一種工業機器人實訓系統的設計與開發

錢曉忠 郭 瓊

(無錫職業技術學院 控制技術學院，江蘇 無錫 214121)

1 概述

工業機器人是集現代制造技術、新型材料技術和信息控制技術為一體的代表性產品，是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志之一，在支撐現代制造業發展中扮演著重要角色。近年來隨著我國制造業的不斷轉型升級，市場工業機器人釋放出巨大的需求。工業機器人的大量應用必然面臨相關人才短缺的問題，包括機器人操作維護、安裝調試、系統集成與應用類人才[1-5]。

由于工業機器人種類繁多，且涉及傳感器融合、人機交互、認知和學習系統、視覺系統、抓取和操作、移動和運動技術及系統集成等多學科、多門類技術[1]，因此對相關人才的培養也提出了較高的要求，開發和研究各種合適的學習與培訓的軟硬件資源，培養工業機器人技術及應用方面的人才尤為迫切。

工業機器人實訓系統如圖1所示。該系統是2015年全國高等職業院校技能大賽工業機器人技術應用賽項平臺，硬件采用工業元器件設計，即是一種真實的工業機器人的具體應用，也能在此平臺上進行綜合實訓和功能開發。系統包括碼垛機器人、AGV機器人和關節機器人，工作流程設計如下：

(1)碼垛機器人根據庫位選擇順序，依次取出工件，并將工件放置在輸送設備AGV小車上。

(2) AGV將工件輸送到自動生產線入口處，通過輥道對接，自動進入托盤生產線。

(3)工件經過托盤生產線拍照工位時，由智能相機自動識別工件位置和類型，并將數據發送給主控PLC處理。

(4)關節機器人按照主控系統的指令和數據從托盤生產線上抓取工件，并按工件分類擺放要求在工作盒流水線上完成分揀任務。

圖1 工業機器人實訓系統

該實訓平臺基于工業設計理念，既能體現現代生產過程，又具操作性和實用性。平臺的綜合應用和功能開發，能讓學生親身體驗工業機器人真實作業和實際應用，擺脫生產設備在生產過程中不能隨意更改工藝和控制功能的束縛，有利于大學生新技術新知識的學習,激發大學生再學習的興趣和創新能力的培養。

2 系統架構

2.1 系統層級

如圖2所示，工業機器人實訓系統可分為設備層、控制層和管理層三個層級。考慮實訓平臺面向高職自動化類、機電類學生，將系統的設備層及控制層作為學習范疇，側重機械/電氣裝置的認識、安裝調試及控制系統功能開發等過程控制系統(PCS)所涉及的內容，為工業機器人及其關聯設備的維保、調試、示教編程等提供應用型人才；管理層可作為后續欲開發和延伸的領域。

圖2 系統層級

設備層由碼垛機、自動生產線、傳感器檢測系統、AGV、關節機器人、貨架、托盤及工件盒等基礎設備組成。

控制層主要負責各類設備的控制和數據交換、數據共享等工作。

(1)主控PLC系統。負責和上位機直接交換信息；用于自動生產線等設備的控制；與工業機器人、智能相機等系統信息交互及實現遠程操控功能。

(2)碼垛PLC系統。控制碼垛機X/Y/Z軸三個方向的變頻器運動，采集庫位信息及碼垛機位置，接受主控PLC的調度和信息交互。

(3)輸送機PLC系統。通過光電開關與碼垛/主控系統之間實現數據通信。獲得貨物輸送信息，將貨物按照給定路徑從立體倉庫運送到自動生產線指定入口處，以便貨物進入自動生產線運輸輥道，并自動返回碼垛機系統取貨位置等待輸送指令。

(4)關節機器人控制系統。接受主控PLC的讀/寫訪問，按照主控PLC給定的定位信息，抓取托盤生產線上的工件，并將工件放置在工件盒生產線上對應的工件盒小格中，完成工件分揀任務。

2.2 硬件組態

碼垛PLC、主控PLC、碼垛機變頻器及HMI等選擇帶有以太網接口的設備，硬件組態如圖3所示。

圖3 硬件組態

圖3中碼垛PLC_1和主控PLC_2選用S7-1200 PLC。該產品定位中低端小型PLC，適合中小型項目的開發與應用，集成了PROFINET接口，可用來編程、HMI通訊及CPU間的通訊；還支持開放的以太網協議，可與第三方設備通訊[6-8]。

選用3臺G120變頻器實現碼垛機行走、升降、貨叉三個驅動機構外加貨物檢測、庫位定位及安全檢測等元件完成自動搜索和自動出貨功能。G120變頻器采用模塊化設計，功率模塊內置以太網通訊功能，可借助調試軟件Starter或操作面板模塊完成對變頻器的參數設置[9-11]。

