郭愛云，劉天宋

（常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213000）

中國是一個(gè)制造業(yè)大國，隨著生產(chǎn)設(shè)備的智能化要求越來越高，傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)及分揀大量原材料、零部件已不能滿足生產(chǎn)實(shí)際要求，不僅會(huì)消耗大量的人力成本，還會(huì)因搬運(yùn)重型物料存在一定的安全隱患，因此智能化的物料搬運(yùn)及分揀處理方式得到廣泛應(yīng)用[1]。本文將PLC與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同控制，設(shè)計(jì)一套物料搬運(yùn)及分揀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一定的智能化運(yùn)作。工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作靈活，能精準(zhǔn)定位，可以有效完成物料的搬運(yùn)環(huán)節(jié)。以PLC為核心的控制系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性及高強(qiáng)適應(yīng)性，可及時(shí)處理物料傳送及分揀現(xiàn)場反饋的信息[2]。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

物料搬運(yùn)及分揀系統(tǒng)主要由3部分組成：工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)單元、物料傳送單元、物料分揀單元。該系統(tǒng)的主要工作流程為：按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)器人搬運(yùn)指示燈亮，工業(yè)機(jī)器人接收到PLC發(fā)出的啟動(dòng)信號(hào)后，到倉庫區(qū)取物料并搬運(yùn)至入料口，機(jī)器人返回零位；入料口傳感器檢測到物料且PLC接收到機(jī)器人發(fā)出的信號(hào)后，變頻器控制傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，將物料傳動(dòng)到分揀區(qū)域；分揀區(qū)域傳感器檢測到信號(hào)后，按照材質(zhì)、顏色對物料進(jìn)行分揀，同時(shí)PLC將分揀完成的信號(hào)傳遞給工業(yè)機(jī)器人的控制器，機(jī)器人收到信號(hào)后繼續(xù)執(zhí)行物料搬運(yùn)任務(wù)。系統(tǒng)布局圖如圖1。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，以工業(yè)機(jī)器人及PLC為核心，用觸摸屏和傳感器采集輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)搬運(yùn)、傳送及分揀功能[3,4]。

圖1 系統(tǒng)布局圖Fig.1 System layout

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件組成部分包括以下幾個(gè)方面，分別是：工業(yè)機(jī)器人、PLC、觸摸屏、傳感器、變頻器、電磁閥組、傳送帶電機(jī)等[5]。工業(yè)機(jī)器人和PLC之間信號(hào)的發(fā)送及接收采用I/O通訊方式。工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器采用氣動(dòng)控制方式，當(dāng)電磁閥線圈得電，氣爪抓緊夾取物料。PLC的輸入信號(hào)通過外部按鈕、觸摸屏和傳感器來采集。PLC輸出信號(hào)控制變頻器實(shí)現(xiàn)傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度的變化 ，改變電磁閥組內(nèi)電磁閥線圈的得電來驅(qū)動(dòng)雙作用氣缸實(shí)現(xiàn)物料的分揀，并控制各狀態(tài)指示燈的亮滅。控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Picture of hardware structure

2.1 控制系統(tǒng)硬件選型

1）工業(yè)機(jī)器人：采用恒銳機(jī)器人?？刂破鞑捎酶咝阅苓\(yùn)算處理器，集成先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制算法，同時(shí)包含豐富的外部電氣接口。示教器采用新型全觸屏手持設(shè)計(jì)，降低用戶操作和使用難度，面向機(jī)器人協(xié)作化、智能化發(fā)展方向。工業(yè)機(jī)器人是一種通用性強(qiáng)的自動(dòng)化設(shè)備，本控制系統(tǒng)在機(jī)器人手部安裝了夾鉗式取料手以及帶三面吸盤的多功能末端工具，這樣既可避免搬運(yùn)不同的物料而頻繁更換機(jī)器人末端工具，又能提高生產(chǎn)效率[6]。

2）PLC控制器：采用三菱FX系列FX3U-48MT型號(hào)的PLC，輸入輸出總點(diǎn)數(shù)共48個(gè)，晶體管輸出型。若有位置精確控制時(shí)，可給步進(jìn)或伺服電機(jī)發(fā)高速脈沖，性價(jià)比較高。

