基于PLC與工業(yè)機(jī)器人打磨工作站的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李鵬濤 鄭甲紅 何凱 徐耀輝

摘要：為提高打磨工作的自動(dòng)化水平，設(shè)計(jì)一種基于PLC與工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化打磨工作站的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化打磨功能。系統(tǒng)采用松下PLC與ABB機(jī)器人作為控制核心，根據(jù)對(duì)打磨工作站所要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作及時(shí)序配合的分析，對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，結(jié)合多傳感器信息融合技術(shù)，對(duì)各執(zhí)行部件進(jìn)行精準(zhǔn)控制;實(shí)驗(yàn)表明該打磨控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)交互性好，大大提高了打磨工作站的自動(dòng)化水平。

Abstract： In order to improve the automation level of grinding work， a control system of automatic grinding workstation based on PLC and industrial robot is designed to realize the function of automatic grinding. The system adopts Panasonic PLC and ABB robot as the control core. According to the analysis of the timely sequence of the action to be realized by the grinding workstation， the hardware and software of the system are designed. The system realizes the man-machine interaction through the upper computer， combines the multi-sensor information fusion technology， carries on the accucomponent， the experiment shows that the grinding control system runs stably， the man-machine interaction is good， The automation level of grinding workstation is greatly improved.

關(guān)鍵詞：PLC控制;工業(yè)機(jī)器人;系統(tǒng)設(shè)計(jì);打磨

Key words： PLC control;industrial robot;system design;grinding

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0198-03

0? 引言

如今，隨著制造行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工打磨由于勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作環(huán)境差、職業(yè)病頻發(fā)，同時(shí)打磨效率低下、質(zhì)量一致性差，已經(jīng)無法滿足企業(yè)的需要;與此同時(shí)，工業(yè)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，也使得現(xiàn)代打磨技術(shù)不斷推陳出新[1]。本文以自動(dòng)化打磨工作站為研究對(duì)象，為改善傳統(tǒng)的人工打磨加工模式，從而集成工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種技術(shù)。研究送料、打磨及下料的工藝流程，從而設(shè)計(jì)一套完整的打磨控制系統(tǒng);PLC抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定，工業(yè)機(jī)器人靈活方便適合于打磨作業(yè)[2]。

1? 自動(dòng)化打磨工作站系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

自動(dòng)化打磨工作站由如圖1所示的送料模塊、機(jī)器人模塊、打磨平臺(tái)、控制柜和設(shè)備機(jī)架組成。由于機(jī)器人末端執(zhí)行器需要夾取零件背面才能進(jìn)行打磨，而采用震動(dòng)盤進(jìn)行送料只能保證零件的正面朝上，因此送料模塊特別設(shè)計(jì)一套翻轉(zhuǎn)定位裝置將零件進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)。自動(dòng)化打磨工作站的工作原理為：絞肉機(jī)刀片經(jīng)振動(dòng)盤、直震板送至翻轉(zhuǎn)定位裝置，翻轉(zhuǎn)定位裝置翻轉(zhuǎn)并定位絞肉機(jī)刀片使其背面朝上，當(dāng)翻轉(zhuǎn)成功，機(jī)器人感知信號(hào)通過末端執(zhí)行器對(duì)零件進(jìn)行夾取;成功取到零件打磨平臺(tái)電機(jī)開啟，機(jī)器人進(jìn)行打磨作業(yè)，首先進(jìn)行粗磨，然后進(jìn)行精磨，最后將打磨完成的零件放置在設(shè)備取料口從而完成一個(gè)零件的打磨循環(huán)，打磨工序流程如圖2所示。

2? 自動(dòng)打磨控制系統(tǒng)策略

自動(dòng)打磨工作站采用分層模塊化控制策略，打磨工作站的送料模塊由PLC感知光電、位置信號(hào)變化來處理執(zhí)行元件;機(jī)器人運(yùn)行打磨路徑由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器來完成，通過Mastercam軟件來進(jìn)行打磨刀路劃分，并通過Robotmaster軟件生成機(jī)器人仿真軌跡如圖4所示并生成后處理文件;其抓取釋放動(dòng)作與檢測由機(jī)器人控制器的DSQC1030模塊與PLC接口連接感知信號(hào)變化從而進(jìn)行抓取零件、打磨零件、釋放零件等三個(gè)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn);打磨平臺(tái)的啟停與粗精打磨轉(zhuǎn)速的控制由PLC與變頻器通過RS485通信進(jìn)行控制;打磨平臺(tái)設(shè)計(jì)采用FERROBOTICS活性觸覺法蘭通過Internet接口與工控機(jī)進(jìn)行通信連接，以保證打磨力度的均衡;最后PLC經(jīng)過USB通信線連接工控機(jī)，通過上位機(jī)程序?qū)ψ詣?dòng)化打磨工作站進(jìn)行啟停、急停、設(shè)備故障檢測與復(fù)位等功能的控制，其控制系統(tǒng)的通信方案如圖3所示。

