工業(yè)自動化生產(chǎn)線中機(jī)器人及PLC的集成控制策略

摘要：當(dāng)前工業(yè)技術(shù)的不斷更新迭代，促使工業(yè)生產(chǎn)也更加趨向自動化的發(fā)展模式，目前在國內(nèi)很多生產(chǎn)型企業(yè)為了提升生產(chǎn)效率保障生產(chǎn)質(zhì)量，引入了自動生產(chǎn)線，通過機(jī)器人設(shè)備來提升生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和效率。而PLC集成控制技術(shù)的應(yīng)用，將其與機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用結(jié)合在一起，不僅能夠更高地提升機(jī)器人生產(chǎn)的效率和質(zhì)量而且能夠更好地提升工業(yè)自動化的水平。本文針對PLC的集成控制以及工業(yè)自動化生產(chǎn)線中機(jī)器人的應(yīng)用進(jìn)行闡述，就其發(fā)展趨勢以及系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而更加有效地對工業(yè)自動化過程中機(jī)器人的應(yīng)用水平的提升。

關(guān)鍵詞：工業(yè)自動化;生產(chǎn)線;PLC;集成控制

引言：

PLC技術(shù)在實際應(yīng)用中具有一定的靈活性并且能夠適應(yīng)很多應(yīng)用場景。具體應(yīng)用過程中編程相對簡單，能夠有效提升工業(yè)控制技術(shù)應(yīng)用的可靠性。而且在具體應(yīng)用過程中可以和機(jī)械、網(wǎng)絡(luò)等不同應(yīng)用領(lǐng)域相互結(jié)合，展現(xiàn)出極大的適用性。而在現(xiàn)代化的工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域，PLC控制技術(shù)的應(yīng)用更多地出現(xiàn)在工業(yè)化的生產(chǎn)過程中，為機(jī)電一體化、智能化以及自動化的發(fā)展提供更大的助力。作為相關(guān)技術(shù)人員需要不斷地去探索工業(yè)自動化生產(chǎn)線中機(jī)器人以及PLC集成控制的技術(shù)應(yīng)用，能夠使目前的生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用變得更加多樣且提升應(yīng)用范圍，從而使其能夠更好地為我國的工業(yè)化發(fā)展提供技術(shù)支持。

一、以PLC集成控制為主的機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用

PLC在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著非常重要的作用，它充分地與工業(yè)機(jī)器人相互結(jié)合成為工業(yè)生產(chǎn)線上的一個重要構(gòu)成。工業(yè)機(jī)器人通過簡單易操作的編程來達(dá)到重復(fù)的運(yùn)動，從而能夠循環(huán)地完成一系列的操作。而結(jié)合了PLC控制技術(shù)的機(jī)器人和設(shè)備則能夠使其控制系統(tǒng)的應(yīng)用水平得到提升，更好地提升系統(tǒng)性能和整體的操控能力，并提升了網(wǎng)絡(luò)化的通信水平[1]。當(dāng)然，工業(yè)生產(chǎn)線上根據(jù)實際的工業(yè)生產(chǎn)需求會設(shè)置多個機(jī)器人的崗位，這些機(jī)器人通過軟件程序設(shè)置來完成特定的動作，從而實現(xiàn)生產(chǎn)線流水化作業(yè)。而利用PLC控制技術(shù)將這些機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，將單一的作業(yè)單元連接成為整體的、程序化的作業(yè)整體，可以實現(xiàn)對機(jī)器人的集成化的管理控制目標(biāo)，如此一來也形成了一套自動化的工業(yè)生產(chǎn)線流程，能夠有效地提升工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，對于后續(xù)實現(xiàn)機(jī)電一體化的發(fā)展提供更多的助力。