3）觸摸屏：采用昆侖通態(tài)TPC7062K7寸觸摸屏，可方便快捷與三菱FX3U-48MT型號(hào)PLC進(jìn)行通訊連接，用來對物料搬運(yùn)及分揀系統(tǒng)進(jìn)行顯示與監(jiān)控。

4）交流電機(jī) ：采用新菱714-4 / 0.75kW型號(hào)的三相交流異步電動(dòng)機(jī) ，輸出功率為750W，用于驅(qū)動(dòng)傳送帶輸送物料到分揀區(qū)域。

5）電磁閥組模塊：采用弗康德4V230C-08型號(hào)的二位五通雙電控電磁閥組，共有3位，采用24V直流供電，可控制雙作用氣缸將物料推到對應(yīng)的料槽區(qū)域。

6）變頻器 ：采用三菱FR-E700型號(hào)的變頻器 ，驅(qū)動(dòng)控制傳送帶的三相交流異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)不同的要求，對該電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。

7）傳感器檢測模塊：采用E3Z-L61型光電開關(guān)來檢測入料口有無物料；采用E3Z-NA11型光纖傳感器 、LJ12A3-4-Z/BX三線金屬感應(yīng)傳感器來檢測物料的材質(zhì)及顏色；采用D-C73型磁性開關(guān)檢測氣缸是否伸出和縮回到位。

2.2 PLC及工業(yè)機(jī)器人輸入輸出信號(hào)分配

PLC輸入輸出分配表及工業(yè)機(jī)器人輸入輸出分配情況，見表1。

表1 PLC及工業(yè)機(jī)器人輸入輸出信號(hào)分配表Table 1 Input/output table of PLC and industrial robot

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)、PLC程序設(shè)計(jì)、觸摸屏畫面組態(tài)。整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3。

圖3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Program flow chart of the control system

3.1 PLC部分程序

程序采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖進(jìn)行編程。機(jī)器人完成物料的搬運(yùn)后，將完成信號(hào)傳送給PLC，PLC接收到信號(hào)驅(qū)動(dòng)傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，此部分采用單序列狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。在分揀部分，由于有多種物料需要分揀，采用選擇序列狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。在分揀完成后，將選擇序列進(jìn)行合并，再控制傳送帶停止。系統(tǒng)自動(dòng)模式下PLC部分程序如圖4。

圖4 自動(dòng)模式下PLC部分程序Fig.4 Plc program in automatic mode

3.2 機(jī)器人程序

機(jī)器人到抓取及放置物料點(diǎn)的上方要設(shè)置一個(gè)過渡點(diǎn) ，防止機(jī)器人由于路徑選擇導(dǎo)致碰撞。機(jī)器人在抓取和放置物料動(dòng)作前后，要加一個(gè)延時(shí)的過程指令，避免機(jī)器人還沒完成抓取或放置物料動(dòng)作，已開始下一個(gè)動(dòng)作。在控制過程中，有兩個(gè)信號(hào)要采用過程指令的輸入輸出指令，分別是機(jī)器人等待PLC發(fā)送的啟動(dòng)信號(hào)及機(jī)器人給PLC發(fā)送完成搬運(yùn)的信號(hào)。當(dāng)PLC接收到機(jī)器人發(fā)送的信號(hào)后，要及時(shí)將信號(hào)復(fù)位，以便下一個(gè)循環(huán)到來時(shí)程序能再次運(yùn)行[7]。完成的機(jī)器人程序如下：

MAINFUNC

MAIN

WAITDIN DI1 ON ！等待PLC發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)

