基于PLC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)機(jī)器人FAS生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 欣，葉家煒

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

隨著制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展轉(zhuǎn)變，原來(lái)的單一技能就業(yè)要求被多工種、多技能的崗位要求所取代．為了增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)對(duì)市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)能力，滿足崗位需求，我們模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，將現(xiàn)有的各獨(dú)立單元，整合在一起組成一條機(jī)器人FAS生產(chǎn)線，可根據(jù)不同的實(shí)訓(xùn)目的自由組合完成不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，達(dá)到對(duì)各種專業(yè)技術(shù)綜合訓(xùn)練，提升綜合應(yīng)用能力的目的．

1 工藝流程

工藝流程模擬制造企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，完成從原材料出庫(kù)到成品產(chǎn)出入庫(kù)的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程，機(jī)器人FAS生產(chǎn)線工藝流程如圖1所示，具體過(guò)程如下：

1）通過(guò)傳感器檢測(cè)托盤(pán)狀態(tài)，流水帶將狀態(tài)正確的托盤(pán)送至出庫(kù)工位，原料庫(kù)掃描原材料，并送至出庫(kù)位，機(jī)器人取料放入托盤(pán)．

2）通過(guò)傳感器檢測(cè)托盤(pán)狀態(tài)，流水帶將狀態(tài)正確的托盤(pán)送至裝配工位．成品庫(kù)掃描空倉(cāng)位，送至入庫(kù)位．

3）機(jī)器人從配件庫(kù)抓取配件．

4）機(jī)器人將配件裝配到原材料上．配件庫(kù)掃配件，并送至出庫(kù)位．

5）傳感器檢測(cè)成品中是否包含配件．

6）流水帶將狀態(tài)正確的成品傳送至入庫(kù)工位．

7）機(jī)器人將成品送入成品庫(kù)空倉(cāng)位．

圖1 機(jī)器人FAS生產(chǎn)線工藝流程

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人簡(jiǎn)易生產(chǎn)線硬件控制系統(tǒng)如圖 2所示，本系統(tǒng)的控制過(guò)程為：總控單元向各個(gè)子單元發(fā)送控制指令，子單元按照總控單元的指令動(dòng)作和過(guò)程控制．同時(shí)，實(shí)時(shí)向總控單元發(fā)送信息，從而實(shí)現(xiàn)總控單元對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的綜合控制．該系統(tǒng)由總控單元、搬運(yùn)及裝配單元、倉(cāng)庫(kù)單元、自動(dòng)化輸送線單元幾部分組成，如圖3、圖4所示．

圖2 機(jī)器人FAS生產(chǎn)線硬件系統(tǒng)框圖

2.1 總控單元

PLC可編程控制器是一種專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置．它具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、能耗低、建造工作量小、維護(hù)方便、容易改造等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡等各個(gè)行業(yè)．本系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300 PLC作為總控單元[1-3]，向各子單元發(fā)送控制命令，同時(shí)接收各子單元及各傳感器的狀態(tài)，做出判斷，向子單元發(fā)送下一步控制命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制．

2.2 搬運(yùn)及裝配單元

搬運(yùn)及裝配單元采用MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人，是一種串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人．PLC通過(guò)讀取各子站狀態(tài)及輸送線上待加工工件的狀態(tài)，做出判斷，向機(jī)器人發(fā)送，原料出庫(kù)、配件出庫(kù)、裝配、入庫(kù)命令，控制機(jī)器人完成搬運(yùn)、裝配等動(dòng)作，機(jī)器人完成對(duì)應(yīng)動(dòng)作后，向PLC發(fā)送動(dòng)作完成信號(hào)，從而使 PLC得到機(jī)器人目前狀態(tài)，實(shí)現(xiàn) PLC對(duì)機(jī)器人的控制．