二、關(guān)于PLC在機(jī)器人工業(yè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

（一）集成控制技術(shù)的設(shè)計理念

工業(yè)生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)集成化的控制主要是通過兩種方式，第一種是借助設(shè)備的集成化來實現(xiàn)集成控制，另外一種則是借助信息的集成化來實現(xiàn)的。前一種模式是針對不同功能的設(shè)備借助網(wǎng)絡(luò)的方式來形成一個統(tǒng)一關(guān)聯(lián)且又獨(dú)立操作的生產(chǎn)線整體，它能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線上對于不同產(chǎn)品的加工需求。而信息集成化的設(shè)備則是利用不同的功能模塊經(jīng)過對操作的要求，依照特定流程進(jìn)行規(guī)劃和配置，讓設(shè)備中的各個模塊之間實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，并結(jié)合設(shè)定的模式以及相關(guān)策略來實現(xiàn)對應(yīng)的生產(chǎn)活動[2]。PLC集成控制技術(shù)與機(jī)器人直接進(jìn)行聯(lián)動配合是工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中的重要構(gòu)成部分。在PLC集成技術(shù)的作用下能夠更好地實現(xiàn)聯(lián)動協(xié)同工作，并能夠去完成更加復(fù)雜化的生產(chǎn)內(nèi)容?？梢岳靡蕴W(wǎng)作為工業(yè)機(jī)器人以及PLC的通訊過程中的組網(wǎng)，將原本設(shè)備中不能支持以太網(wǎng)進(jìn)行通訊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)換，使其轉(zhuǎn)化成RJ45接口，并在通訊的回路中加入交換機(jī)，這樣能夠更好地便于整個系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高集成控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。關(guān)于集成控制系統(tǒng)的設(shè)計框架可以參考圖1.

（二）PLC的應(yīng)用原理

從采用PLC集成控制技術(shù)的角度來說，對生產(chǎn)線上工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制其主要控制內(nèi)容包括生產(chǎn)線的運(yùn)輸以及對貨物的裝配。那么機(jī)器人在操作方面就必須采取一系列的復(fù)雜操作才能夠滿足生產(chǎn)線的作業(yè)要求，比如對貨物的搬運(yùn)、抓取、檢測等各項具體的工作。每一項動作要求都會涉及很多的操作指令，而結(jié)合了PLC技術(shù)的應(yīng)用能夠更好地實現(xiàn)對機(jī)器人的集成化管控和操作，提升設(shè)備系統(tǒng)的整體性能。在這里集成控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用原理表現(xiàn)在：系統(tǒng)中將PLC作為工業(yè)生產(chǎn)線中的主要核心控制器，然后借助傳感器以及操控面板來進(jìn)行相關(guān)指令的傳輸和下達(dá)，結(jié)合實際需求對系統(tǒng)中的不同指令進(jìn)行設(shè)計，然后再結(jié)合傳感器來實現(xiàn)對設(shè)備的有效控制，確保設(shè)備的運(yùn)行符合預(yù)期。在這里主要是結(jié)合PLC對于氣缸的驅(qū)動作用，設(shè)備中的電磁閥在接收到PLC所傳輸?shù)闹噶钪?，可以通過吸合與釋放氣缸的方式來實現(xiàn)對相關(guān)部件的控制[3]。而PLC在整個過程中則是通過接收和發(fā)出信號的方式來實現(xiàn)對設(shè)備的控制，進(jìn)而達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)線的作業(yè)目標(biāo)。

（三）PLC的集成控制通信方案

PLC的硬件構(gòu)成較為簡單，主要有電源、輸入/輸出單元、中央處理器、存儲設(shè)備以及外部接口和擴(kuò)展口等幾個方面，具體的結(jié)構(gòu)構(gòu)成可見圖2.

