基于PLC和工業(yè)機(jī)器人的物料輸送智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

賴(lài)劉生

(廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925)

0 引言

隨著“中國(guó)制造2025”的提出，工業(yè)機(jī)器人因其空間姿態(tài)靈活、可重復(fù)編程、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，在噴涂、焊接、拋光磨削等高強(qiáng)度行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。在這些行業(yè)中，工廠(chǎng)對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的穩(wěn)定性、高效與易操作等提出了較高要求，但國(guó)內(nèi)制造業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)仍存在一些不足，比如輸送系統(tǒng)自動(dòng)化集成度不高、抗干擾性弱等[2]。

考慮PLC的穩(wěn)定、靈活、抗干擾等特點(diǎn)[3-5]，將PLC與工業(yè)機(jī)器人集成于物料運(yùn)輸系統(tǒng)。不同設(shè)備間可通過(guò)I/O、以太網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息交互，在涉及少量信號(hào)交互下，選用I/O控制技術(shù)可節(jié)省額外通信成本，實(shí)現(xiàn)高性?xún)r(jià)比[6]。本文以物料搬運(yùn)流水線(xiàn)為對(duì)象，對(duì)其上、下料工藝流程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一種基于匯川PLC與ABB工業(yè)機(jī)器人的物料輸送智能系統(tǒng)，通過(guò)觸摸屏與傳感檢測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易、高效的智能化運(yùn)作。

1 控制要求

物料輸送智能系統(tǒng)主要由物料傳動(dòng)系統(tǒng)、物料檢測(cè)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、ABB工業(yè)機(jī)器人等4部分組成。系統(tǒng)完成物料的輸送與搬運(yùn)過(guò)程，其主要流程為：①單機(jī)啟動(dòng)后，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)；②盤(pán)型供料口檢測(cè)有料后，物料被推送至傳送帶入料口；③皮帶啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，將物料送至傳送帶末端；④傳送帶末端檢測(cè)有料，皮帶停運(yùn)并等待機(jī)器人取料；⑤PLC向機(jī)器人發(fā)送到位信號(hào)，機(jī)器人依次對(duì)物料進(jìn)行堆垛。

2 硬件設(shè)計(jì)

物料輸送鏈系統(tǒng)硬件主要包括PLC、機(jī)器人、觸摸屏、皮帶電機(jī)、電磁閥線(xiàn)圈與傳感器等，其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，以PLC和工業(yè)機(jī)器人為核心，采用觸摸屏與傳感檢測(cè)技術(shù)，完成輸入信號(hào)的采集，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)取料與下料。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

物料輸送系統(tǒng)硬件選型如下：

(1) PLC控制器：采用匯川H2U-3624MR，系統(tǒng)中PLC輸入連接的端口為21個(gè)，輸出連接的端口為23個(gè)，輸入、輸出點(diǎn)數(shù)各為36個(gè)、24個(gè)，繼電器輸出，集成獨(dú)立通訊口，性能與使用方法同三菱FX2N系列PLC類(lèi)似，不過(guò)其性?xún)r(jià)比較高。

(2) 工業(yè)機(jī)器人：系統(tǒng)選用ABB公司的IRB120機(jī)器人本體、IRC5控制柜，其控制柜內(nèi)部集成DeviceNet總線(xiàn)，它的位置控制技術(shù)、虛擬仿真與在線(xiàn)編程等是機(jī)器人協(xié)同與重復(fù)作業(yè)的重要保證。

(3) 觸摸屏面板：采用昆侖通態(tài)TPC7062K 7寸觸摸屏，可與匯川H2U-3624MR PLC通訊連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)碼垛搬運(yùn)工藝狀態(tài)量的顯示與監(jiān)控。

(4) 皮帶交流電機(jī)：采用宇博公司的41K25GN-Y型25 W交流調(diào)速電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)傳送帶傳動(dòng)，輸出功率是25 W。

(5) 電磁閥組模塊：采用亞德客的二位五通電磁閥，型號(hào)為4V210-08、4V310-10或4V410-15，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙作用氣缸的控制。

(6) 傳感器檢測(cè)模塊：采用歐姆龍光纖傳感器、光電傳感器，型號(hào)分別是E3X-NA11、E3Z-D61，光纖傳感器用于檢測(cè)供料口的物料，光電傳感器則用于檢測(cè)傳送帶出料口的到位情況。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC程序設(shè)計(jì)、工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)，以匯川PLC程序?yàn)榭刂坪诵模珹BB機(jī)器人程序與觸摸屏配合完成整個(gè)控制流程。