圖3 機(jī)器人FAS生產(chǎn)線示意圖

2.3 倉(cāng)庫(kù)單元

倉(cāng)庫(kù)單元由一個(gè)雙層旋轉(zhuǎn)倉(cāng)庫(kù)和一個(gè)單層旋轉(zhuǎn)倉(cāng)庫(kù)及步進(jìn)電機(jī)、零位開(kāi)關(guān)、工件檢測(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)組成．PLC通過(guò)FM353定位模塊控制步進(jìn)電機(jī)，以達(dá)到對(duì)倉(cāng)庫(kù)倉(cāng)格精準(zhǔn)定位的作用．PLC根據(jù)當(dāng)前執(zhí)行工序，通過(guò)工件檢測(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)對(duì)倉(cāng)庫(kù)倉(cāng)格進(jìn)行掃描，再根據(jù)倉(cāng)格的狀態(tài)及倉(cāng)庫(kù)單元所處的位置進(jìn)行計(jì)算，控制步進(jìn)電機(jī)將滿足要求的倉(cāng)格運(yùn)動(dòng)到出庫(kù)或入庫(kù)位，由MOTOMAN機(jī)器人完成出庫(kù)或入庫(kù)工作．當(dāng)原料或配件庫(kù)材料都已經(jīng)用完，或者成品庫(kù)已滿，PLC會(huì)控制整個(gè)系統(tǒng)停止，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，等待現(xiàn)場(chǎng)管理人員處理．

2.4 自動(dòng)輸送線單元

自動(dòng)輸送線單元由皮帶輸送機(jī)、變頻器、三相異步電機(jī)、對(duì)射光電傳感器、氣動(dòng)定位裝置及導(dǎo)向條組成．本系統(tǒng)中皮帶輸送機(jī)采用變頻調(diào)速，皮帶運(yùn)行速度2～5 m/min．PLC根據(jù)當(dāng)前工序通過(guò)對(duì)射光電傳感器對(duì)工件托盤(pán)及工件狀態(tài)進(jìn)行判斷，控制皮帶輸送機(jī)將正常狀態(tài)的托盤(pán)及工件傳送到對(duì)應(yīng)工位，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)定位裝置將托盤(pán)及工件停留在此工位，等待機(jī)器人完成出庫(kù)、入庫(kù)或裝配動(dòng)作．當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，如等待原料出庫(kù)的托盤(pán)內(nèi)仍有物料，或者完成裝配動(dòng)作的工件未發(fā)現(xiàn)裝配件等，此時(shí)PLC控制皮帶輸送機(jī)將異常狀態(tài)的托盤(pán)送到異常狀態(tài)區(qū)，停止整個(gè)系統(tǒng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，等待現(xiàn)場(chǎng)管理人員處理．

圖4 機(jī)器人FAS生產(chǎn)線

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在保證機(jī)器人 FAS生產(chǎn)線功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)還需要兼顧生產(chǎn)效率與系統(tǒng)可靠性．在控制軟件設(shè)計(jì)上，充分利用PLC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，控制雙層料庫(kù)、單層料庫(kù)和傳送帶這3個(gè)單元并行動(dòng)作，通過(guò)機(jī)器人信號(hào)協(xié)調(diào)各單元?jiǎng)幼?，?shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體有條不紊的運(yùn)行[4]．這種方式相較于順序執(zhí)行方式，縮短了產(chǎn)品的單件工時(shí)，提高了生產(chǎn)效率，并且考慮了生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的幾種異常狀況，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性．如圖5所示，該機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線的具體控制過(guò)程為：

1）系統(tǒng)復(fù)位，生產(chǎn)線啟動(dòng)，原料庫(kù)、配件庫(kù)通過(guò)工件檢測(cè)傳感器尋找待出庫(kù)工件，并將找到的工件傳送到出庫(kù)位．同時(shí)流水帶將料盤(pán)向等待工件出庫(kù)工位傳送，通過(guò)光電對(duì)射傳感器檢測(cè)料盤(pán)內(nèi)是否有工件存在，若料盤(pán)為空，氣動(dòng)定位裝置動(dòng)作，將料盤(pán)停留在等待出庫(kù)工位．

2）系統(tǒng)判斷有原料待出庫(kù)的同時(shí)料盤(pán)抵達(dá)工件出庫(kù)工位，向機(jī)器人發(fā)送原料出庫(kù)指令，機(jī)器人執(zhí)行出庫(kù)程序，將原料從原料庫(kù)搬運(yùn)至料盤(pán)中，完成后發(fā)送出庫(kù)完成信號(hào)．