在運(yùn)行過程中PLC系統(tǒng)在執(zhí)行程序的過程中是保持著不斷地循環(huán)掃描，每一個掃描周期就會被稱為一個工作周期。在這個周期內(nèi)分別又依照不同階段劃分為不同的內(nèi)容，包括內(nèi)部處理、通信處理、輸入掃描、執(zhí)行用戶程序以及輸出處理這個五個不同的階段，由此在系統(tǒng)執(zhí)行的過程中，生產(chǎn)線的流程會結(jié)合性地進(jìn)行推進(jìn)。

（四）生產(chǎn)線機(jī)器人的設(shè)計

1.升降結(jié)構(gòu)設(shè)計

在對生產(chǎn)線機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計時，升降功能是必不可少的一個環(huán)節(jié)，所以在設(shè)計過程中必須充分考慮到垂直方向的支架的支撐力以及對應(yīng)的作業(yè)需求，確保機(jī)器人在工作過程中的定位精準(zhǔn)。一般情況下升降設(shè)備是由氣壓缸、活塞缸、活塞等構(gòu)件構(gòu)成的?；钊诨钊椎淖饔孟聛韺崿F(xiàn)垂直方向的動作，而氣缸則是驅(qū)動這個機(jī)械臂的構(gòu)件，通過相互配合來實現(xiàn)機(jī)器臂對整體裝配運(yùn)動的控制[4]。

2.機(jī)器人手臂

為了確保機(jī)器人手臂的靈活性會在設(shè)備上面設(shè)置氣缸、齒輪、活塞以及傳感器等構(gòu)件，以確保其能夠依照設(shè)計要求完成相應(yīng)的動作。尤其是旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是機(jī)器人在設(shè)計過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)，它能夠保障機(jī)器人處于一個正常運(yùn)動的狀態(tài)中。為了滿足設(shè)備旋轉(zhuǎn)過程中的靈活度設(shè)計時采用了齒輪、齒條以及活塞等配件，以確保在PLC的控制下能夠更加靈活。旋轉(zhuǎn)編碼器是確保機(jī)械臂在旋轉(zhuǎn)過程中精度控制時的重要裝備，通常會采用9000線以上的高分辨率的編碼器。

3.傳感器

為了能夠滿足不同的使用需求所以傳感器在設(shè)置過程中會選擇多種類型的接收方式，因此其所能接收的數(shù)據(jù)種類也因此變得更多。目前主要分為動力傳感器、視覺傳感器以及激光傳感器等。結(jié)合了PLC集成控制系統(tǒng)，能夠更好地對生產(chǎn)線上的產(chǎn)品信息進(jìn)行采集，以此來實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中的自動化定位、追蹤、生產(chǎn)信息查詢等功能，從而為設(shè)備在開展作業(yè)以及不同類型的作業(yè)需求提供可能性。

4.手抓結(jié)構(gòu)

手抓結(jié)構(gòu)是確保整個生產(chǎn)線上機(jī)器人完成相關(guān)指令的重要構(gòu)成也是整個系統(tǒng)設(shè)計中的重要內(nèi)容。機(jī)械臂在兩位電磁閥的作用下來實現(xiàn)抓取和松開這兩個動作。整個動作的啟動和完成都需要依靠壓縮空氣作為動力源，然后在電磁閥對氣缸作用下來實現(xiàn)對物體的抓起和松開。在整個過程中，接入電的電磁閥會將壓縮空氣壓縮到氣缸中，然后帶動對應(yīng)的活塞來進(jìn)行對應(yīng)的動作，推動齒輪來完成機(jī)械臂的手部抓取作業(yè)。

（五）PLC

在目前開展的自動化工業(yè)生產(chǎn)線中結(jié)合了PLC集成控制系統(tǒng)的機(jī)器人多為ABB、Kuka、Fanuc、安川等主流機(jī)型。在對機(jī)器人的操作進(jìn)行控制時一般會分成兩個層級，第一級主要是針對網(wǎng)絡(luò)通信的相關(guān)工作內(nèi)容。而第二級則是負(fù)責(zé)工廠現(xiàn)場總線的通信技術(shù)需求。兩級通信技術(shù)的應(yīng)用能夠讓我們在生產(chǎn)作業(yè)線的控制變得更加靈活且便利。可以通過實現(xiàn)機(jī)器人設(shè)備之間的通信，繼而完成對機(jī)器人設(shè)備的同步控制從而進(jìn)一步提升整個工業(yè)生產(chǎn)線上機(jī)器人的作業(yè)精準(zhǔn)度。為提升生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)質(zhì)量提供基礎(chǔ)。

