張瑩

摘要：現(xiàn)如今科技變得越來越發(fā)達，機器人也慢慢走進社會的各個領(lǐng)域中，諸如生活、教育、安全、食品、醫(yī)藥、工業(yè)自動化等。近年來，工人的勞動力成本在呈逐年上升的趨勢，為了降低工人的勞動強度，提高經(jīng)濟效益和技術(shù)水平，碼垛機器人被廣泛應(yīng)用，在工業(yè)自動化領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。本課題是以物品碼垛生產(chǎn)線為研究對象，設(shè)計出了一套以西門子1200PLC為核心控制器的碼垛機器人生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計進行了闡述。

關(guān)鍵詞：工業(yè)自動化；碼垛生產(chǎn)線；西門子1200；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP361 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）15-0273-03

Design and Implementation of Control System for Palletizing Robot Production Line

ZHANG Ying

（Hebei University of Engineering， Handan 056038， China）

Abstract： Nowadays， technology is becoming more and more developed， and robots are gradually entering various fields of society， such as life， education， safety， food， medicine， industrial automation， etc. In recent years， workers labor costs in the rising trend year by year， in order to reduce the labor intensity of the workers， improve the economic benefit and technology level， stacking robots are widely used and play an increasingly important role in the field of industrial automation. This topic is based on items pallet production line as the research object， designed a set of Siemens 1200 palletizing robot production line control system of PLC as the core controller， and the system overall design， hardware design and software design are expounded.

Key words： industrial automation； Palletizing production line； Siemens 1200； control system

碼垛是依照集成單元化的思想而發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，其本質(zhì)思想是將一件件物品按照規(guī)定好的模式把物品從傳送帶上放到托盤上堆碼成垛，從而能夠讓單元化的物品存放、搬運、取出更方便。這樣，既可以大大提高物品搬運和碼垛的效率，也可以清晰的統(tǒng)計數(shù)量[1]?，F(xiàn)如今， 碼垛機器人作為重要的搬運工具，正在被廣泛地應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，諸如生活、教育、食品、醫(yī)藥等。在之前，我國機器人的技術(shù)發(fā)展還不太成熟，它的碼垛工作都是通過工人來實現(xiàn)的，之后隨著一些企業(yè)對碼垛速度和質(zhì)量要求的不斷提升，一些傳統(tǒng)的人工碼垛方式也難以達到企業(yè)的生產(chǎn)要求。因此，用碼垛機器人替代人工碼垛的方式，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，也保障了物品碼垛的質(zhì)量和工人的健康安全，同時減少了工人勞動力和人工費用，碼垛機器人的優(yōu)勢越來越清晰的顯現(xiàn)出來。

1 碼垛機器人

碼垛機器人，作為機械與計算機程序有機結(jié)合的產(chǎn)物，大大提高了生產(chǎn)效率。它以占地面積小、節(jié)省空間、適用性強和更加快速高效的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在搬運碼垛技術(shù)上。

碼垛機器人的機械結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，它的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括底座、腰部、臀部、腕部和末端執(zhí)行機構(gòu)等，這些有效地滿足了對碼垛機器人生產(chǎn)線的設(shè)計要求，提高了整體的結(jié)構(gòu)性能。機器人腰部的回轉(zhuǎn)和機械臂的運動，均選用了伺服電機驅(qū)動的方式，并且機械臂的上下或水平方向的運動得需兩個伺服電機旋轉(zhuǎn)才能完成。

碼垛機器人的工藝流程，如圖2所示，首先碼垛機器人的末端執(zhí)行器抓取物品，物品夾緊令手臂舉升使機器人腰部及物品旋轉(zhuǎn)，到達堆垛位置令手臂下移，下移到合適位置使末端執(zhí)行器放下物品，之后為了避免對物品堆垛的干涉應(yīng)先上升一段距離，再回到初始位置。值得注意的是，當手臂舉起時這一命令要在機器人腰部旋轉(zhuǎn)之前進行，這樣不會因干涉到其他東西而致使造成一些不必要的破壞。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本課題設(shè)計的碼垛生產(chǎn)線的物品規(guī)格為550mm*360*mm*220mm，以這種規(guī)格的物品作為分析對象，來對碼垛機器人生產(chǎn)線進行研究與實現(xiàn)。碼垛機器人的任務(wù)是為了把抓取的物品放在托盤上，同時方便統(tǒng)計物品箱的數(shù)量。物品的堆垛示意圖，如圖3所示，它以每層橫兩箱加豎三箱的形式，共擺放五箱。奇數(shù)層和偶數(shù)層碼垛的擺放方式不同，偶數(shù)層在奇數(shù)層的基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)180度，形成橫豎交錯、相互堆疊的方式，加強碼垛的穩(wěn)固性，以防不穩(wěn)固傾斜損壞物品。根據(jù)物品的高度設(shè)計了每個托盤上碼垛為8層，一層五箱，每垛為40箱，這樣設(shè)計的目的是為了碼垛穩(wěn)固不易倒，并且便于統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2]。

