PLC控制的工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)分析

楊婧文，鐘 毅

（1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211188；2.揚(yáng)州創(chuàng)繼數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 211402）

1 研究背景及意義

隨著中國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人在先進(jìn)汽車制造中的重要性也越來越凸顯。裝配機(jī)器人是柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的核心設(shè)備，由機(jī)器人操作機(jī)、控制器、末端執(zhí)行器和傳感系統(tǒng)組成。其中，控制器一般采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)編程；末端執(zhí)行器為適應(yīng)不同的裝配對(duì)象而設(shè)計(jì)成各種手爪和手腕等；傳感系統(tǒng)用來獲取裝配機(jī)器人與環(huán)境和裝配對(duì)象之間相互作用的信息。

在國內(nèi)外各大汽車公司裝配生產(chǎn)線上被廣泛采用的裝配機(jī)器人，一方面使汽車裝配自動(dòng)化水平大大提高，另一方面也減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了裝配質(zhì)量，并明顯地提高了生產(chǎn)率。近些年來機(jī)器人的觸覺和視覺系統(tǒng)已不斷完善，在汽車整車或零部件裝配過程中，機(jī)器人在裝配復(fù)雜零件上的精度速度已經(jīng)遠(yuǎn)超人工的速度。因此，用機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)組裝系統(tǒng)的自動(dòng)化是現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的必要趨勢(shì)。

2 工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

2.1 組裝系統(tǒng)介紹

本設(shè)計(jì)中的PLC控制的工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)主要由運(yùn)輸流水線，裝配流水線，工業(yè)機(jī)器人和組裝工件四大部分組成，其中運(yùn)輸流水線，裝配流水線如圖1、圖2所示。由PLC控制的運(yùn)輸流水線作用主要是將工件運(yùn)送到工業(yè)機(jī)器人的抓取位，在工件到達(dá)之后升起擋板防止發(fā)生碰撞。裝配流水線的作用是將工件夾緊二次定位便于機(jī)器人的程序示教和程序編寫。

本設(shè)計(jì)需要機(jī)器人組裝的電機(jī)模型如圖3所示。其工件尺寸如表1所示。

2.2 機(jī)器人的選型

工業(yè)機(jī)器人的選用有用途、自由度、負(fù)載、最大運(yùn)動(dòng)范圍、速度、重復(fù)定位精度六個(gè)主要參照標(biāo)準(zhǔn)，確定好應(yīng)用范圍就可根據(jù)機(jī)器人的參數(shù)確定需要的型號(hào)。本設(shè)計(jì)需要機(jī)器人組裝的是一套電機(jī)模型。工業(yè)機(jī)器人的任務(wù)是搬運(yùn)和組裝，對(duì)機(jī)器人的自由度、最大運(yùn)動(dòng)范圍、重復(fù)定位精度要求較高。所以選用機(jī)器人為匯博HR20-1700-C10機(jī)器人，如圖4所示，最大負(fù)載為20 kg，最大展開半徑為1 722 mm，具有操作空間大，操作靈活等特點(diǎn)。

2.3 機(jī)器人的控制

匯博工業(yè)機(jī)器人的控制器主要分為兩部分：主體控制柜及示教器。PLC控制模塊在控制柜中，用于控制匯博六軸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。示教器的主要作用是編程和發(fā)送控制命令給控制柜以命令機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。在編寫機(jī)器人程序前，需要合理分配機(jī)器人項(xiàng)目變量，并設(shè)置好機(jī)器人抓取放置程序和機(jī)器人組裝程序。機(jī)器人控制字為待機(jī)：100；抓取完成等待放：101；啟動(dòng)：200；工件放：105；機(jī)器人回原點(diǎn)：160。

3 PLC控制組裝系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC設(shè)計(jì)的總體要求

放有工件的托盤進(jìn)入托盤流水線，經(jīng)過流水線的運(yùn)送到達(dá)機(jī)器人抓取工件位置，由抓取位光電檢測(cè)工件是否到達(dá)機(jī)器人抓取工位，為防止工件之間碰撞，到達(dá)后托盤流水線抓取位氣缸升起PLC發(fā)送工件類型、位置給機(jī)器人后，機(jī)器人開始動(dòng)作，然后由工業(yè)機(jī)器人將工件抓取送至G8裝配流水線，并進(jìn)行裝配，最后完成裝配。