1.在PLC集成控制下的機(jī)器人應(yīng)用

結(jié)合了PLC集成控制的機(jī)器人系統(tǒng)主要設(shè)置了PLC主控單元、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及和機(jī)器人相對應(yīng)的輸送單元和立體倉庫單元等內(nèi)容[5]。PLC控制系統(tǒng)的作用就是來讀取控制系統(tǒng)中的對應(yīng)信息，然后向下或向上發(fā)出信息用于發(fā)送或是接收，從而形成能夠控制各個執(zhí)行模塊的指令;裝配在生產(chǎn)線中的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以讀取近4cm的工件信息;此時輸送信道則被分為環(huán)形或是直線型兩種，分別輸送交流和直流調(diào)速系統(tǒng);立體倉庫被劃分為9個倉位，在實際應(yīng)用過程中會結(jié)合對應(yīng)的組件信息來調(diào)配倉庫的具體位置。在PLC集成控制下的工程生產(chǎn)線上的機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)的最大目標(biāo)就是將手動操作與連續(xù)性操作結(jié)合在一起。通過軟硬件的提升，實現(xiàn)了輸出與輸入目標(biāo)的一致性，繼而能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行更優(yōu)化的控制。同時利用傳感器來實時進(jìn)行定位追蹤，以提升機(jī)器人手臂作業(yè)的精準(zhǔn)性。

2.軟件設(shè)計

在進(jìn)行軟件設(shè)計的過程中需要結(jié)合生產(chǎn)線需求，對PLC集成控制進(jìn)行合理的設(shè)計，從而能夠滿足整個生產(chǎn)線的流程化作業(yè)。

在進(jìn)行整體流程設(shè)計時，傳感器會接收到PLC所發(fā)送的指令，這時工件庫會結(jié)合指令要求向傳送帶依照順序推送配件，為后續(xù)的工作做準(zhǔn)備。系統(tǒng)中的RFID檢測環(huán)節(jié)對工件信息進(jìn)行核對，符合設(shè)定要求的工件會傳輸?shù)綄?yīng)的位置并進(jìn)行下一步的工序操作。而不符合的工件則會依照指令傳回到相應(yīng)的位置。此時倉庫料的占位信息會隨著工件的改變而改變并將相關(guān)信息傳輸?shù)搅硗庖粋€機(jī)器人，另外一個機(jī)器人會結(jié)合工序流程開展對應(yīng)的作業(yè)，從而逐步形成一套完整的生產(chǎn)線流程。在程序設(shè)計的過程中，PLC會直接對機(jī)器人的模塊功能進(jìn)行控制，來逐步實現(xiàn)對整個機(jī)器人生產(chǎn)線的控制，使控制系統(tǒng)變得更加的智能化[6]。關(guān)于集成化控制生產(chǎn)線上機(jī)器人的通信設(shè)計規(guī)格主要可參考下表1.

結(jié)束語

結(jié)合上文所闡述的相關(guān)內(nèi)容我們可以看出，PLC技術(shù)在具體應(yīng)用過程中能夠使原本工業(yè)流水線上的機(jī)器人設(shè)備在控制方面變得更加集成化、自動化以及智能化。有效地提升了生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。在使用PLC控制工業(yè)生產(chǎn)線上的機(jī)器人時，要明確機(jī)器人自身的功能和可操作的范圍，從而能夠結(jié)合生產(chǎn)線的工序以及自身結(jié)構(gòu)和PLC集成控制系統(tǒng)來對其進(jìn)行合理化的設(shè)計，從而讓整個生產(chǎn)線的作業(yè)效率和精度變得更加優(yōu)化，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動化、現(xiàn)代化以及工業(yè)發(fā)展數(shù)字化的目標(biāo)實現(xiàn)。

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簡介：劉新海 南京大地水刀股份有限公司 男，1975年10月，鹽城市人 現(xiàn)為中級工程師，研究方向為：機(jī)械工程自動化