3）系統(tǒng)接收到出庫(kù)完成信號(hào)后，控制流水帶將料盤(pán)向裝配工位傳送，通過(guò)光電對(duì)射傳感器檢測(cè)料盤(pán)內(nèi)是否有工件存在，若料盤(pán)內(nèi)有工件，氣動(dòng)定位裝置動(dòng)作，將料盤(pán)停留在等待裝配工位．同時(shí)成品庫(kù)通過(guò)工件檢測(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)尋找空倉(cāng)位，并將空倉(cāng)位傳送到入庫(kù)位．

4）系統(tǒng)判斷料盤(pán)抵達(dá)工件裝配工位同時(shí)有配件待出庫(kù)，向機(jī)器人發(fā)送裝配指令，機(jī)器人執(zhí)行裝配程序，將配件從配件庫(kù)中取出并完成工件裝配動(dòng)作，完成后發(fā)送裝配完成信號(hào)．

5）系統(tǒng)接收到裝配完成信號(hào)后，控制流水帶將成品工件向入庫(kù)位傳送，通過(guò)光電對(duì)射傳感器2檢測(cè)配件，若檢測(cè)到配件，氣動(dòng)定位裝置動(dòng)作，將料盤(pán)停留在等待入庫(kù)工位．同時(shí)配件倉(cāng)通過(guò)工件檢測(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)尋找下一待出庫(kù)配件，并將配件傳送至出庫(kù)位．

6）系統(tǒng)判斷有成品待入庫(kù)同時(shí)料盤(pán)抵達(dá)工件入庫(kù)工位，向機(jī)器人發(fā)送成品入庫(kù)命令，機(jī)器人執(zhí)行入庫(kù)程序，將成品工件從料盤(pán)搬運(yùn)至成品庫(kù)的空倉(cāng)位中，完成后發(fā)送入庫(kù)完成信號(hào)．

7）接收到入庫(kù)完成信號(hào)后，控制流水帶將料盤(pán)向等待出庫(kù)工位傳送，開(kāi)始下一個(gè)產(chǎn)品裝配作業(yè)．

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的3種異常狀況的檢測(cè)與處理，在每個(gè)工序都會(huì)對(duì)與該工序相關(guān)的單元狀態(tài)進(jìn)行判斷：

1）在原材料出庫(kù)工序，會(huì)判斷料盤(pán)是否為空、原料庫(kù)是否為空，若料盤(pán)內(nèi)有工件或者原料庫(kù)沒(méi)有原料，均會(huì)判定為狀態(tài)異常．

2）在裝配工序，會(huì)判斷料盤(pán)內(nèi)是否有工件、配件庫(kù)是否為空，若料盤(pán)內(nèi)沒(méi)有工件或者配件庫(kù)沒(méi)有原料，均會(huì)判定為狀態(tài)異常．

3）在成品入庫(kù)工序，會(huì)判斷成品上是否有配件、成品庫(kù)是否有空倉(cāng)位，若成品上未發(fā)現(xiàn)配件或者成品庫(kù)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)空倉(cāng)位，均會(huì)判定為狀態(tài)異常．

任何異常情況出現(xiàn)，PLC都會(huì)停止整個(gè)生產(chǎn)線，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，等待現(xiàn)場(chǎng)管理人員處理．

4 應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果

本文搭建的一套模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的機(jī)器人FAS生產(chǎn)線綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，包含多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的專業(yè)技術(shù)．本系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性和柔性，可讓學(xué)生從控制柜配線到整個(gè)系統(tǒng)的組成和原理都有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)和理解；可根據(jù)不同的實(shí)訓(xùn)目的自由組合完成不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，達(dá)到對(duì)各種專業(yè)技術(shù)綜合訓(xùn)練，提升綜合應(yīng)用能力的目的；也可根據(jù)需求重新構(gòu)建，達(dá)到創(chuàng)新的目的．本系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)電一體化綜合實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、社團(tuán)活動(dòng)、對(duì)外培訓(xùn)等，實(shí)踐證明，可有效提升學(xué)生的專業(yè)技術(shù)綜合應(yīng)用能力．

圖5 機(jī)器人FAS生產(chǎn)線軟件流程圖

[1] 胡?。鏖T(mén)子S7-300PLC應(yīng)用教程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

[2] 廖常初．S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)（第3版）[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

[3] 韓裕生，喬志花，張金．傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2013．

[4] NX100操作要領(lǐng)書(shū)[Z]．安川電機(jī)SGM-CSO-A032．