爭力、保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率，從根本上解決當(dāng)前部分企業(yè)的技術(shù)困境和技術(shù)升級。方案實(shí)施后，預(yù)計(jì)可節(jié)省15-20名工人，節(jié)省生產(chǎn)成本近120萬/年。

為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的技術(shù)升級，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要解決企業(yè)生產(chǎn)中“機(jī)器換工”問題，設(shè)計(jì)一套實(shí)用性強(qiáng)，更新簡易，操作方便的工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用系統(tǒng)，基于西門子S7 1200 PLC編程，結(jié)合自動化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)柔性化的“無人工廠”。

根據(jù)企業(yè)具體需求，在原有的生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，改造和增加自動控制功能，開發(fā)一套基于西門子S7 1200 PLC控制的機(jī)器人無人車間系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可完成企業(yè)所需的所有功能要求。系統(tǒng)基本運(yùn)行流程描述如圖1所示：

（1）數(shù)控車床部分功能改造。

（2）直角坐標(biāo)機(jī)械手臂完成工件的裝卸。

（3）搬運(yùn)機(jī)器人完成零件搬運(yùn)及裝配。

（4）工業(yè)機(jī)器人完成焊接。

（5）工業(yè)機(jī)器人完成包裝。

（6）AGV完成成品搬運(yùn)至倉儲單元。

3 關(guān)鍵技術(shù)

此次設(shè)計(jì)根據(jù)企業(yè)的具體需求，從以下六部分進(jìn)行改造升級：

3.1 數(shù)控車床部分功能改造

原數(shù)控車床的卡盤為普通三爪卡盤，裝卸工件時費(fèi)時費(fèi)力，且因力度完全憑工人的操作感覺，用力過度破壞工件表面質(zhì)量的情況時有發(fā)生，影響產(chǎn)品的合格率。

此次改造的目的為將普通三爪卡盤更換成氣動卡盤，通過程序控制啟動回路，實(shí)現(xiàn)卡盤的自動張開、夾緊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人操作。

關(guān)鍵技術(shù)：氣動卡盤的硬件設(shè)計(jì)、氣動回路控制、自動控制技術(shù)

3.2 直角坐標(biāo)機(jī)械手臂（裝卸工件）

原有的數(shù)控車床的上下裝卸工件都由人工操作，屬于機(jī)械式的重復(fù)勞動，勞動強(qiáng)度大、技術(shù)含量低。為實(shí)現(xiàn)無人操作，設(shè)計(jì)一種機(jī)械手臂，完成工件的自動上、下料。

關(guān)鍵技術(shù)：機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、APC220無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

3.3 搬運(yùn)機(jī)器人

車間有多臺數(shù)控機(jī)床同時加工零件，需要將已加工的工件搬運(yùn)至指定位置，完成相應(yīng)的裝配任務(wù)，保證裝配精度。

關(guān)鍵技術(shù)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、高能效移動電源、單片機(jī)編程技術(shù)、APC220無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等。

3.4 視覺系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人焊接單元

關(guān)鍵技術(shù)：智能視覺識別系統(tǒng)、視覺編程、PLC控制系統(tǒng)、Profinet總線控制、以太網(wǎng)總線modbus、精確焊縫軌跡跟蹤技術(shù)等。

3.5 包裝單元

六自由度工業(yè)機(jī)器人根據(jù)放置位置的XYZ坐標(biāo)偏移和旋轉(zhuǎn)角度把物品放入箱中（部分偏移運(yùn)算由主控系統(tǒng)計(jì)算，整合到Z軸偏移中給六自由度工業(yè)機(jī)器人），并自動打包封箱。

3.6 自動倉儲單元的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

關(guān)鍵技術(shù)：AGV移動機(jī)器人自移動、自動導(dǎo)航、多傳感器控制技術(shù)，立體倉庫的控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)等。

基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)由焊接單元、包裝單元、倉儲單元等功能主要由產(chǎn)品流水線、視覺系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人（焊接）、包裝流水線、工業(yè)機(jī)器人（包裝）、AGV智能搬運(yùn)機(jī)器人、立體倉庫和碼垛機(jī)器人組成，如下圖2所示。

