基于PLC與工業(yè)機(jī)器人的碼垛工作站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張 俊，劉天宋，陳義偉，李 超

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213000）

0 引言

隨著大家的生活水平提高，人們對(duì)物品的包裝要求越來越高，因此包裝碼垛行業(yè)的作業(yè)模式更新?lián)Q代遇到了前所未見的挑戰(zhàn)。近幾年，新型冠狀病毒席卷全球，各個(gè)國家經(jīng)濟(jì)趨勢低迷。目前看來，疫情總體趨于穩(wěn)定，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況也引起了全球各國的關(guān)注和重視。伴隨著工業(yè)實(shí)體的巨大市場規(guī)模，我國工業(yè)機(jī)器人市場規(guī)模達(dá)巨大，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展勢不可擋、大勢所趨，更是被列為“中國制造2025”十大重點(diǎn)領(lǐng)域[1-7]。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如：噴涂、打磨、碼垛、精密儀器安裝等行業(yè)[8-11]，其中，工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于包裝流水線，主要完成分揀、碼垛等任務(wù)[11-16]。碼垛機(jī)器人作為貨物搬運(yùn)碼垛的有效工具，減少勞動(dòng)力消耗，在后疫情時(shí)代，在產(chǎn)業(yè)復(fù)蘇的關(guān)鍵時(shí)刻，碼垛線的智能化程度將得到提升，從而提高各條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，服務(wù)于社會(huì)發(fā)展已成為一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。根據(jù)文獻(xiàn)所知，小工廠采用輸送線配合人工碼垛的比較多[2]，大部分碼垛流水線運(yùn)行狀況良好，但是由于產(chǎn)品比較單一，智能化水平不高[8]，目標(biāo)盤更換都需要進(jìn)行程序更改并進(jìn)行調(diào)試，影響工作效率。針對(duì)以上問題，本文利用PLC、工業(yè)機(jī)器人和觸摸屏設(shè)計(jì)碼垛工作站控制系統(tǒng)，為不同的目標(biāo)盤碼垛提供新的參考思路，使工作站更加智能化、人性化和便捷化。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

碼垛機(jī)器人工作站由料盤控制系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、和控制系統(tǒng)組成，如圖1 所示。工業(yè)機(jī)器人根據(jù)自由度、空間和載荷選用ABB 的IRB120 機(jī)器人。夾爪控制系統(tǒng)主要包括夾爪以及氣路電磁閥控制開合。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的需求和流水線流程安排，碼垛工作站的布局如圖2 所示。其工作原理為：工作時(shí)，在觸摸屏上選擇相應(yīng)的物料碼垛功能，由觸摸屏告知PLC，PLC 傳遞給變頻器和機(jī)器人控制柜，傳送帶開始運(yùn)輸物料，機(jī)器人開始拾取相應(yīng)工具待命，當(dāng)傳送到指定位置時(shí)，通過指定的傳感器檢測到物料到達(dá)，由PLC 傳遞給機(jī)器人控制柜，機(jī)器人開始到達(dá)預(yù)設(shè)位置拾取物料，根據(jù)設(shè)置路徑放入指定目標(biāo)盤設(shè)定位置中，放置完成后由機(jī)器人控制柜傳送給PLC 完成放置信號(hào)，PLC 通過計(jì)算控制變頻器使目標(biāo)盤進(jìn)行對(duì)應(yīng)位置旋轉(zhuǎn)，因此碼垛工作站可以滿足該流水線的碼垛任務(wù)。

圖2 系統(tǒng)布局圖

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本碼垛工作站系統(tǒng)硬件設(shè)施主要采用觸摸屏、PLC、工業(yè)機(jī)器人、變頻器、電機(jī)、電磁閥與傳感器等共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)，硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。本系統(tǒng)以機(jī)器人與PLC 為核心，二者采用以太網(wǎng)通信，PLC 與觸摸屏采用RS485 通信協(xié)議完成信息的交互，根據(jù)要求完成相應(yīng)的碼垛任務(wù)，PLC與工業(yè)機(jī)器人內(nèi)置板卡的連接圖，如圖4所示。

圖3 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖4 PLC與機(jī)器人擴(kuò)展I/O接線（部分）

