探討工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中機(jī)器人及PLC的集成控制

葉親鋼

（東莞市德勤教育科技有限公司，廣東 東莞 523000）

PLC技術(shù)是一項(xiàng)具有較強(qiáng)適應(yīng)性、編程簡(jiǎn)單、可靠性高的工業(yè)控制技術(shù)，能夠與機(jī)械、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用前景十分廣闊。在現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域中，基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)線中，使得機(jī)電一體必然成為我國(guó)工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。因此，探究工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中機(jī)器人及PLC的集成控制，對(duì)推動(dòng)我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

PLC在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著重要角色，與工業(yè)機(jī)器人的融合一同成為了工業(yè)生產(chǎn)線的重要組成部分。工業(yè)機(jī)器人主要是一種在自動(dòng)化控制與重復(fù)編程的作用下，完成一系列指定操作的工業(yè)設(shè)備，將PLC控制技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，可有效改善系統(tǒng)操作性能、強(qiáng)化系統(tǒng)控制能力、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信功能。此外，工業(yè)生產(chǎn)線中的多個(gè)工業(yè)機(jī)器人，可通過PLC控制技術(shù)連接在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的集成控制，便形成了自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)線，極大地提高了完成生產(chǎn)任務(wù)的質(zhì)量與效率，加快機(jī)電一體化的發(fā)展進(jìn)程。

2 工業(yè)機(jī)器人集成控制系統(tǒng)中PLC的應(yīng)用

2.1 總體框架設(shè)計(jì)

工業(yè)生產(chǎn)線集成控制主要分為兩種，一種是設(shè)備的集成，另一種是信息的集成。其中，設(shè)備的集成是不同功能的設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)既獨(dú)立又關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體，可滿足工業(yè)不同生產(chǎn)需求；信息的集成是設(shè)備不同的功能模塊經(jīng)過資源規(guī)劃與配置，使得各模塊實(shí)現(xiàn)規(guī)范關(guān)聯(lián)，并根據(jù)設(shè)定的模式與策略完成一系列生產(chǎn)活動(dòng)。PLC與機(jī)器人是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要組成部分，機(jī)器人在PLC的控制下協(xié)同工作，完成復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù)。擬采用以太網(wǎng)作為工業(yè)機(jī)器人及PLC的通訊組網(wǎng)，將不支持以太網(wǎng)通訊的接口轉(zhuǎn)換成RJ45接口，并將冗雜交換機(jī)接入通訊回路中，有利于恢復(fù)系統(tǒng)工作狀態(tài)，提高集成控制系統(tǒng)的通訊可靠性與穩(wěn)定性。集成控制系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 集成控制系統(tǒng)總體框架圖

2.2 系統(tǒng)控制原理

對(duì)于應(yīng)用PLC控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)來說，集成控制的主要目的是完成生產(chǎn)線運(yùn)輸與貨物裝配。因此，工業(yè)機(jī)器人需要完成一系列復(fù)雜的生產(chǎn)線工作，如貨物搬運(yùn)、抓取、檢測(cè)等，利用適應(yīng)性、穩(wěn)定性強(qiáng)的PLC技術(shù)可有效提高系統(tǒng)整體性能。集成控制系統(tǒng)主要原理是：將PLC作為工業(yè)機(jī)器人的核心控制器，借助傳感器、操縱界面、油壓機(jī)完成相關(guān)工作指令的輸入，對(duì)控制面板各類指令的輸入進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，再在傳感器的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及工作狀態(tài)的有效控制。主要利用的是PLC對(duì)氣缸的驅(qū)動(dòng)功能，電磁閥在接受PLC傳輸?shù)闹噶詈?，通過吸合與釋放等運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人功能的控制。PLC傳遞或接收信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人動(dòng)作的控制，進(jìn)而完成工業(yè)生產(chǎn)的裝配與檢測(cè)。

2.3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 升降結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行機(jī)器人升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮垂直方向的承受能力以及作業(yè)需求，確保機(jī)器人定位精準(zhǔn)。升降結(jié)構(gòu)包括氣壓缸、活塞缸、活塞，活塞在活塞缸的作用下完成垂直方向運(yùn)動(dòng)，氣缸負(fù)責(zé)機(jī)器人手臂的驅(qū)動(dòng)作業(yè)，進(jìn)而完成對(duì)機(jī)器人整體裝配運(yùn)動(dòng)的控制。升降臂的運(yùn)動(dòng)需在絲桿帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，絲桿螺距為T=4mm，傳動(dòng)比N=1:80的減速器設(shè)置在電機(jī)中，以完成MAM相關(guān)指令。

2.3.2 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

機(jī)器人手臂包括氣缸、齒輪、活塞、傳感器等，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是機(jī)器人設(shè)計(jì)中不可或缺的設(shè)計(jì)，只有通過合理設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，才能保證機(jī)器人的正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括齒輪、齒條，齒條活塞會(huì)在PLC控制下產(chǎn)生一定的力，并作用于齒輪，使得力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩，并在軸的帶動(dòng)下，作用與機(jī)器人手臂上，使得機(jī)器人完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)編碼器是控制電機(jī)精度的主要設(shè)備，通常采用200線、分辨率為0.18°的編碼器用于電機(jī)中，其脈沖當(dāng)量為0.045°。

