基于S7-1200PLC的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)貼膜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

薛圓慶 于國(guó)健 唐霞

摘 要：提出了機(jī)器人自動(dòng)貼膜裝置的整體工作方案，設(shè)計(jì)了撕膜機(jī)構(gòu)，基于S7-1200PLC控制技術(shù)，定義其輸入輸出點(diǎn)，并編寫了伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)、觸發(fā)視覺(jué)相機(jī)拍照、撕膜電磁閥等動(dòng)作的程序。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;貼膜;撕膜機(jī)構(gòu);S7-1200PLC編程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.115

0 引言

隨著科技的發(fā)展，手機(jī)已走進(jìn)千家萬(wàn)戶，不僅生活日常需要用到，現(xiàn)在信息化教學(xué)課堂也離不開手機(jī)，為了防止自己的手機(jī)被尖銳物體給劃傷，或者手機(jī)不小心掉落，很多人買了手機(jī)以后都會(huì)給自己手機(jī)貼一個(gè)鋼化膜，起到保護(hù)手機(jī)屏幕的作用，當(dāng)前，人工貼膜操作者費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著“中國(guó)制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”新概念拉開序幕，如何改變這一現(xiàn)狀呢，本文將研究了基于S7-1200PLC的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)貼膜裝置控制程序開發(fā)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

基于x-sight機(jī)器視覺(jué)三點(diǎn)定位原理的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)貼膜裝置，三維效果如圖1示，主要由手機(jī)傳送機(jī)構(gòu)、手機(jī)膜倉(cāng)儲(chǔ)裝置、撕膜機(jī)構(gòu)、視覺(jué)定位系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人及西門子S7-1200PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)組成。

作品主要由x-sight視覺(jué)定位系統(tǒng)、執(zhí)行以及控制模塊、機(jī)器人軌跡規(guī)劃三部分組成，系統(tǒng)整體流程如圖2所示。視覺(jué)檢測(cè)模塊包括圖像采集與處理和產(chǎn)品的精準(zhǔn)定位兩部分。產(chǎn)品抓取指工業(yè)機(jī)器人從倉(cāng)儲(chǔ)貨架上吸取鋼化膜，等待視覺(jué)信號(hào)后，將鋼化膜放置傳送帶上合適位置。產(chǎn)品的定位是通過(guò)x-sight視覺(jué)采集清晰的目標(biāo)手機(jī)圖像，利用視覺(jué)算法獲得目標(biāo)工件的圖像坐標(biāo)，將此坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送給PLC，由PLC傳送給機(jī)器人。

（1）視覺(jué)定位單元：根據(jù)采集的圖像，定位其目標(biāo)工件中心點(diǎn)坐標(biāo)位置;機(jī)器人獲取圖像中目標(biāo)的中心位置，視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算得到來(lái)料目標(biāo)件的實(shí)際坐標(biāo)值，并計(jì)算得到位置偏移值。

（2）執(zhí)行與運(yùn)動(dòng)控制模塊：以西門子S7-1200PLC為開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合伺服控制技術(shù)對(duì)自動(dòng)貼膜裝置進(jìn)行軟件編程。根據(jù)視覺(jué)定位的坐標(biāo)，通過(guò)機(jī)器人擴(kuò)展板，使得機(jī)器人執(zhí)行端的目標(biāo)工件2（鋼化膜）與傳送帶上的目標(biāo)工件1（手機(jī)）坐標(biāo)值一致，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

（3）機(jī)器人軌跡規(guī)劃：借助ROS平臺(tái)，在solidworks中建立機(jī)器人及場(chǎng)景的三維模型，模型使得機(jī)器人能夠知道障礙物的所在;然后將建好的模型轉(zhuǎn)成ros系統(tǒng)下能夠識(shí)別的格式——urdf（機(jī)器人描述文件），可通過(guò)rviz（ros的圖形化工具）顯示優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 工作流程

