付建彬

（廣東省嶺南工商第一技師學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 韶關(guān) 512026）

關(guān)鍵字：S7-1200PLC；機(jī)器人；視覺系統(tǒng)；自動(dòng)分揀

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化程度也越來越高，以往物料的分揀工作都是由人工完成，而人工分揀往往會(huì)出現(xiàn)效率低、錯(cuò)誤率高等缺點(diǎn).基于PLC 的機(jī)器人自動(dòng)分揀裝置具有安全性強(qiáng)、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前物料自動(dòng)分揀控制的主流，它可以根據(jù)設(shè)定的程序高效工作［1］.本項(xiàng)目設(shè)計(jì)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成.硬件系統(tǒng)由車間現(xiàn)有的設(shè)備構(gòu)成，并繪制相關(guān)的電氣原理圖.軟件系統(tǒng)包括：PLC編程軟件、視覺軟件、機(jī)器人程序及觸摸屏軟件組成.系統(tǒng)采用工業(yè)機(jī)器人對(duì)物料進(jìn)行分揀入庫，由PLC控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)，結(jié)合視覺系統(tǒng)進(jìn)行物料識(shí)別［2-3］，并通過人機(jī)界面進(jìn)行操作與實(shí)時(shí)監(jiān)控，整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)一目了然.

1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)用到的實(shí)訓(xùn)設(shè)備是由配電裝置、光源指示裝置、出料機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、糾正裝置、視覺檢測(cè)模塊、觸摸屏、機(jī)器人等.根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，系統(tǒng)框圖如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 出料、傳送及糾正系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)由出料裝置、傳送機(jī)構(gòu)和糾正裝置三個(gè)部分組成.其中，出料裝置通過氣缸擊打方式實(shí)現(xiàn)物料的出庫［4］，氣缸由兩位四通電磁閥控制，氣缸上方伸出到位傳感器和縮回到位傳感器來檢測(cè)推料氣缸的運(yùn)行位置.出料裝置右側(cè)有一個(gè)出料筒，它用于放置物料，其下方的傳感器用于檢測(cè)筒內(nèi)有無物料.

傳送機(jī)構(gòu)由皮帶傳送的方式實(shí)現(xiàn)，傳送帶與三相異步電動(dòng)機(jī)通過同步帶連接運(yùn)行.其中，三相異步電動(dòng)機(jī)由無級(jí)調(diào)速裝置進(jìn)行速度設(shè)定，并通過PLC 控制皮帶實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).傳送機(jī)構(gòu)的末端安裝有傳感器用于檢測(cè)物料位置，從而實(shí)現(xiàn)下一步控制.

糾正機(jī)構(gòu)的后方是氣缸，由兩位四通電磁閥控制，實(shí)現(xiàn)糾正機(jī)構(gòu)上升與下降動(dòng)作.氣缸上方有一個(gè)上升到位傳感器和下降到位傳感器.糾正機(jī)構(gòu)上的機(jī)械抓手用于抓取物料，并通過齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)抓手進(jìn)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作.糾正機(jī)構(gòu)下方有擋料推桿，用于固定物料位置，從而進(jìn)行物料拍照識(shí)別及糾正操作.出料、傳送及糾正系統(tǒng)如圖2 所示.

圖2 出料、傳送及糾正系統(tǒng)

1.2 視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)采用眾為興AVS3200 視覺控制器，AVS3200 智能視覺識(shí)別系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)物料拍照識(shí)別及定位、配合上位機(jī)軟件ADTvision 進(jìn)行操作.可以通過以太網(wǎng)、串口、Modbus 以及I/O 接口輸出的方式將定位結(jié)果快速回傳至LC 以及各種類型的控制器.利用ADTvision 軟件對(duì)物料圖樣進(jìn)行采集，建立物料模板類型，并通過以太網(wǎng)的連接與機(jī)器人進(jìn)行通訊，將識(shí)別的物料模板信息傳送給機(jī)器人［5］.整個(gè)視覺系統(tǒng)由硬件和軟件兩個(gè)部分組成，硬件部分包括：視覺控制器、相機(jī)、鏡頭、光源及光源控制器 ，軟件部分主要有ADTvision 軟件.