MOVJ

TERMINAL TPos1

MOVL

TERMINAL TPos2 ！機(jī)器人到達(dá)倉庫區(qū)指定位置

DELAY 1 ！機(jī)器人等待1s

DELAY 1

MOVL

TERMINAL TPos2

MOVJ

TERMINAL TPos3

MOVL

如今，來自23個(gè)國家的科學(xué)家正在通過“國際海洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃”開展研究，該項(xiàng)目利用科學(xué)大洋鉆探從海底沉積物和巖石中采集數(shù)據(jù)，并監(jiān)測海底環(huán)境。通過采集巖芯，科學(xué)家獲得了關(guān)于板塊構(gòu)造的新信息，如海洋地殼形成的復(fù)雜性和深海生命的多樣性。

TERMINAL TPos4 ！機(jī)器人搬運(yùn)物料至入料口

DELAY 1

DOUT D02 OFF ！機(jī)器人氣爪放松物料

DELAY 1

MOVL

TERMINAL TPos3

MOVJ

TERMINAL Home ！機(jī)器人回到Home點(diǎn)

DOUT D01 ON ！機(jī)器人給PLC發(fā)送完成搬運(yùn)的信號(hào)

DELAY 2

DOUT D01 OFF ！2s后，機(jī)器人給PLC發(fā)送的信號(hào)復(fù)位

ENDMAIN

3.3 觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MCGS觸摸屏進(jìn)行運(yùn)行模式選擇及系統(tǒng)的啟動(dòng)和急?？刂?，也用來對物料搬運(yùn)、傳送及分揀系統(tǒng)進(jìn)行顯示與監(jiān)控，還統(tǒng)計(jì)已完成分揀的不同類別的物料數(shù)量。觸摸屏組態(tài)畫面如圖5。

圖5 觸摸屏組態(tài)畫面Fig.5 HMI page

4 控制系統(tǒng)的調(diào)試

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，先進(jìn)行電路的安全及各零部件的檢測，再逐步進(jìn)行各模塊的調(diào)試，最后進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試[4]。

首先，將恒銳機(jī)器人動(dòng)力電纜、編碼器線纜、示教器連接起來，檢查無誤后，機(jī)器人上電。在機(jī)器人調(diào)試之前，要先進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，若沒有回到正確零位，則手動(dòng)調(diào)整機(jī)器人至零位并按下零位補(bǔ)償按鈕。調(diào)試機(jī)器人程序時(shí)，先手動(dòng)單步調(diào)試物料搬運(yùn)過程，確認(rèn)無誤后，再自動(dòng)運(yùn)行。

其次，設(shè)置變頻器參數(shù)及組態(tài)觸摸屏畫面，下載并調(diào)試PLC程序?qū)崿F(xiàn)物料的傳輸及分揀。在開始之前，要對各模塊進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試均無誤后，然后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試，根據(jù)調(diào)試的結(jié)果，逐步調(diào)整相關(guān)參數(shù)、優(yōu)化程序、調(diào)整部件位置等，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。調(diào)試過程中若遇突發(fā)情況，應(yīng)立即按下急停按鈕。

通過調(diào)試，本系統(tǒng)的硬件設(shè)備與軟件程序達(dá)到控制要求，系統(tǒng)調(diào)試成功。

5 結(jié)束語

本文主要以恒銳關(guān)節(jié)機(jī)器人及三菱FX3U-48MR型號(hào)的PLC作為控制核心，并在外圍擴(kuò)展了觸摸屏、變頻器以及其他傳感檢測等單元，完成了基于PLC與工業(yè)機(jī)器人控制的物料搬運(yùn)及分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。工業(yè)機(jī)器人主要完成物料的搬運(yùn)任務(wù)，考慮到距離的原因，設(shè)計(jì)一條傳送帶來配合完成長距離的傳送，并在傳送帶上加裝傳感檢測單元完成對物料的檢測，配合推料機(jī)構(gòu)使之具備金屬和非金屬、深色和淺色物料的分揀功能。若想進(jìn)一步研究還可通過電容傳感器 、電感傳感器或機(jī)器視覺對其他材質(zhì)或其他形狀的物料進(jìn)行分揀。通過實(shí)踐證明，本系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，改造調(diào)整方便，運(yùn)行大大降低了用工成本，另外實(shí)現(xiàn)過程簡易可行，應(yīng)用前景較廣闊[8]。