HMI用于碼垛系統操作、入庫信息錄入和庫位信息監視等功能，選用支持工業以太網接口的TP700智能型觸摸屏，能與各種主流PLC通訊，且人機界面友好、環境適應性強[12]。

系統中的關節機器人和智能相機支持以太網通信，將設備的以太網接口通過交換機接入實訓系統網絡，并作為服務器接受主控PLC的讀/寫數據訪問。

2.3 碼垛PLC與主控PLC的通信設計

S71200PLC的PN口支持Modbus TCP協議，提供“MB_CLIENT”和“MB_SERVER”兩條指令。“MB_CLIENT”指令作為 Modbus TCP 客戶端通過 S7-1200 CPU 的 PROFINET 接口連接進行通信，通過該指令，可以在客戶端和服務器之間建立連接、發送請求、接收響應并控制 Modbus TCP 服務器的連接；“MB_SERVER”指令將處理 Modbus TCP 客戶端的連接請求、接收 Modbus 功能的請求并發送響應。

主控PLC與碼垛PLC通信時，主控PLC作為客戶端，調用兩次“MB_CLIENT”功能塊指令，分別實現對碼垛PLC系統的讀/寫功能，在讀/寫功能切換時關鍵點是分時控制兩個功能塊[13-14]。

圖4是主控PLC的通信寫指令程序，其中192.168.8.112為碼垛PLC 的IP地址，MODBUS TCP通信端口設為502，將主控PLC數據塊DB5的內容 寫入碼垛PLC中；圖5是碼垛PLC的通信程序，只需使用“MB_SERVER”指令，接受主控PLC的客戶端讀/寫訪問即可，并將主控PLC讀/寫的數據暫存放在數據塊DB2中。

圖4 主控PLC寫指令程序

圖5 碼垛PLC通信程序

3 按需取貨功能設計

3.1 設計思路

立體倉庫在工業實際應用中具有自動出入庫、倉儲調度、庫存盤點等功能，其中自動出入庫的一般工作流程如下[15]：

(1)操作人員事先在計算機系統中做好物料的歸類和倉儲位置的選擇，然后將相關指令發送給倉庫系統，倉庫系統按照指令通過搬運和輸送設備將物料堆放到指定貨架的指定位置上實現物料入庫存儲。

(2)操作人員在計算機系統中輸入出貨任務，并發送給倉庫系統，倉庫系統自動搜索庫位及物料信息，通過碼垛機將所需物料從庫位上取出，并由輸送設備輸送到指定位置。

(3)倉庫系統對物料的出入庫和庫存狀態自動更新。

考慮實訓平臺結構及使用對象，結合實際倉庫系統出入庫流程和管理過程，按需取貨功能設計思路如下：

(1)立體倉庫貨物入庫時在HMI上進行工件類型登記和錄入系統；

(2)在HMI界面輸入出貨工件名稱等相關數據，即輸入工件在流水生產線上的分揀要求；

(3)主控系統將本次分揀所需工件信息傳送給碼垛系統；

(4) 碼垛系統按照事先設置的庫位編碼，掃描和搜索庫位信息，得到所需工件的庫位編號并出貨，由AGV輸送到指定位置。

(5)碼垛系統對物料的出入庫信息和庫存狀態自動更新。

3.2 入庫信息錄入

受實訓系統結構限制，庫位托盤沒有RFID或條碼等標簽，故在HMI上設立入庫信息錄入界面，這也是立體倉庫實際應用中的一種入庫方式。通過人工將當前庫位的工件信息錄入系統中，并將入庫信息告知碼垛系統，便于碼垛系統按照需求信息自動搜索出貨，錄入界面如圖6所示，立體倉庫有4行7列共計28個庫位，數據類型設置如圖7所示。

每個庫位數據包含gsHouseData[i]. Type和gsHouseData[i]. CatNo兩個元素。gsHouseData[i].Type用于存放庫位工件類型，gsHouseData[i].CatNo用于標記按需出貨時的出貨順序，在出貨過程中進行標記和改寫。庫位信息錄入結束，單擊“錄入完成”，立體倉庫庫存信息進入系統。

圖6 立體倉庫庫位信息錄入界面

圖7 庫位數據類型設置

3.3 需求信息錄入

依據工藝流程，系統按順序自動完成工件出庫、輸送、識別、抓取、分揀任務，所有工序、所有設備有序配合。

如圖8所示為工件分揀任務所需工件的信息錄入界面，共計七種類型的工件。每次任務為完成三個工件盒的分類擺放，每個工件盒8個小格，每個小格可疊放兩層工件，錄入數據類型設置如圖9所示。