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)行與停止和伺服電機(jī)的參數(shù)設(shè)定，原料盤以及目標(biāo)盤的料塊狀態(tài)可以通過傳感器提供給PLC。PLC 再與機(jī)器人進(jìn)行通信連接，實(shí)時(shí)獲取物料狀態(tài)變化，根據(jù)物料狀態(tài)和碼垛任務(wù)要求，啟用不同的任務(wù)程序。為保證任務(wù)的可循環(huán)性及其穩(wěn)定性，本原料盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期后，位置參數(shù)就會(huì)進(jìn)行一次更新，可使本操作系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運(yùn)行。

本系統(tǒng)采用硬件型號(hào)如下所述。

（1）機(jī)器人控制器。機(jī)器人控制器采用ABB IRC5控制柜，控制柜自身集成以太網(wǎng)接口，方便與外部設(shè)備進(jìn)行通信。

（2）PLC 控制器。PLC 選用西門子200 smart PLC，本型號(hào)PLC 共有60 個(gè)輸入輸出點(diǎn)，基本指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)0.15us，自帶以太網(wǎng)口。由于本控制系統(tǒng)龐大，需要進(jìn)行各個(gè)設(shè)備之間的信號(hào)控制和信息處理，并與機(jī)器人進(jìn)行以太網(wǎng)通信。

（3） 觸摸屏人機(jī)交互界面。觸摸屏選擇威綸通TK8071IP 觸摸屏，可以與PLC 進(jìn)行RS485 通信協(xié)議進(jìn)行通信，可對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)機(jī)器人任務(wù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

（4）變頻器。采用三菱D7200 變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)原料電機(jī)和目標(biāo)盤1、2電機(jī)的控制。

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與運(yùn)行

根據(jù)工作站的工作原理[12-13]，PLC 和觸摸屏可以通過網(wǎng)線進(jìn)行自由通信，在程序運(yùn)行時(shí)根據(jù)觸摸屏提前設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的流程。機(jī)器人可通過自帶的真空檢知系統(tǒng)判斷當(dāng)前位置有沒有抓取到物料，當(dāng)機(jī)器人抓取到物料時(shí)觸摸屏上物料對(duì)應(yīng)的灰色信號(hào)燈點(diǎn)亮，調(diào)試人員可非常直觀的觀察物料數(shù)量的變化。當(dāng)機(jī)器人在當(dāng)前位置夾取不到物料時(shí)對(duì)應(yīng)的黑色指示燈點(diǎn)亮同時(shí)會(huì)通過網(wǎng)線發(fā)送信號(hào)給PLC，PLC 在得到信號(hào)時(shí)可控制料盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證可以抓取所有物料，在夾取物料的總數(shù)量小于當(dāng)前料盤的總物料時(shí)會(huì)重復(fù)進(jìn)行取料直到對(duì)料盤上所有物料都進(jìn)行過檢測。工業(yè)碼垛過程整個(gè)系統(tǒng)程序的開發(fā)包括ABB 工業(yè)機(jī)器人及控制系統(tǒng)的初始化、HMI工藝參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)調(diào)試、系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行、I/O信號(hào)輸入輸出監(jiān)控系統(tǒng)等，程序流程如圖5 所示。整個(gè)程序按照模塊化編程，保證了不會(huì)花太多時(shí)間調(diào)試程序。

圖5 工作站程序流程圖

（1）控制系統(tǒng)初始化：當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，所有的料盤回歸原位，物料全部位于傳送帶上，機(jī)器人處于機(jī)械零點(diǎn)。

（2）HMI 工藝參數(shù)設(shè)置：根據(jù)操作者的需要，可以對(duì)觸摸屏上已有的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)多種功能。

（3）手動(dòng)調(diào)試運(yùn)行：ABB 機(jī)器人工作站在設(shè)備聯(lián)調(diào)時(shí)，可以單獨(dú)調(diào)試各個(gè)運(yùn)行模塊，測試用于抓取碼垛的工具是否可以正常使用，傳送帶的送料控制，機(jī)器人的緊急停止，目標(biāo)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，為整個(gè)工作站的自動(dòng)運(yùn)行打基礎(chǔ)。

（4）系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行：當(dāng)碼垛參數(shù)進(jìn)行設(shè)置以后，將ABB 工業(yè)機(jī)器人調(diào)至自動(dòng)模式，機(jī)器人將自動(dòng)完成碼垛的抓取與放置；為了安全起見，整個(gè)過程將通過機(jī)器人控制柜的急?；蛘哂|摸屏的急停按鈕控制啟動(dòng)和停止。

（5）輸入輸出I/O 信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)：通過觸摸屏中的輸入輸出監(jiān)控畫面可以監(jiān)控整個(gè)工作站的IO狀態(tài)。