3? 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)打磨工作站控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，包括PLC、機(jī)器人控制器、工控機(jī)、變頻器、驅(qū)動(dòng)器、電磁閥及各傳感器等。各執(zhí)行元件主要由PLC和機(jī)器人控制器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制處理。上位機(jī)程序?yàn)槿藱C(jī)交互界面，對(duì)打磨工作站進(jìn)行各類操作控制。

各控制系統(tǒng)硬件的選型如下：

①PLC控制模塊：PLC控制模塊采用松下FPX-C60T PLC，輸入32個(gè)點(diǎn)，輸出28個(gè)點(diǎn);其I/O點(diǎn)分配如表1所示;松下自帶FPWIN-GR編程軟件指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，操作簡單，通信機(jī)制的一致性使用者帶來很多方便，具備USB接口與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。

②機(jī)器人控制器：采用ABB第五代機(jī)器人控制器IRC5，其擁有卓越的運(yùn)動(dòng)控制功能，配備觸摸屏和操縱桿編程功能的FlexPendant示教器、靈活的RAPID編程語言及強(qiáng)大的通信能力[3];機(jī)器人的DSQC1030模塊與PLC通信實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與其他模塊的互動(dòng)。

③工控機(jī)：采用研華控端IPC-5120A酷睿四代小型工控機(jī)，支持RS422和RS485模式通信模式;工控機(jī)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的統(tǒng)籌作用。

④變頻器：采用臺(tái)創(chuàng)TES300A43B型號(hào)變頻器，內(nèi)置多功能輸入輸出端子，支持RS485內(nèi)置序列通信功能，與PLC進(jìn)行通信對(duì)伺服電機(jī)的啟停方式、啟停、加減速時(shí)間及轉(zhuǎn)速等進(jìn)行設(shè)置。

⑤活性接觸法蘭：采用奧地利FERROBOTICS活性觸覺法蘭ACF110型號(hào);支持正負(fù)500N恒力控制及0-35mm伸縮量，能在精細(xì)的操作中保證快速的響應(yīng)時(shí)間以及高度的時(shí)效性。

4? 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

自動(dòng)打磨工作站的主控制模塊之一的PLC模塊是由松下FPX-C60T PLC來完成。根據(jù)打磨工作站工作原理進(jìn)行順序程序設(shè)計(jì)，根據(jù)各傳感器檢測零件所在的位置來執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。主要進(jìn)行對(duì)送料上料模塊的控制、對(duì)機(jī)器人及末端執(zhí)行器進(jìn)行通信互動(dòng)、砂帶機(jī)進(jìn)行控制以及與上位機(jī)進(jìn)行通信這四個(gè)方面的控制工作如圖6所示部分PLC程序圖。為了程序的簡潔與檢查方便性，在程序設(shè)計(jì)上采用各模塊化編程。

根據(jù)打磨工作控制需要，PLC程序設(shè)計(jì)需要完成以下設(shè)計(jì)工作內(nèi)容。完成對(duì)包括設(shè)備檢測，設(shè)備電路管控;正常工作狀態(tài)下，從送料開始控制，由光電傳感器感知并控制震動(dòng)盤與直震板的啟停，并設(shè)置最佳震動(dòng)頻率，以保證送料協(xié)調(diào)配合;翻轉(zhuǎn)定位裝置的控制，確定各部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，保證各部件配合的流暢;與機(jī)器人控制器之間的通信來保證機(jī)器人能準(zhǔn)確抓取零件進(jìn)行打磨，機(jī)器人收到抓取信號(hào)通過末端執(zhí)行器進(jìn)行抓取，是否抓取到則通過光電傳感器進(jìn)行檢測;對(duì)打磨平臺(tái)電機(jī)進(jìn)行啟停控制，為節(jié)約設(shè)備功耗，在機(jī)器人抓取零件成功之時(shí)啟動(dòng)電機(jī)，由于瞬間啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致砂帶與傳動(dòng)輪之間打滑現(xiàn)象，磨損傳動(dòng)輪，所以設(shè)置砂帶機(jī)電機(jī)變頻器采用慢啟動(dòng)加速啟動(dòng)方式來使砂帶機(jī)達(dá)到所需打磨的轉(zhuǎn)速。

