基于PLC的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研制*

□□ 李 亮，李鵬飛，靳寶強(qiáng) (.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006；.晉中市華泰數(shù)控技術(shù)有限公司，山西 晉中 030600)

引言

隨著我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和快速發(fā)展，制造領(lǐng)域大量應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)，企業(yè)急需大量熟悉和掌握工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的專業(yè)人才。在這種趨勢(shì)下，大多數(shù)職業(yè)院校紛紛開(kāi)設(shè)了與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的專業(yè)或方向。雖然市面上與該專業(yè)教學(xué)相配套的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)有很多種，但是從功能上、質(zhì)量上、價(jià)格上、后期服務(wù)上等，都很難完全滿足各職業(yè)院校的教學(xué)情況。因此，筆者團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一種滿足于教學(xué)和實(shí)訓(xùn)需求的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，既能通過(guò)研發(fā)過(guò)程有效提升團(tuán)隊(duì)科研創(chuàng)新能力，又能降低整套實(shí)訓(xùn)設(shè)備的采購(gòu)費(fèi)用。

1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)架構(gòu)圖如圖1所示，總體分為設(shè)備層、控制層和應(yīng)用層。設(shè)備層由廣數(shù)工業(yè)機(jī)器人、小型輸送帶、傳感器、物料臺(tái)等組成；控制層由PLC(可編程邏輯控制器)、HMI(人機(jī)界面)組成；應(yīng)用層是工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的應(yīng)用體現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)搬運(yùn)、碼垛、自動(dòng)產(chǎn)線等功能。三者關(guān)系是控制層向設(shè)備層發(fā)送各種信號(hào)、指令，控制相應(yīng)的設(shè)備動(dòng)作，同時(shí)設(shè)備層向控制層發(fā)送各種反饋信號(hào)，最終平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)或碼垛等應(yīng)用。

圖1 工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)架構(gòu)圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)上述平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)，工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為以下幾個(gè)模塊：

(1)操作面板模塊：即HMI人機(jī)界面，選擇西門子KPT900Basic型號(hào)觸摸屏作為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)操作面板模塊的載體，該模塊主要訓(xùn)練人機(jī)界面設(shè)計(jì)和編程的能力。在“工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維”、“工業(yè)機(jī)器人編程應(yīng)用”和“工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用”1+X職業(yè)技能等級(jí)考核里，都有相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)要求學(xué)生掌握。

(2)搬運(yùn)模塊：本質(zhì)上是一臺(tái)3自由度機(jī)器人，如圖2所示。通過(guò)PLC編程可以控制該機(jī)器人的末端執(zhí)行器沿著X、Y和Z三個(gè)方向任意移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在一個(gè)地方“抓取”工件搬運(yùn)到另一個(gè)地方。該模塊主要訓(xùn)練學(xué)生的PLC編程能力。

圖2 平臺(tái)搬運(yùn)模塊

(3)碼垛及排序模塊：設(shè)計(jì)了如圖3所示的兩種物料臺(tái)(A為臺(tái)階型和B為平面型)，圖中一系列的“圓坑”是工件的擺放位置，即“倉(cāng)位”。通過(guò)這兩種臺(tái)子擺放位置的不同、再搭配不同的碼垛或排序要求，就可以組合出足夠數(shù)量的“賽題”，滿足和豐富師生教學(xué)或?qū)嵱?xùn)的需求。

圖3 平臺(tái)碼垛及排序模塊

(4)PLC控制模塊：該模塊選用西門子SIMATIC S7-1200作為整個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的控制核心。該種PLC具有緊湊型、模塊化特點(diǎn)，可完成簡(jiǎn)單邏輯控制、高級(jí)邏輯控制、觸摸屏和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)，易于設(shè)計(jì)和實(shí)施。

(5)輸送帶模塊：該模塊主要用于模擬實(shí)際生產(chǎn)線的工作流程。

(6)物料檢測(cè)模塊：通過(guò)布置在臺(tái)階型和平面型物料臺(tái)面上的位置傳感器，可以檢測(cè)出每個(gè)傳感器前面的倉(cāng)位中是否有物料(工件)。主要訓(xùn)練傳感器技術(shù)的應(yīng)用能力。

(7)送料模塊：采用廣數(shù)工業(yè)機(jī)器人(型號(hào)GSK RB08)作為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的送料模塊。該模塊主要完成從指定地方取料并放置于傳送帶上或者在物料臺(tái)上面進(jìn)行碼垛、排序等動(dòng)作。該模塊主要訓(xùn)練工業(yè)機(jī)器人的操作與編程能力。