本作品中，目標(biāo)產(chǎn)品1為手機(jī)工件，目標(biāo)產(chǎn)品2為手機(jī)鋼化膜，工作流程如圖3所示：由s7-1200PLC控制目標(biāo)產(chǎn)品1的傳送，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)品1經(jīng)傳送帶運(yùn)動(dòng)到相機(jī)位置，觸發(fā)光電開關(guān)，發(fā)送目標(biāo)到位信號(hào)給PLC，PLC觸發(fā)相機(jī)拍照，視覺(jué)模塊定位產(chǎn)品的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，發(fā)送給PLC，通過(guò)通訊處理，PLC觸發(fā)工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人控制器接收經(jīng)過(guò)圖像處理定位后的坐標(biāo);同時(shí)，機(jī)器人完成從倉(cāng)儲(chǔ)上吸取目標(biāo)工件2，并在工作臺(tái)固定位置撕落鋼化膜保護(hù)膜;機(jī)器人將目標(biāo)產(chǎn)品2送至傳送帶，與傳送帶上的目標(biāo)產(chǎn)品1完成貼膜動(dòng)作;貼膜過(guò)程結(jié)束后，機(jī)器人歸回原位。

3 電氣控制設(shè)計(jì)

PLC控制自身具有較高的可靠性、穩(wěn)定性、可移植性、能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境和編程相對(duì)簡(jiǎn)單，使其在工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)中得到了廣泛使用。本作品基于s7-1200PLC控制器，控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，其目標(biāo)工件的坐標(biāo)偏移值通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)反饋給PLC，PLC再與機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最后可以在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示圖像采集畫面、保存機(jī)器人的參數(shù)和標(biāo)定參數(shù)，此外還能做到基本的試教功能以及接收機(jī)器人的報(bào)警信息。

4 S7-1200PLC程序開發(fā)

4.1 S7-1200PLC控制伺服電機(jī)

本作品實(shí)施時(shí)，考慮到桌面機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍，及運(yùn)行可靠性，設(shè)計(jì)了由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)，完成機(jī)器人抓取目標(biāo)工件2（鋼化膜），運(yùn)動(dòng)到合適位置，將目標(biāo)工件2送至傳送帶上，與傳送帶上的工件目標(biāo)1（手機(jī)）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)貼膜。其實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）創(chuàng)建新項(xiàng)目，添加PLC。點(diǎn)擊“創(chuàng)建新項(xiàng)目”，更改名稱與生成路徑。點(diǎn)擊“項(xiàng)目視圖”→“添加新設(shè)備”，添加需要的PLC。添加PLC的子網(wǎng)與IP地址，勾上“系統(tǒng)和時(shí)鐘存儲(chǔ)器”。

（2）添加、設(shè)置軸的參數(shù)。點(diǎn)擊“工藝對(duì)象”→雙擊“新增對(duì)象”→“TO_PositioningAxis”。更改數(shù)據(jù)。“驅(qū)動(dòng)器”→“脈沖發(fā)生器”：Pulse_1;“使能輸出”：Q0.3;“就緒輸入”：I0.4;“機(jī)械”→“電機(jī)每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)”：1310;“位置限制”→“啟動(dòng)硬限位開關(guān)”、“硬件下限位開關(guān)”：I0.2、“硬件上限位開關(guān)”：I0.0;“常規(guī)”→“速度限值的單位”：mm/s、“最大轉(zhuǎn)速”：<=25;兩個(gè)“加速時(shí)間”：1.0;“急停”→“急停減速時(shí)間”：0.1;“主動(dòng)”→“輸入原點(diǎn)開關(guān)”：I0.1、勾上“允許硬限位開關(guān)自動(dòng)反轉(zhuǎn)”、“逼近/回原點(diǎn)方向”：負(fù)方向、“參考點(diǎn)開關(guān)一側(cè)”：上側(cè)、“逼近速度”與“回原點(diǎn)速度”：20。如圖4所示。