圖8 工件需求信息錄入

圖9 需求數據類型設置

主控系統將工件分揀信息寫入碼垛機器人和關節機器人。碼垛機器人按照分揀的順序和工件類型依次出庫，關節機器人按照分揀要求放置工件。

3.4 程序設計要點

主控系統提取錄入工件需求信息，包括放置的位置、類型和數量。工件位置信息提供給關節機器人抓取工件并將工件放置在指定位置；工件類型和數量提供給倉庫系統按需出貨。由于放置多層，且在工件盒流水線上沒有設置緩沖區域，故要求倉庫系統按最終關節機器人放置工件的順序出貨。程序流程圖設計如圖10所示。

由流程圖可見，設計程序時要點如下：

(1)對倉儲位置編碼，倉庫系統采集庫存信息和工件需求(分揀)信息；

(2)倉庫系統掃描倉儲信息，當滿足“庫位有貨”“庫位工件與需求類型一致”且“該庫位未有出貨標記”，則標定該庫位出貨順序；

(3)計算庫位(1-28號)坐標，碼垛機到指定出貨位置取貨，并將工件放置在AGV小車上。

(4)系統按需取貨動作完成，等待下一次按需取貨指令。

圖10 按需取貨功能流程

4 結語

工業機器人系統“按需取貨”實訓功能按照在知識點上逐漸擴展和遞進、在功能上逐步接近實際應用的思路開發，很好地詮釋了工業機器人的應用、系統集成及數據融合的理念，提高了實訓系統自動化應用水平，有利于學生對工業機器人及與外圍設備集成應用的控制流程的理解和邏輯思維的訓練，學習內容與實際應用逐漸貼合。

該系統還可做進一步的研究和開發，例如增加立體倉庫倉儲系統IWMS，既擴充了系統功能，又增加了實訓系統的外延；可作為自動化、機電類專業綜合學習的平臺，也可為計算機、物流類學生研究上位系統及倉儲系統提供應用載體和數據平臺。該系統由于綜合技術強且貼近生產實際，無論是學生還是教師投入學習和研究的積極性非常高，工業機器人應用類人才培養效果顯著，且教師執教能力得到了明顯的提高。

[1] 辛國斌,田世宏.國家智能制造標準體系建設指南[M].北京:電子工業出版社,2016(6)：165-169.

[2] 蔣慶斌,朱平,陳小艷，等.高職院校工業機器人技術專業課程體系構建的研究[J].中國職業技術教育，2016(29):61-64.

[3] 印松,唐矯燕.工業機器人綜合實訓平臺[J] ,實驗室研究與探索,2016(2)：55-58.

[4] 孟明輝,周傳德，陳禮彬，等.工業機器人的研發及應用綜述[J].上海交通大學學報,2016(7)：98-101.

[5] 胡洪鈞,謝立敏,梁曉，等.工業機器人實驗項目與實踐[J].實驗技術與管理，2015(9)：201-203.

[6] 崔堅.TIA 博圖軟件-STEP7 V11編程指南[M].北京：機械工業出版社,2012(6)：193-203.

[7] 馮博,徐淑華.SIMATIC S7-1200可編程控制器技術特點[J].機械與電子，2010(23)：120-121.

[8] 王兵,徐淑華.基于S7-1200PLC的變頻調速恒壓供水系統[J].青島大學學報，2011，26(2)：18-22.

[9] 華閏祺,徐海峰.SINAMICS G120變頻器的2線、3線控制[J].電氣自動化,2013，35(5)：38-40.

[10] 趙德龍,娜仁莎,李振軍.淺談西門子SINAMICS G120系列變頻器及應用[J].電氣傳動，2012，42(1)：53-56.

[11] 謝宸伊,李云生,蘆光榮，等.自動化立體倉庫控制與管理系統的實現[J].自動化應用，2016(8)：69-70.

[12] 昌希武,顏高彥.基于PLC控制潔凈恒溫烘柜機電一體化設計[J].中國高新技術企業，2013(18)：7-8.

[13] 百度文庫.基于S7-1200CPU集成 PN口的ModbusTCP通信快速入門[EB/OL].(2016-12-11)[2017-11-20].www.wenku.baidu.com.

[14] 胡孔元,朱華炳,張希杰，等.基于工業機器人的汽車齒輪軸磨削自動化系統設計[J].組合機床與自動化加工技術，2014(9)：97-101.

[15] 李立江,何玲,文建周，等.智能電能表智能倉儲和配送系統建設分析[J].產業與科技論壇，2012，11(21)：86-87.