3.2 組裝系統(tǒng)控制思路

（1）實(shí)現(xiàn)運(yùn)送托盤流水線運(yùn)送工件；

（2）到達(dá)機(jī)器人抓取工位給機(jī)器人發(fā)送信號(hào)；

（3）機(jī)器人抓取工件并放置到裝配流水線；

（4）PLC計(jì)數(shù)在四個(gè)工件到達(dá)之后開始組裝。

3.3 組裝系統(tǒng)硬件組成

本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人組裝系統(tǒng)硬件主要由以下部分組成：

（1）輸入端：?jiǎn)?dòng)，停止，復(fù)位按鈕。

（2）控制端：可編程序邏輯控制器。

（3）輸出端：兩個(gè)流水線傳感器，四個(gè)裝配位夾緊氣缸，機(jī)器人末端工具：吸盤手抓。

3.4 硬件選型

1.輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算

PLC的I/O點(diǎn)數(shù)確定應(yīng)以控制設(shè)備所需的所有輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的總和為依據(jù)。一般情況下，PLC的I/O點(diǎn)應(yīng)該有一定的余量。通常以計(jì)算輸入輸出點(diǎn)數(shù)為依據(jù)，再增加10%～20%的可擴(kuò)展余量后，作為估算數(shù)據(jù)。

2.PLC存儲(chǔ)器容量的估算

內(nèi)存容量是可編程邏輯控制器中的硬件存儲(chǔ)，可在 PLC 的基本設(shè)置表中找到內(nèi)存容量的信息。該程序的容量是用戶程序在內(nèi)存中使用的驅(qū)動(dòng)器的大小，因此，儲(chǔ)存能力必須大于方案容量。在設(shè)計(jì)階段，必須估計(jì)程序的容量，因?yàn)橛脩魬?yīng)用程序尚未準(zhǔn)備好。估計(jì)程序的容量可根據(jù)廠家提供的公式確定，大部分都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的計(jì)算多預(yù)留10%～15%，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。

3.PLC的選型

在PLC的選用中具有代表性的品牌主要有德國西門子和日本三菱兩個(gè)品牌。其在梯形圖的繪制過程中指令以及編程方式有一定區(qū)別，西門子因其指令模塊化，其中包含諸多子程序庫，在編寫程序時(shí)簡(jiǎn)潔明了。由于西門子PLC在運(yùn)動(dòng)控制方面更優(yōu)越，本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要是控制機(jī)器人搬運(yùn)和組裝，綜合比較最終選擇德國的西門子S7-1200作為本次設(shè)計(jì)的核心控制器。

4 PLC程序編寫

4.1 PLC編程語言的選擇

在編寫程序前，需要合理分配輸入端和輸出端，進(jìn)行PLC I/O變量表編寫，并留有一定輸入端和輸出端的設(shè)計(jì)余量，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求主要采用了梯形圖、語句表、功能塊圖三種PLC編程語言。

4.2 PLC程序的編寫

流水線運(yùn)輸工件和到達(dá)機(jī)器人抓取工位后，給機(jī)器人啟動(dòng)信號(hào)程序，在機(jī)器人收到啟動(dòng)信號(hào)后，在PLC程序中建立工件的類型、工件尺寸數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人，通過機(jī)器人的計(jì)算后進(jìn)行抓取、放置及組裝等動(dòng)作。

PLC需要進(jìn)行復(fù)位、啟動(dòng)、暫停、停止等命令，在PLC程序中建立工件的尺寸數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人的搬運(yùn)動(dòng)作由機(jī)器人的示教器示教運(yùn)動(dòng)過程中的點(diǎn)，并進(jìn)行程序編寫。圖5為流水線運(yùn)輸工件并到達(dá)機(jī)器人抓取工位后，發(fā)出機(jī)器人啟動(dòng)信號(hào)的梯形圖。

在機(jī)器人收到啟動(dòng)信號(hào)后，PLC將工件數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人，通過計(jì)算后機(jī)器人抓取工件，接著機(jī)器人放置工件及組裝工件。

5 程序在線模擬調(diào)試

使用在線模擬調(diào)試軟件西門子博圖V15進(jìn)行仿真。選擇相應(yīng)的型號(hào)、模塊，然后載入程序，在裝載程序完成后，其仿真方式方法和實(shí)際仿真完全一樣，可以通過PLC輸入輸出信號(hào)的變化模擬程序的進(jìn)程，從而檢查程序的不足并改進(jìn)。在多次在線模擬調(diào)試的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對(duì)程序的不斷完善確定最終的程序。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)使用在線模擬調(diào)試軟件進(jìn)行多次仿真，不斷完善，具有良好的運(yùn)行效果。在此基礎(chǔ)上，機(jī)器人只需要在待機(jī)狀態(tài)下根據(jù)PLC的指令自動(dòng)選擇運(yùn)行程序。完成后，機(jī)器人將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，并等待新的指令。同時(shí)，在機(jī)器人運(yùn)行過程中，它將與PLC交換信號(hào)，配合夾具的動(dòng)作，完成生產(chǎn)任務(wù)。因此，通過合理的程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面，可以實(shí)現(xiàn)精確控制流水線組裝系統(tǒng)。

汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機(jī)器人增長的原動(dòng)力之一，使用PLC控制的機(jī)器人組裝系統(tǒng)具有很高的效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，同時(shí)兼具柔性和可靠性較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，更加適應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)汽車制造行業(yè)的飛速發(fā)展。