基于PLC與工業機器人的拋光打磨工作站控制系統的設計與實現

王哲祿

（溫州職業技術學院，溫州 325000）

0 引言

近年來，工業機器人技術發展迅速，工業機器人具有自動化程度高，可編程性能好空間姿態靈活等特點，作為一種高端智能裝備在智能生產線中應用范圍廣泛[1～3]。傳統的拋光打磨通常以手工拋光為主，勞動強度大，生產效率低，生產成本高，同時由于拋光噪聲、粉塵對人的高危害，拋光打磨行業出現了用工荒，在國內其發展急需引進自動化、工業機器人等新技術，從而保證加工精度提高效率，促進拋光行業轉型升級[4～7]。

由于PLC的穩定性、靈活性、抗干擾性，工業機器人和PLC應用結合緊密，應用于機器人智能生產線控制系統設計[8～11]。本文以衛浴龍頭工件為作打磨拋光對象，如圖1所示，對其拋光打磨工作流程進行分析，設計了基于PLC與工業機器人的拋光打磨工作站控制系統，通過Devicenet總線控制實現了機器換人和自動化。

1 系統構成及工作原理

拋光打磨機器人工作站由工業機器人、控制系統、拋光機系統和料盤組成，如圖2所示。工業機器人根據自由度、空間和載荷選用ABB的IRB2600機器人，其工作范圍為1.65m承重15kg，具有機身緊湊，工作范圍大，操作速度快等特點。拋光機系統主要包括1號拋光機、2號拋光機、3號麻輪和4號布輪。工業機器人工作時通過機器人控制器和PLC之間的Devicenet總線控制來完成對放置在料盤上的拋光工件的運動軌跡控制。

圖1 衛浴龍頭

根據工作空間和生產流程，拋光打磨機器人工作站的布局設計如圖3所示。其工作原理為：工作時，衛浴龍頭放置在1號料盤和2號料盤，輸送到機器人末端執行器夾取位置時，傳感器檢測到信號，由PLC傳遞給機器人控制器，機器人收到信號執行拋光任務，到達預定位置抓取衛浴龍頭，在1號拋光機進行正面和側面拋光，在2號拋光機進行背面拋光，最后經麻輪和布輪拋光后，工業機器人將其放置在原先料盤位置。

圖2 系統構成

圖3 系統布局圖

2 控制系統的硬件設計

拋光打磨工作站控制系統硬件主要包括PLC、機器人控制器、觸摸屏、變頻器、電磁閥和傳感器等，其電氣硬件設計結構圖如圖4所示。在整個控制系統，以PLC和機器人控制器IRC5為控制核心，采用Devicenet總線通信，完成接收和采集外部信號，實現機器人拋光工作，控制拋光電機的起動和停止。

控制系統硬件選型如下：

1）機器人控制器：機器人控制器采用IRC5，控制器內部自帶Devicenet總線接口，方便PLC進行通信，它的運動控制技術是精度、可編程性以及與外部設備同步性等機器人性能指標的重要保證。

2）PLC控制器：采用臺達PLC可編程控制器SV2系列DVP28SV11T，可以增加16個擴展模塊。由于工作站控制系統龐大，應用中PLC左側擴展Devicenet通信接口，與工業機器人進行通信，右側擴展4個DVP16SP11T擴展I/O模塊來進行傳感器、電磁閥、變頻器等信號控制和信息處理；

3）總線模塊：由于采用機器人Devicenet總線通信，控制中采用臺達DVPDNET-SL模塊，用于連接SV2 PLC主機左側模塊接口，通過DVPDNET-SL模塊PLC與機器人Devicenet總線連接，作為PLC主機與總線上從站的數據交換，PLC與ABB機器人的Devicenet通信如圖5所示。

4）HMI人機界面：采用臺達DOP-B10S411 10寸觸摸屏，可以與臺達DVP28SV11T PLC集成連接，實現工業機器人工藝參數的設置和監控功能。

5）變頻器：采用臺達VFD-C200變頻器，內置DeviceNet總線功能，實現拋光電機、布輪和麻輪電機的控制。

圖4 硬件設計結構圖

圖5 PLC與ABB機器人的Devicenet通信

3 控制系統的程序設計與運行

3.1 控制系統的程序設計

拋光打磨工作站控制系統的程序設計主要包括PLC程序設計和機器人程序設計。根據拋光打磨工作站的工作原理，根據機器人末端氣動手抓準備、衛浴龍頭工件到位、進行抓取、機器人進行抓取到1#拋光機、2#拋光機、布輪和麻輪位置處進行拋光打磨，打磨結束后放置至工件料盤重新循環開始。拋光打磨整個系統程序的設計包括工業機器人和控制系統初始化、HMI工藝參數設置、手動調試運行、系統自動運行、輸入輸出I/O信號監控系統等，程序流程圖如圖6所示。整個程序按照模塊化編程，確保系統穩定性相互間需要連鎖和互鎖等安全保護。

1）控制系統初始化：當系統開機時，拋光打磨工作站控制系統按照一定的安全順序運行到初始化狀態，使工作站恢復到原始狀態，工作站準備開始運行。

2）HMI工藝參數設置：根據拋光對象和工藝要求，在HMI人機界面中設置對應參數，以滿足設備生產的穩定性，生產的有效性。

3）手動調試運行：拋光打磨工作站在整機聯調時，可以根據功能模塊單獨運行調試，測試工作站的抓取執行器的開合動作實現，料盤的送料控制，拋光機、布輪麻輪機的變頻控制和機器人的啟停控制等，為整機聯合自動運行做準備。

4）系統自動運行：當拋光參數進行設置以后，將工業機器人工作站系統選擇自動運行狀態，工業機器人自動完成衛浴龍的抓取，拋光、除塵，最后放置。整個工作站能自動循環運行，實現拋光打磨的自動化生產。整個系統的啟動和停止由控制柜上或者觸摸屏的啟停按鈕進行控制。

5）輸入輸出I/O信號監控系統：通過信號監視可以監控系統的運行情況，拋光打磨各功能狀態，機器人和電機的運行速率等，使整個生產過程處于控制中。

圖6 工作站程序流程圖

工業機器人控制程序的設計采用ABB工業機器人的RAPID編程設計，整個系統設計包括主程序設計和子程序設計，子程序設計包括初始化、調取供貨臺設置、中斷程序、1號工件執行程序、2號工件執行程序等功能模塊，主程序設計通過設置機器人安全位置點，邏輯順序判斷，子程序調用等實現拋光打磨功能和運動軌跡，機器人拋光打磨主程序如下所示：

3.2 工作站控制系統的運行

拋光打磨工作站的對象和設備如圖7、圖8所示，以衛浴龍頭為加工對象，以2×8形式分別放置在兩個料盤中，整個工作站除料盤外需安裝在圍欄之中，設置光幕、急停按鈕進行安全防護。該系統在自動運行時，工業機器人通過氣動抓手快速抓取衛浴龍頭進行拋光打磨，工作效率是人工的3倍，整個拋光打磨過程機器人工作迅速，運行穩定，滿足生產的要求。

圖7 拋光打磨工件對象

圖8 拋光打磨機器人工作站

4 結束語

本系統以ABB工業機器人IRC5和DVP28SV11T PLC為控制核心，采用Devicenet總線通信，結合觸摸屏技術、變頻器技術設計了拋光打磨工業機器人的控制系統，該系統工作站整能自動完成工件準備、機器人取料、拋光打磨、下料等功能。實際應用證明，整體運行良好，工作速度穩定，工作速率快，具有廣闊的應用前景。