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

按系統(tǒng)控制的工藝流程，由匯川PLC編程軟件AutoShop完成編程。當(dāng)物料被放至供料口后，經(jīng)電磁閥控制與電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將物料輸送至皮帶末端；當(dāng)傳感器檢測(cè)到物料到達(dá)皮帶末端后，傳送帶停運(yùn)，并發(fā)送給機(jī)器人到位信號(hào)；當(dāng)機(jī)器人收到物料的到位信號(hào)后進(jìn)行取料動(dòng)作。為了防止物料大量堆積，整個(gè)輸送鏈的控制流程如圖2所示。

圖2 物料輸送鏈控制流程圖

3.2 工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)6個(gè)物料的搬運(yùn)，并按規(guī)定的位置順序放入指定的物料槽中。

3.2.1 物料放置與堆垛要求

為了使物料穩(wěn)固地放置于料槽中，物料之間需按一定的規(guī)律擺放，如圖3所示。圖3中的數(shù)字表示物料的擺放順序，虛線(xiàn)框與實(shí)線(xiàn)框邊框分別代表物料、落料槽，每個(gè)物料需放入實(shí)線(xiàn)框料槽中，且行、列距均保持80 mm。

圖3 物料擺放平面示意圖

3.2.2 機(jī)器人程序分析

機(jī)器人手爪等待位置在取料點(diǎn)的正上方0.3 m處，當(dāng)機(jī)器人收到物料到位信號(hào)，且物料數(shù)目N、行間距M小于設(shè)定值時(shí)，機(jī)器人開(kāi)始執(zhí)行搬運(yùn)程序，即抓取物料，搬送至物料槽，返回至等待點(diǎn)。此時(shí)，物料數(shù)目加1，行間距變量加80。另外，當(dāng)行間距變量大于80×2時(shí)，開(kāi)始第2行的物料搬運(yùn)。在完成所有物料的搬運(yùn)后，機(jī)器人發(fā)送完成信號(hào)，等待物料的移走。物料放置數(shù)目與行間距變量清零，重新下一階段搬運(yùn)過(guò)程，具體流程如圖4所示。

圖4 機(jī)器人物料搬運(yùn)流程圖

3.2.3 機(jī)器人程序編制

機(jī)器人程序由主程序和子程序兩大部分組成。主程序用于把控整體物料的搬運(yùn)過(guò)程，初始化后主程序一直被循環(huán)執(zhí)行。子程序包括初始化變量子程序、移至等待處子程序、取料子程序。初始化變量子程序是將行間距M、物料數(shù)目N變量賦0；移至等待處子程序是方便等待后續(xù)物料的到來(lái)；在調(diào)試取料子程序時(shí)，僅需示教第1個(gè)物料，其余可依據(jù)變量偏移所得。

3.3 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏界面主要依據(jù)PLC程序設(shè)計(jì)，界面如圖5所示。首先按啟動(dòng)按鈕，再按自動(dòng)運(yùn)行按鈕，物料輸送系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)；按下停止按鈕后，系統(tǒng)立即停止；按復(fù)位按鈕后，系統(tǒng)回初始位置。此外，可根據(jù)供料口與皮帶末端兩指示燈的變化判定物料是否到位。

圖5 物料輸送人機(jī)界面

4 系統(tǒng)的整體調(diào)試

(1) 編寫(xiě)完P(guān)LC程序后，對(duì)程序調(diào)試并編譯，將編譯無(wú)誤的程序下載到PLC中，然后下載至觸摸屏，進(jìn)行物料輸送調(diào)試。

(2) 編寫(xiě)完機(jī)器人程序后，先手動(dòng)單步調(diào)試物料搬運(yùn)過(guò)程。在確認(rèn)調(diào)試無(wú)誤后，再進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。

(3) 在上述調(diào)試過(guò)程正常情況下，可開(kāi)啟氣源，進(jìn)行PLC與機(jī)器人的聯(lián)機(jī)調(diào)試。在調(diào)試過(guò)程中，應(yīng)避免干涉等現(xiàn)象，如遇突發(fā)情況，應(yīng)立即按下急停按鈕。

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，硬件設(shè)備與軟件程序均可達(dá)到控制要求，系統(tǒng)調(diào)試成功。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以匯川H2U-3624MR PLC和ABB工業(yè)機(jī)器人IRB120為控制核心，結(jié)合觸摸屏與傳感檢測(cè)等技術(shù)，設(shè)計(jì)了物料輸送智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)物料的送料與下料等功能。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，運(yùn)行效率高，實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)易可行，具有廣闊的應(yīng)用前景。