4.2 打磨主程序的設(shè)計(jì)

打磨機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)應(yīng)用ABB機(jī)器人RAPID編程語言進(jìn)行編寫，打磨程序設(shè)計(jì)包括主程序、機(jī)器人夾取程序、開粗打磨程序、電機(jī)換向程序、精打磨程序以及釋放零件程序。機(jī)器人夾取零件程序設(shè)計(jì)邏輯為機(jī)器人接收到夾取信號(hào)才進(jìn)行夾取;夾取成功后發(fā)送送料模塊繼續(xù)工作信號(hào)，然后進(jìn)行打磨程序;打磨程序?yàn)镽obotmaster軟件后處理且經(jīng)過調(diào)試好的程序，電機(jī)換向程序?yàn)榇蚰テ脚_(tái)轉(zhuǎn)向變換程序，轉(zhuǎn)向變化以增加砂帶機(jī)與零件之間的摩檫力來輔助末端執(zhí)行器更好的固定零件，換向程序在粗精磨之間執(zhí)行;釋放零件程序?yàn)榇蚰ネ瓿珊筢尫帕慵谌×虾?，再開啟下一個(gè)打磨循環(huán)。

5? 打磨工作站調(diào)試運(yùn)行分析

自動(dòng)化打磨工作站設(shè)備主體由底座、鋁框及有機(jī)玻璃組成的封閉空間，不僅降低打磨噪音，而且改善了打磨工作環(huán)境。設(shè)備外部配備顯示屏用以運(yùn)行上位機(jī)程序;配備主電路開關(guān)按鈕及急停按鈕用于處理緊急事故;配備三色警報(bào)燈用于提醒及警示設(shè)備運(yùn)行狀況;設(shè)備內(nèi)部安放送料模塊、機(jī)器人模塊、打磨平臺(tái)、工控機(jī)及控制柜。如圖7所示控制柜管線圖，控制柜第一層設(shè)有空氣開關(guān)及交流接觸器起到總電路的保護(hù)作用，設(shè)有作為主控系統(tǒng)的PLC，用于連接送料模塊的傳感器與執(zhí)行部件、連接機(jī)器人DSQC1030模塊接線及工控機(jī)等;控制柜第二層設(shè)有打磨平臺(tái)伺服電機(jī)變頻器用以設(shè)置電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，設(shè)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于控制送料模塊用于翻轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)及電磁閥;第三層及側(cè)邊設(shè)有電源及繼電器。

設(shè)備控制系統(tǒng)搭建完成，控制系統(tǒng)組件完備，經(jīng)過不斷的調(diào)試優(yōu)化，包括送料模塊的節(jié)奏控制，優(yōu)化PLC控制程序，使送料更為流暢;優(yōu)化打磨的軌跡使打磨出來的零件更符合規(guī)定要求，優(yōu)化打磨路徑與打磨速度使打磨效率更高，如圖8正在進(jìn)行打磨實(shí)驗(yàn);且不斷排除解決設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的故障，使設(shè)備運(yùn)行更為穩(wěn)定，優(yōu)化設(shè)備操作步驟，使工作人員能在短時(shí)間內(nèi)熟練設(shè)備操作及故障檢測與排除;經(jīng)過長時(shí)間的調(diào)試運(yùn)行其設(shè)備打磨效率為人工打磨的三倍，如圖9打磨前后對(duì)比圖所示，打磨后的零件完全去除了表面氧化物符合工業(yè)生產(chǎn)需求，且設(shè)備打磨一致性更好，長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定。

6? 結(jié)束語

針對(duì)一種絞肉機(jī)刀片傳統(tǒng)人工打磨方式轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化工業(yè)生產(chǎn)打磨方式之間存在的問題與難點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化打磨控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用松下PLC和ABB機(jī)器人IRC5控制器為控制核心，融合多傳感器的自動(dòng)化打磨工作站。經(jīng)過不斷的調(diào)試運(yùn)行，該系統(tǒng)工作站能自動(dòng)完成送料、機(jī)器人取料、拋光打磨、下料等功能。實(shí)際應(yīng)用證明，整體運(yùn)行穩(wěn)定，工作效率高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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