①產(chǎn)品流水線，將搬運(yùn)機(jī)器人裝配好的產(chǎn)品傳送給下一環(huán)節(jié)；

②智能視覺系統(tǒng)，對流水線上的產(chǎn)品進(jìn)行識別，通過智能相機(jī)識別物品數(shù)量、類型、相對于標(biāo)定原點(diǎn)的位置、相對于標(biāo)定姿態(tài)的旋轉(zhuǎn)角度并把識別結(jié)果傳輸至主控系統(tǒng)PLC；

③焊接工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，根據(jù)主控系統(tǒng)PLC發(fā)送的數(shù)據(jù)，對流水線上的產(chǎn)品進(jìn)行焊接；

④托盤流水線，負(fù)責(zé)把貨品托盤輸送到視覺檢測工位，經(jīng)視覺定位識別輸送到抓取工位；

⑤包裝機(jī)器人識別產(chǎn)品的合格與否，將合格產(chǎn)品放置于包裝流水線上的指定包裝盒中，不合格產(chǎn)品將被放置于廢品庫中；

⑥AGV智能搬運(yùn)機(jī)器人，將已包裝的產(chǎn)品與碼垛機(jī)立庫系統(tǒng)對接，沿鋪設(shè)的磁條運(yùn)行，將產(chǎn)品搬運(yùn)到立體倉庫；

⑦立體倉庫和碼垛機(jī)器人，碼垛機(jī)器人可以按需要，將成品放置立體倉庫中。

該部分系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)總線，把工業(yè)機(jī)器人、主控流水線PLC、碼垛機(jī)立庫系統(tǒng)PLC、碼垛機(jī)立庫系統(tǒng)觸摸屏、主控流水線觸摸屏、視覺系統(tǒng)、變頻器、AGV機(jī)器人以及編程開發(fā)計(jì)算機(jī)等均通過以太網(wǎng)連接。編程開發(fā)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)開發(fā)調(diào)試程序、視覺系統(tǒng)特征識別開發(fā)以及機(jī)器人示教等編程。碼垛立庫系統(tǒng)和主控流水線觸摸屏負(fù)責(zé)管理碼垛立庫系統(tǒng)、主控流水線的運(yùn)行參數(shù)，以及系統(tǒng)報(bào)警和提示信息等。本系統(tǒng)采用國際上先進(jìn)的控制理念和最新的控制產(chǎn)品，采用網(wǎng)絡(luò)化控制模式，系統(tǒng)主要控制框圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)特色

（1）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用國際上先進(jìn)的控制理念和最新的控制產(chǎn)品，采用網(wǎng)絡(luò)化控制模式，各種現(xiàn)場總線以及控制方式，為工業(yè)現(xiàn)場常用方式，有著很強(qiáng)的實(shí)用性。

主控流水線由西門子S7 1200主控制器負(fù)責(zé)管理整個系統(tǒng)的聯(lián)動運(yùn)行。通過Profinet總線控制流水線的運(yùn)動，通過高速脈沖輸出控制步進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行，通過以太網(wǎng)總線modbus TCP協(xié)議和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)和視覺識別系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并保留有通過RS232串口通訊模塊擴(kuò)展模塊，可對位置傳感器的位置信息進(jìn)行讀取。同時通過profinet總線和碼垛立庫系統(tǒng)進(jìn)行通訊，通過無線網(wǎng)絡(luò)和AGV智能搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（2）解決工業(yè)企業(yè)“機(jī)器換工”的迫切需求，加速工業(yè)企業(yè)智能化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效的同時，也使企業(yè)技術(shù)訂制成為可能；制造業(yè)向制造服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)變，為傳統(tǒng)制造業(yè)升級提供整體解決方案，可拓展服務(wù)領(lǐng)域，對企業(yè)自身轉(zhuǎn)型和帶動行業(yè)提升具有現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王一.工業(yè)機(jī)器人視覺測量系統(tǒng)的在線校準(zhǔn)技術(shù)[D].機(jī)器人，2011.

[2]劉海濤.工業(yè)機(jī)器人的高速高精度控制方法研究[D].華南理工大學(xué)，2012（01）.

[3]邢繼生，甘亞輝，戴先中.基于工件模型的工業(yè)機(jī)器人自動編程系統(tǒng)[D].機(jī)器人，2017（02）.

[4]王光祥，曹應(yīng)明.淺析基于PLC的機(jī)械手自動控制系統(tǒng)編程思路[J].新課程（下），2013（03）.

[5]常慶凱.帶操作臂的小型移動機(jī)器人系統(tǒng)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016（03）.

作者簡介：王燕（1983-），女，講師，從事機(jī)電技術(shù)研究。