（3）添加、設(shè)置伺服塊。雙擊“添加新塊”，選擇FB塊。點(diǎn)擊“工藝”→“Motion Control”，添加“MC_Power、MC_Reset、MC_Home、MC_MoveAbsolute、MC_MoveJog”指令。“Axis”選擇“軸_1”，“Execute”添加在Input里面自定義Bool類型的名稱。“MC_Power”的“Enable”為“1”。“Home”的“Mode”為“3”（主動(dòng)回原點(diǎn)）。“MC_MoveAbsolute”的“Position”為一個(gè)Real類型的數(shù)據(jù)名稱。“Velocity”為速度：20左右;“JogForward”為正方向點(diǎn)動(dòng)，“JogBackward”為負(fù)方向點(diǎn)動(dòng)。正、負(fù)方向點(diǎn)動(dòng)都添加BOOl類型的數(shù)據(jù)名稱。將設(shè)置好的伺服塊添加到Main程序里面。在每一個(gè)“false”前面添加M中間變量，例如M100.0。“MC_MoveAbsolute”前面添加“M0.5”每0.5秒通斷一次。“Power”可以一直讓它為通的狀態(tài)。“pos”先不添加。

（4）機(jī)器人數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為伺服移動(dòng)數(shù)據(jù)。在Main中編寫轉(zhuǎn)換程序。添加“MOVE”移動(dòng)值指令，將伺服發(fā)送的IB8、I9.0、I9.1地址用PLCD的MB50地址接受，在用轉(zhuǎn)換值指令，將接受的Int數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Real數(shù)據(jù)類型，能讓伺服識(shí)別的數(shù)據(jù)用MD10接受轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。前面的“pos”添加這邊的MD10。如圖5所示。

4.2 S7-1200PLC觸發(fā)相機(jī)拍照

目標(biāo)工件1由傳送帶送至視覺(jué)拍照，由傳感器檢測(cè)手機(jī)到位后發(fā)出信號(hào)給PLC，PLC觸發(fā)相機(jī)拍照，該程序按照流程步執(zhí)行。當(dāng)滿足“MW500=1”（第一個(gè)流程步）、拍照傳感器檢測(cè)到手機(jī)的條件時(shí)，等待500MS傳送帶停止，同時(shí)等待1S后觸發(fā)相機(jī)拍照，進(jìn)行第二步流程。

4.3 PLC控制撕摸的電磁閥

當(dāng)機(jī)器人發(fā)送“16#31”（十六進(jìn)制的“31”）信號(hào)給PLC時(shí)，PLC接受到信號(hào)，讓撕膜夾爪的電磁閥得電換向，使得撕膜夾爪閉合，夾住膜上的撕膜部分。當(dāng)機(jī)器人發(fā)送“16#32”（十六進(jìn)制的“32”）信號(hào)給PLC時(shí)，PLC接受到信號(hào)，讓撕膜夾爪的電磁閥失電換向（復(fù)位），使得撕膜夾爪張開，松開已被撕掉的膜，程序如圖6。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)貼膜裝置，可現(xiàn)場(chǎng)操作可通過(guò)設(shè)備上的按鈕實(shí)行啟動(dòng)與停止;系統(tǒng)的控制器選擇S7-1200PLC進(jìn)行程序的自動(dòng)化控制;采用人機(jī)交互界面觸摸屏進(jìn)行控制，可接收前端設(shè)備的實(shí)時(shí)信息，同時(shí)也負(fù)責(zé)發(fā)送業(yè)務(wù)管理遠(yuǎn)程平臺(tái)端的指令。同時(shí)增加了手機(jī)端的遠(yuǎn)程控制模塊，可在任何時(shí)刻控制設(shè)備運(yùn)行，也融合云平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，可推廣至相關(guān)生產(chǎn)廠家，其提到的機(jī)器視覺(jué)三點(diǎn)標(biāo)定原理為相關(guān)視覺(jué)定位項(xiàng)目提供借鑒！

參考文獻(xiàn)：

[1]廖長(zhǎng)初.PLC編程與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]虞小明.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品[M].2019（01）.

[3]楊艷等.煤礦機(jī)械[M].2018（12）.

作者簡(jiǎn)介：薛圓慶（1999-），男，江蘇淮安人，大專在讀，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。