2.3.3 傳感裝置

傳感裝置接收數(shù)據(jù)的種類與數(shù)量非常廣泛，主要分為動(dòng)力傳感器、視覺傳感器、激光傳感器等，將其應(yīng)用于機(jī)器人及PLC集成控制中，可對(duì)工業(yè)生產(chǎn)信息進(jìn)行有效采集，進(jìn)而提升工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化定位、跟蹤、生產(chǎn)等功能，有利于設(shè)備作業(yè)能力與適應(yīng)環(huán)境能力的提高。

2.3.4 手抓結(jié)構(gòu)

手抓結(jié)構(gòu)是保證機(jī)器人完成相關(guān)作業(yè)的重要結(jié)構(gòu)，也是設(shè)計(jì)的重要組成部分。機(jī)器人手臂在換向閥的作用下完成抓取或松開動(dòng)作，空氣經(jīng)過過濾器、減壓閥、單向閥后，會(huì)進(jìn)入到空氣儲(chǔ)存罐中，并在換向閥中的氣缸作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)重物的抓緊與松開。在實(shí)際作業(yè)過程中，通電后的轉(zhuǎn)向閥會(huì)將氣體壓縮到左缸中，并帶動(dòng)活塞做執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作指令，并帶動(dòng)齒輪，實(shí)現(xiàn)節(jié)氣人手臂對(duì)工件的抓取。

2.4 PLC集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的機(jī)器人以及PLC集成控制中常用的有ABB型機(jī)器人，通常會(huì)分為兩級(jí)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，第一級(jí)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，第二級(jí)負(fù)責(zé)工廠現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)，其豐富的通信機(jī)制會(huì)使用人員執(zhí)行相關(guān)作業(yè)提供極大的便利，并可以輕松完成各機(jī)器人設(shè)備間的通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的同步控制，提高工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線的作業(yè)精度，提升工廠生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

2.4.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)主要包括PLC的主控單元、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人、輸送單元、立體倉(cāng)庫(kù)單元等。其中，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包括主體、示教器、控制器、執(zhí)行器等；PLC控制系統(tǒng)主要用于讀取系統(tǒng)中的信息，并發(fā)出或接受信息，用于形成控制各執(zhí)行模塊的指令；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于裝配在生產(chǎn)線中，能夠讀取4厘米以內(nèi)的工件信息；輸送單元分為環(huán)形與直線兩種形式，兩種形式的輸送單元分別負(fù)責(zé)交流與直流調(diào)速系統(tǒng)；立體倉(cāng)庫(kù)單元共分為9個(gè)倉(cāng)位，由鋁質(zhì)材料制成，會(huì)根據(jù)組件信息調(diào)配倉(cāng)庫(kù)位置。工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中機(jī)器人及PLC集成控制的最大優(yōu)勢(shì)是，手動(dòng)操作與連續(xù)性操作可同時(shí)進(jìn)行，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入與輸出點(diǎn)的工作目標(biāo)，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行控制，系統(tǒng)中的傳感器能夠追蹤位置檢測(cè)信號(hào)，提升機(jī)器人手臂定位的精準(zhǔn)性。

2.4.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合生產(chǎn)線工序，對(duì)PLC集成控制進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)流水線工作流程的控制。

在進(jìn)行流程設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器會(huì)根據(jù)PLC下達(dá)的指令執(zhí)行相應(yīng)的裝配任務(wù)，工件庫(kù)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)軟件時(shí)序按照順序?qū)⒐ぜ葡騻魉蛶ВM(jìn)而為下一步工序做好鋪墊。系統(tǒng)中的RFID檢測(cè)環(huán)節(jié)會(huì)核對(duì)工件信息，符合標(biāo)準(zhǔn)的工件會(huì)被輸送到指定位置，并進(jìn)行下一步工序，不合格的工件會(huì)按照操作指令傳回到原來位置或是進(jìn)入到廢料筐中。機(jī)器人會(huì)接收到來自倉(cāng)料庫(kù)中的位置信息，進(jìn)而判定工件應(yīng)放置的位置，此時(shí)，倉(cāng)料庫(kù)的占位信息會(huì)發(fā)生改變，并傳輸給另一個(gè)機(jī)器人，進(jìn)而完成一整套生產(chǎn)線流程。在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，PLC會(huì)通過控制機(jī)器人的模塊功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線的智能化。主要控制程序?yàn)椋洪_啟電源 自動(dòng)上料 傳感器檢測(cè) 機(jī)械手作業(yè) 油壓作業(yè) 機(jī)械手作業(yè) 自動(dòng)下料 機(jī)械手作業(yè) 指令結(jié)束。集成通訊方案主要規(guī)格參數(shù)如表1。

表1 集成通訊方案主要規(guī)格參數(shù)

3 結(jié)語

綜上所述，PLC技術(shù)具有許多突出的優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，可有效提高工業(yè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。在使用PLC控制的工業(yè)機(jī)器人時(shí)，要明確工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的功能與作用，并結(jié)合生產(chǎn)線工序?qū)ζ湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)以及PLC集成控制系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以此提高作業(yè)精度與效率，推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化、現(xiàn)代化、數(shù)字化發(fā)展進(jìn)程。