1.3 PLC 控制器

目前，自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)主要的控制方式包含：繼電器控制、單片機(jī)控制以及PLC 控制等各種控制方式.其中，PLC 控制具有可靠性高、穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)PLC 控制器選用了西門子S7-1200PLC .這是一款緊湊型、模塊化的PLC， 它能很好的完成各種簡(jiǎn)單的邏輯控制、網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)［6］.本系統(tǒng)PLC 選用的是1214C DC/DC/DC 型號(hào)的CPU，該型號(hào)PLC 有14 個(gè)輸入、10 個(gè)輸出，共24 個(gè)點(diǎn)數(shù).其中該CPU 右側(cè)可以擴(kuò)展8 個(gè)信號(hào)模塊，左側(cè)可以擴(kuò)展3 個(gè)通信模塊.選用S7-1200PLC 作為控制器能很好的滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求.

本控制系統(tǒng)的物料檢測(cè)及出庫、物料傳送及糾正控制是由PLC 及各元器件共同配合實(shí)現(xiàn)［7-8］.物料圖案的模板建立、識(shí)別及物料分揀入庫是由視覺系統(tǒng)及機(jī)器人配合實(shí)現(xiàn).其中PLC、機(jī)器人及視覺系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊實(shí)現(xiàn)信息傳遞，各元器件與PLC 控制關(guān)系，如圖3 所示.

圖3 PLC 外部接線圖

1.4 觸摸屏

人機(jī)界面是一種智能化操作顯示裝置，能適應(yīng)設(shè)計(jì)人員的工作要求，方便操作人員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和修改相關(guān)數(shù)據(jù).本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了威綸通10.1 英寸 的觸摸屏，其型號(hào)為MT8102iE.該觸摸屏和PLC 的通訊通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，通過觸摸屏界面實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控.

1.5 機(jī)器人系統(tǒng)

本系統(tǒng)的機(jī)器人選用的是眾為興AR6520 SCARA 四軸機(jī)器人，該機(jī)器人僅重24.3 kg，工作范圍 600 mm.該機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)精巧靈活、傳動(dòng)精度高、運(yùn)行速度快、噪聲小等優(yōu)點(diǎn).配合眾為興驅(qū)控一體控制器QC400A 及RPB06 示教器使用，機(jī)器人系統(tǒng)支持串口、網(wǎng)絡(luò)、USB 等多種通訊方式.其末端執(zhí)行器配備了各種工具，如：手抓、噴槍及真空吸盤等，本分揀系統(tǒng)采用真空吸盤工具，通過吸盤來吸取物料.

2 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

本系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)部分包括：PLC 程序設(shè)計(jì)、觸摸屏界面設(shè)計(jì)、視覺系統(tǒng)處理及機(jī)器人程序設(shè)計(jì)4個(gè)部分組成.其中，PLC 程序設(shè)計(jì)主要完成對(duì)物料檢測(cè)、物料出庫、傳送帶控制、糾正機(jī)構(gòu)控制、機(jī)器人通訊及觸摸屏的信息交換與控制.通過觸摸屏界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了與PLC 信息交換［8］，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控及相關(guān)參數(shù)修改的目的.視覺系統(tǒng)處理先在相應(yīng)的ADTvision 軟件上對(duì)不同圖案的物料進(jìn)行模板建立，后進(jìn)行物料識(shí)別并根據(jù)不同的物料發(fā)送指令給機(jī)器人進(jìn)行下一步動(dòng)作.機(jī)器人接收PLC 發(fā)送的指令信息后，完成對(duì)不同模板的物料進(jìn)行分揀及入庫動(dòng)作.該系統(tǒng)工作流程如圖4 所示.

圖4 工作流程圖

2.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)所選擇的PLC 型號(hào)，對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中PLC的輸入輸出端子進(jìn)行分配，其I/O 分配如表1 所示.

表1 I/O 分配表

2.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，觸摸屏界面由自動(dòng)控制畫面和手動(dòng)控制畫面兩個(gè)界面組成，其中自動(dòng)控制畫面由系統(tǒng)狀態(tài)顯示、物料分揀計(jì)數(shù)顯示及操作按鍵區(qū)域3 個(gè)部分組成.系統(tǒng)狀態(tài)顯示區(qū)域，用來顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和倉內(nèi)是否還有物料.物料分揀計(jì)數(shù)區(qū)域分別對(duì)圓形圖案物料及三角形圖案物料進(jìn)行計(jì)數(shù).操作按鈕區(qū)域?qū)ο到y(tǒng)動(dòng)作進(jìn)行控制，有啟動(dòng)、停止、復(fù)位及進(jìn)入手動(dòng)界面幾個(gè)按鍵.手動(dòng)控制畫面是對(duì)每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行單獨(dú)控制，主要有推料、傳送帶正反轉(zhuǎn)、擋料、翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作.觸摸屏與PLC 之間用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，能保持?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，通過觸摸屏方便了操作人員對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)視與控制.