將上述(1)～(7)模塊集成到工作臺(tái)上，構(gòu)成了工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，既可以在教學(xué)中進(jìn)行綜合訓(xùn)練，又可以單獨(dú)訓(xùn)練某些模塊。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)包括PLC編程、工業(yè)機(jī)器人編程、觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)和編程等。根據(jù)不同的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，編程內(nèi)容一般也不同。如圖4所示，為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的一種基礎(chǔ)流程。

圖4 平臺(tái)基礎(chǔ)流程

首先對(duì)觸摸屏進(jìn)行界面設(shè)計(jì)和編程，實(shí)現(xiàn)在觸摸屏上點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行圖4所示的基礎(chǔ)流程。RB表示工業(yè)機(jī)器人，從平面型物料臺(tái)上抓取工件放置于輸送帶指定位置，這一過(guò)程是通過(guò)工業(yè)機(jī)器人示教器編程實(shí)現(xiàn)的，之后機(jī)器人發(fā)送完成信號(hào)給PLC；輸送帶起始位置處通過(guò)位置傳感器檢測(cè)到有工件存在時(shí)開(kāi)始工作，當(dāng)工件到達(dá)下一個(gè)位置傳感器時(shí)，輸送帶停止工作，這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)通過(guò)PLC編寫程序接收來(lái)自位置傳感器發(fā)送的信號(hào)來(lái)控制輸送帶的啟動(dòng)和停止；3自由度機(jī)器人從輸送帶上吸取工件放置于臺(tái)階型物料臺(tái)上指定的位置，這一過(guò)程通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)；搬運(yùn)結(jié)束后，PLC程序判斷平面型物料臺(tái)上是否仍有工件，如果有，則重復(fù)上述過(guò)程，沒(méi)有則結(jié)束該流程。

2 平臺(tái)搭建及試驗(yàn)

筆者團(tuán)隊(duì)搭建的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)全貌如圖5所示。圖6至圖10為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要模塊展示。圖6所示的HMI人機(jī)界面利用博途W(wǎng)inCC軟件設(shè)計(jì)；圖7所示為搬運(yùn)模塊(即3自由度機(jī)器人)，依靠步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)最終實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，末端執(zhí)行器依靠氣壓系統(tǒng)產(chǎn)生真空使吸盤能夠吸取工件，依靠行程開(kāi)關(guān)傳感器發(fā)送信號(hào)使工件能夠準(zhǔn)確到達(dá)指定位置；圖8所示為碼垛及排序模塊，(a)圖為臺(tái)階型物料臺(tái)，通常作為“成品庫(kù)”，(b)圖為平面型物料臺(tái)，通常作為“原料庫(kù)”，每一個(gè)倉(cāng)位前都有位置傳感器來(lái)檢測(cè)當(dāng)前倉(cāng)位是否有工件；圖9所示為PLC控制模塊，是整個(gè)平臺(tái)的電氣控制系統(tǒng)；圖10為輸送帶模塊實(shí)物。

平臺(tái)硬件搭建好后，通過(guò)編寫圖4所示基礎(chǔ)流程的程序，經(jīng)過(guò)調(diào)試，平臺(tái)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)該流程。

圖5 平臺(tái)全貌

圖6 操作面板模塊(HMI人機(jī)界面)

圖7 搬運(yùn)模塊(3自由度機(jī)器人)

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

在工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)研制過(guò)程中，應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1)PLC控制技術(shù)。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用西門子PLC作為主控。PLC技術(shù)是依托于數(shù)字化技術(shù)與其他存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)完成數(shù)據(jù)信息采集、分析、存儲(chǔ)等過(guò)程的手段。PLC技術(shù)主要的工作任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)信息分析和存儲(chǔ)，在遇到相關(guān)性問(wèn)題之后，可以及時(shí)通過(guò)系統(tǒng)來(lái)獲取到所需要的相關(guān)信息，從而起到輔助工程順利推進(jìn)的作用。

圖8 碼垛及排序模塊

圖9 PLC控制模塊

圖10 輸送帶模塊

(2)傳感器檢測(cè)技術(shù)。在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用中，機(jī)器人和其他機(jī)電設(shè)備對(duì)自身狀態(tài)、工作對(duì)象、工作環(huán)境實(shí)施數(shù)據(jù)采集與信息整理，然后再對(duì)所收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，并及時(shí)調(diào)整機(jī)器人和其他機(jī)電設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他機(jī)電設(shè)備的正確控制。

(3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中，3自由度機(jī)器人的動(dòng)作是靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成的。步進(jìn)電機(jī)是用電脈沖信號(hào)來(lái)控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于受脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，通過(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的；通過(guò)改變通電順序，從而改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。

4 結(jié)語(yǔ)

團(tuán)隊(duì)利用PLC控制、傳感器檢測(cè)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)構(gòu)建了工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，在實(shí)踐中應(yīng)用后，能夠滿足教學(xué)要求，同時(shí)也可以為相關(guān)企業(yè)研制工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成提供借鑒。