碼垛機器人生產(chǎn)線控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、運行速度快、穩(wěn)定高和擴展性強等優(yōu)點，比較適用于碼垛機器人生產(chǎn)線所處的工作環(huán)境條件。根據(jù)生產(chǎn)線的工藝流程，本課題采用了“HMI+PLC”的控制模式。其中控制系統(tǒng)設(shè)計圖，如圖4所示，以觸摸屏作為上位機，主要進行了物品規(guī)格的輸入，并且接收實時采集的數(shù)據(jù)，下位機是PLC可編程控制器，完成對碼垛機器人的控制任務(wù)[3]。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)作為碼垛生產(chǎn)線控制的核心部分，具有高的可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾能力，它使用方便，編程相對簡單，在碼垛生產(chǎn)線自動化中廣泛使用。本課題設(shè)計的碼垛生產(chǎn)線需18點數(shù)字量的輸入，包括按鈕、限位開關(guān)和機械手爪等，需16點數(shù)字量的輸出，包括指示燈、電磁閥等[4]。需選用主控部件的模塊為西門子S7-1200 CPU1214C型，其數(shù)字量為14點輸入/10點輸出。選用的擴展模塊SM1223型，其數(shù)字量的輸入輸出為8×24VDC輸入/8×24VDC輸出。根據(jù)碼垛機器人生產(chǎn)線的控制要求，定義了輸入輸出的分配情況。PLC數(shù)字量輸入設(shè)計，如表1所示。PLC數(shù)字量輸出設(shè)計，如表2所示。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 下位機控制程序設(shè)計

PLC的選型和硬件分配情況已知，碼垛機器人生產(chǎn)線主要有2種模式，分別為自動模式和手動模式。碼垛生產(chǎn)線工作流程，如圖5所示。

（1）自動模式

當傳送帶上有物品，傳送帶運動，當檢測到光電傳感器有信號后，傳送帶停止運動，抓手是否移動到達抓取點，若沒有，機械臂電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直到抓手到達抓取點，抓手閉合抓取物品，然后把物品擺放到設(shè)置好的位置碼垛起來，再返回到初始的位置，之后重復(fù)循環(huán)這一動作。

（2）手動模式

通過在觸摸屏上點動按鈕控制碼垛機器人旋轉(zhuǎn)和移動方向，然后抓取物品并進行碼垛工作[5]。

4.2 上位機設(shè)計

該控制系統(tǒng)的上位機監(jiān)控組態(tài)以WinCC建立HMI畫面，這樣更加形象直觀和方便操作。本系統(tǒng)的人機界面較為簡單，主要包括主控界面、手動控制界面以及自動控制界面三大部分[6]。監(jiān)控系統(tǒng)畫面，如圖6所示，監(jiān)控功能是監(jiān)測碼垛機器人的工作情況，并顯示出當前碼垛機器人的工作狀態(tài)。在主控制界面中，主要進行產(chǎn)品規(guī)格的參數(shù)設(shè)置，并實時顯示當前的箱數(shù)和已抓箱數(shù)等，如圖6（a）所示。在手動控制界面中，主要通過點動觸摸屏上的按鈕與下位機傳遞數(shù)據(jù)，實時的發(fā)送操作指令，進行碼垛機器人的碼垛任務(wù)，如圖6（b）所示。在自動控制界面，主要通過按動觸摸屏上的啟動按鈕，使碼垛機器人自動進行碼垛任務(wù)，從而完成對物品的搬運碼垛任務(wù)，如圖6（c）所示。

5 結(jié)束語

本文以碼垛生產(chǎn)線為研究對象，以S7-1200PLC為核心控制器，設(shè)計出了一套碼垛機器人生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，可通過人機交互界面，更加直觀的監(jiān)控碼垛生產(chǎn)線的運行狀態(tài)。該系統(tǒng)具有功能完善、性能穩(wěn)定、實時性強等優(yōu)勢，有效降低了工人勞動強度和企業(yè)成本，提升了工作效率和企業(yè)效益，為大中型碼垛機器人生產(chǎn)線控制系統(tǒng)提供了成功經(jīng)驗，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1] 劉清，韓寶玲，羅慶生，等. S7-200可編程控制器在新型智能碼垛機器人中的應(yīng)用研究[J]. 制造業(yè)自動化，2008，30（7）：39-43.

[2] 腰曉凱. 碼垛生產(chǎn)線計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].河北工程大學，2016.

[3] 張業(yè)鵬，張明. 基于PLC與工業(yè)機器人的全自動化碼垛系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2015，37（11）：108-110.

[4] 胡亞斌. 基于PLC的貨物搬運自動控制系統(tǒng)研究[J].科技展望，2016，（31）：136.

[5] 李坤全，邵鳳翔. 全自動包裝碼垛機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2017（4）：259-261.

[6] 向應(yīng)軍. 一種基于PLC的碼垛機器人設(shè)計與研究[D].湖北工業(yè)大學，2017.