本碼垛工作站工業(yè)機(jī)器人控制程序的編寫采用ABB工業(yè)機(jī)器人的RAPID 語言設(shè)計(jì)，RAPID 語言是ABB 機(jī)器人專用語言，具備靈活性和擴(kuò)展性廣泛的特點(diǎn)，支持建立多個(gè)任務(wù)模塊和例行程序。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)和子程序設(shè)計(jì)。子程序設(shè)計(jì)包括初始化、調(diào)取相應(yīng)碼垛程序、拾取工具程序、中斷程序、目標(biāo)盤1 執(zhí)行程序、目標(biāo)盤2 執(zhí)行程序等功能程序，拾取工具程序利用了子程序可以帶參數(shù)調(diào)用的原理，可以使程序更加簡便靈活，同一個(gè)子程序可以根據(jù)參數(shù)不同拾取不同的工具，中斷程序保證了運(yùn)行中的相對(duì)安全，當(dāng)觸發(fā)安全光柵或發(fā)生應(yīng)急情況時(shí)，機(jī)器人會(huì)主動(dòng)進(jìn)入到中斷程序當(dāng)中，緊急停止工作站，保證安全。不同的目標(biāo)盤調(diào)用程序分別對(duì)應(yīng)了相對(duì)的目標(biāo)形狀和適應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。主程序設(shè)計(jì)包含中斷程序，邏輯判斷，子程序調(diào)用等具體實(shí)現(xiàn)碼垛相應(yīng)功能和適配軌跡。機(jī)器人碼垛主程序如下。

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觸摸屏可通過自帶的觸感反饋能力，判斷點(diǎn)擊屏幕的位置，然后使編寫好的程序驅(qū)動(dòng)各個(gè)部件，方便操作。該操作系統(tǒng)中使用的是威綸通TK8071IP型號(hào)觸摸屏，該觸摸屏界面設(shè)計(jì)中，主要分為4個(gè)部分：功能選擇區(qū)域、料盤復(fù)位區(qū)域、報(bào)警區(qū)域、控制區(qū)域。其中當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警區(qū)域的指示燈會(huì)進(jìn)行閃爍，按下急停按鈕便可緊急停止運(yùn)動(dòng)。功能選擇區(qū)域中可以跳轉(zhuǎn)到監(jiān)控畫面，監(jiān)控畫面中可以實(shí)時(shí)反饋原料區(qū)、目標(biāo)盤物料的裝調(diào)，方便在調(diào)試時(shí)更好地了解物料的情況，如圖6所示。

5 測試結(jié)果與分析

本次設(shè)計(jì)的碼垛工作站控制系統(tǒng)采用光、機(jī)、電、氣和磁相結(jié)合。2022年11月，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后在某電子設(shè)備廠進(jìn)行碼垛測試，該公司原來采用兩班制8 人，24 小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，目標(biāo)盤為A、B 每天分別碼垛1 350、1 500 盒，由于工人的技術(shù)不穩(wěn)定，產(chǎn)能會(huì)有±8%波動(dòng)，并且由于工人連續(xù)工作身體疲勞，碼垛出錯(cuò)3～5%。測試結(jié)果表明，碼垛準(zhǔn)確率達(dá)99%，生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)碼垛，工作過程穩(wěn)定，提高了工作效率，系統(tǒng)實(shí)用前后運(yùn)行效率對(duì)比如表1所示。

表1 系統(tǒng)調(diào)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

6 結(jié)束語

為了解決采用輸送線配合人工碼垛，降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和碼垛流水線產(chǎn)品比較單一，智能化水平不高等問題，本文以ABB IRC5 工業(yè)機(jī)器人和西門子S7-200smart 為核心控制，采用以太網(wǎng)通信，結(jié)合威綸通觸摸屏技術(shù)、變頻器技術(shù)設(shè)計(jì)了碼垛工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，通過調(diào)試測試后，碼垛目標(biāo)盤1和目標(biāo)盤2準(zhǔn)確率均達(dá)99%。實(shí)踐證明，基于PLC 與工業(yè)機(jī)器人的碼垛工作站控制系統(tǒng)能自動(dòng)完成物料準(zhǔn)備、機(jī)器人自動(dòng)拾取工具、物料及碼垛、送料等功能，整體運(yùn)行良好，工作速度穩(wěn)定，工作速率快，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，具有實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。