劉媛媛，李 亮

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引言

近年來(lái)，以制造業(yè)為主的工業(yè)生產(chǎn)朝著智能化方向飛速發(fā)展。企業(yè)普及應(yīng)用智能制造裝備能夠提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，保證生產(chǎn)的均衡性，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。典型的智能制造環(huán)節(jié)通常包括多道自動(dòng)化作業(yè)工序，需要用到的裝備有工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、原料倉(cāng)以及輸送機(jī)構(gòu)等等。相應(yīng)地，企業(yè)對(duì)以工業(yè)機(jī)器人為代表的智能制造裝備維護(hù)人才的需求也在不斷地增加[1-3]。2019年全國(guó)院校開(kāi)始實(shí)施“學(xué)歷證書+若干職業(yè)技能等級(jí)證書”制度(簡(jiǎn)稱“1+X”證書制度)，針對(duì)智能制造裝備中的工業(yè)機(jī)器人，目前有三種技能等級(jí)證書，眾多院校也紛紛開(kāi)設(shè)相關(guān)課程和進(jìn)行技能培訓(xùn)?；谌N證書中的工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維職業(yè)技能等級(jí)證書，提出了一種面向教學(xué)的工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)平臺(tái)[4]，本文對(duì)該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并加以實(shí)現(xiàn)。

1 工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱“實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”)集工業(yè)機(jī)器人、帶式輸送機(jī)、原料庫(kù)、成品庫(kù)等設(shè)備裝置于一體，如圖1所示。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件部分集成等內(nèi)容可詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5]，本文主要論述該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

圖1 工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)平臺(tái)全貌

2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)涉及到的設(shè)備裝置有工業(yè)機(jī)器人和PLC(Programmable Logic Controller的簡(jiǎn)稱，即可編程邏輯控制器)等。其中，工業(yè)機(jī)器人主要用于原料庫(kù)工件的自動(dòng)分揀、碼垛和搬運(yùn)等任務(wù)，在工業(yè)生產(chǎn)搬運(yùn)和碼垛作業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，擔(dān)任著提高生產(chǎn)效率、降低成本和解放勞動(dòng)力的重要角色；PLC為自動(dòng)化裝備控制系統(tǒng)的核心部件[6-8]，采用西門子SIMATIC S7-1200 PLC。

2.1 設(shè)計(jì)思路

PLC作為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)的主控制模塊，主要完成以下任務(wù)：

(1) 控制3自由度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人末端執(zhí)行器TCP(Tool Center Point的簡(jiǎn)稱，即工具中心點(diǎn))在笛卡爾直角坐標(biāo)系中某點(diǎn)的定位由對(duì)應(yīng)的接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)信號(hào)并傳輸回PLC輸入端，PLC的輸出端則輸出控制信號(hào)到3自由度機(jī)器人的軸電機(jī)控制端，控制相關(guān)電機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器TCP到達(dá)該點(diǎn)位置。

(2) 控制帶式輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)。構(gòu)建一條小型帶式輸送機(jī)用于模擬企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的自動(dòng)化生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線自動(dòng)啟動(dòng)或停止動(dòng)作同樣由PLC控制實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)和停止的輸入信號(hào)分別由位于帶式輸送機(jī)上合適位置的光電傳感器采集并傳輸?shù)絇LC。

(3) 其他設(shè)備部件的控制。如3自由度機(jī)器人末端執(zhí)行器吸盤工作狀態(tài)(吸或放工件)的實(shí)現(xiàn)由PLC控制電磁換向閥動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

工業(yè)機(jī)器人完成工件的搬運(yùn)、碼垛等任務(wù)，其控制程序在示教器上進(jìn)行編寫，程序中涉及到與PLC進(jìn)行信號(hào)交互。

觸摸屏作為上位機(jī)操作面板模塊，主要完成平臺(tái)功能操作、相關(guān)數(shù)據(jù)顯示等任務(wù)，如總控操作(實(shí)訓(xùn)平臺(tái)啟動(dòng)、暫停和停止)、流程顯示、故障顯示等。

2.2 工作流程

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)工作流程如圖2所示。PLC程序判斷原料庫(kù)有無(wú)工件，沒(méi)有則手動(dòng)放若干工件于原料庫(kù)，使流程繼續(xù)。圖2中虛線部分根據(jù)實(shí)際任務(wù)要求表示工業(yè)機(jī)器人可選擇先碼垛再搬運(yùn)工序或者直接進(jìn)行搬運(yùn)工序。根據(jù)實(shí)際任務(wù)要求，PLC程序判斷流程是否應(yīng)該結(jié)束，若仍有工件待“加工”，則繼續(xù)用循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)流程。

圖2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)工作流程

2.3 程序設(shè)計(jì)

在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)整體硬件都搭建完畢后，即可進(jìn)行控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)程序包括PLC程序、工業(yè)機(jī)器人程序和上位機(jī)程序三部分內(nèi)容。

2.3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用博途軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC程序設(shè)計(jì)、編寫及調(diào)試等，實(shí)現(xiàn)3自由度機(jī)器人X、Y和Z三個(gè)方向的正負(fù)運(yùn)動(dòng)的啟停、計(jì)數(shù)和報(bào)警等功能，原料庫(kù)工件有無(wú)的判斷、流水線的啟停以及庫(kù)位通訊等功能。其中X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的核心控制語(yǔ)句如圖3所示。

圖3 X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)核心控制語(yǔ)句

2.3.2 工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人程序采用模塊化設(shè)計(jì)思維編寫，既能提高編寫效率，又便于程序的檢查。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)兼容市面上大多數(shù)廠家的工業(yè)機(jī)器人，以廣數(shù)GSK08型工業(yè)機(jī)器人為例，程序分為初始化、取工件、放工件、碼垛等各子程序，在主程序中根據(jù)實(shí)際任務(wù)要求調(diào)用相應(yīng)的子程序即可。部分機(jī)器人關(guān)鍵程序語(yǔ)句如下：

……

WAIT IN08,ON,T0; #等待PLC輸入信號(hào)，收到后執(zhí)行下面指令

MOVJ P1,V20,Z0;

MOVL P2,V100,Z0;

DOUT OT10,ON; #吸取工件

MOVL P1,V100,Z0;

MOVL P3,V100,Z0;

MOVL P4,V100,Z0;

DOUT OT10,OFF; #放下工件

DOUT OT09,ON; #向PLC發(fā)送工件完成放下指令

……

2.3.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)的流行趨勢(shì)是圖形化編程。本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上位機(jī)程序設(shè)計(jì)步驟如下：

(1) 任務(wù)分析、確定變量等參數(shù)。

(2) 各界面的圖形繪制。

(3) 關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)的PLC變量等參數(shù)。

(4) 整體調(diào)試。

本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上位機(jī)圖形界面如圖4所示。

圖4 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上位機(jī)圖形界面

3 結(jié)語(yǔ)

本文較為詳細(xì)地論述了面向教學(xué)的工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維技能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)能夠有效促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)實(shí)踐教學(xué)的開(kāi)展，幫助學(xué)生掌握綜合知識(shí)和技能，提高學(xué)生自身專業(yè)素養(yǎng)。