2.3 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人程序編程方法有示教器編程及離線編程兩種，本設(shè)計(jì)采用示教器編程方法，首先將示教器的IP 地址設(shè)定與電腦IP 地址同一網(wǎng)段即可.如示教器IP 地址是：192.168.0.123，電腦IP 地址設(shè)定為：192.168.0.125.并通過示教器示教4 點(diǎn)，其中P1 為初始點(diǎn)，P2 為抓取點(diǎn)，P3 為物料1 放置點(diǎn)，P4 為物料2放置點(diǎn)，示教點(diǎn)位如表2 所示.

表2 機(jī)器人示教點(diǎn)位表

當(dāng)傳感器檢測(cè)到物料到達(dá)位置后，通過PLC 程序發(fā)送指令給機(jī)器人，機(jī)器人程序開始運(yùn)行.機(jī)器人從初始點(diǎn)位運(yùn)行到抓取點(diǎn)位，機(jī)器人運(yùn)行過程中吸盤同時(shí)進(jìn)行抽真空，從而吸取物料進(jìn)行搬運(yùn)，并根據(jù)物料的圖案不同進(jìn)行判斷放置的位置.移動(dòng)到相對(duì)應(yīng)的放置點(diǎn)位置后，吸盤斷開抽真空動(dòng)作物料放下，完成分揀動(dòng)作.機(jī)器人完成分揀動(dòng)作后返回初始點(diǎn)，給PLC 反饋信號(hào)［9］，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作，直至筒內(nèi)再無物料或按下停止按鈕后動(dòng)作停止.如需讓系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行應(yīng)往筒內(nèi)加料或重新按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)才會(huì)繼續(xù)動(dòng)作.

2.4 視覺系統(tǒng)處理

視覺系統(tǒng)處理在相應(yīng)的ADTvision 軟件中編輯完成，在進(jìn)行軟件編輯時(shí)候要對(duì)其以太網(wǎng)進(jìn)行設(shè)定，通過以太網(wǎng)設(shè)定使得視覺系統(tǒng)與機(jī)器人進(jìn)行信息傳遞.其中服務(wù)器IP 用機(jī)器人的IP，本地IP 地址與機(jī)器人IP 地址同一網(wǎng)段，本地端口設(shè)定2000.通過ADTvision 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)不同圖案的物料進(jìn)行識(shí)別并建立相應(yīng)的模板，通過與機(jī)器人通訊進(jìn)行信息反饋，實(shí)現(xiàn)后續(xù)分揀動(dòng)作.

2.5 程序調(diào)試

首先，將機(jī)器人示教器開關(guān)打到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)機(jī)器人運(yùn)行到初始位準(zhǔn)備動(dòng)作［10］.再按下觸摸屏界面中的啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)行.傳感器檢測(cè)到筒內(nèi)有物料，推料氣缸動(dòng)作，將物料推送到傳送帶上，傳送帶開始正轉(zhuǎn)動(dòng)作.物料運(yùn)行到糾正機(jī)構(gòu)下方，擋料氣缸動(dòng)作，傳送帶停止正轉(zhuǎn).通過視覺系統(tǒng)對(duì)物料拍照及模板識(shí)別，將模板信息反饋到機(jī)器人，機(jī)器人將信息傳遞到PLC.根據(jù)PLC 程序進(jìn)行下一步動(dòng)作，如識(shí)別到?jīng)]有模板物料，系統(tǒng)將對(duì)物料進(jìn)行糾正動(dòng)作，糾正完成后繼續(xù)對(duì)物料進(jìn)行拍照及模板識(shí)別.如果識(shí)別有模板物料，傳送帶繼續(xù)運(yùn)行到傳送帶末端，末端傳感器感應(yīng)后傳送帶停止運(yùn)行.通過PLC 發(fā)送指令信號(hào)給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)識(shí)別的不同模板的物料進(jìn)行分揀入不同的庫. PLC 與觸摸屏保持實(shí)時(shí)通信，操作人員能對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視與操作.在觸摸屏界面上能清楚看到不同物料的分揀個(gè)數(shù)，能方便操作人員進(jìn)行控制.

3 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要針對(duì)物料分揀，采用PLC 控制機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)，具有很高的可靠性，提高了生產(chǎn)效率.通過視覺系統(tǒng)與機(jī)器人的配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀的物料進(jìn)行分揀入不同庫里.操作人員能在觸摸屏界面上直觀的看到不同物料的入庫個(gè)數(shù)，對(duì)整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.該系統(tǒng)能很好的運(yùn)用在自動(dòng)化生產(chǎn)物料分揀中，有較強(qiáng)的實(shí)用意義.