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

摘要：當(dāng)前工業(yè)技術(shù)的不斷更新迭代，促使工業(yè)生產(chǎn)也更加趨向自動(dòng)化的發(fā)展模式，目前在國(guó)內(nèi)很多生產(chǎn)型企業(yè)為了提升生產(chǎn)效率保障生產(chǎn)質(zhì)量，引入了自動(dòng)生產(chǎn)線，通過(guò)機(jī)器人設(shè)備來(lái)提升生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和效率。而PLC集成控制技術(shù)的應(yīng)用，將其與機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用結(jié)合在一起，不僅能夠更高地提升機(jī)器人生產(chǎn)的效率和質(zhì)量而且能夠更好地提升工業(yè)自動(dòng)化的水平。本文針對(duì)PLC的集成控制以及工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中機(jī)器人的應(yīng)用進(jìn)行闡述，就其發(fā)展趨勢(shì)以及系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而更加有效地對(duì)工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程中機(jī)器人的應(yīng)用水平的提升。

關(guān)鍵詞：工業(yè)自動(dòng)化;生產(chǎn)線;PLC;集成控制

引言：

PLC技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的靈活性并且能夠適應(yīng)很多應(yīng)用場(chǎng)景。具體應(yīng)用過(guò)程中編程相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠有效提升工業(yè)控制技術(shù)應(yīng)用的可靠性。而且在具體應(yīng)用過(guò)程中可以和機(jī)械、網(wǎng)絡(luò)等不同應(yīng)用領(lǐng)域相互結(jié)合，展現(xiàn)出極大的適用性。而在現(xiàn)代化的工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域，PLC控制技術(shù)的應(yīng)用更多地出現(xiàn)在工業(yè)化的生產(chǎn)過(guò)程中，為機(jī)電一體化、智能化以及自動(dòng)化的發(fā)展提供更大的助力。作為相關(guān)技術(shù)人員需要不斷地去探索工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中機(jī)器人以及PLC集成控制的技術(shù)應(yīng)用，能夠使目前的生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用變得更加多樣且提升應(yīng)用范圍，從而使其能夠更好地為我國(guó)的工業(yè)化發(fā)展提供技術(shù)支持。

一、以PLC集成控制為主的機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用

PLC在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著非常重要的作用，它充分地與工業(yè)機(jī)器人相互結(jié)合成為工業(yè)生產(chǎn)線上的一個(gè)重要構(gòu)成。工業(yè)機(jī)器人通過(guò)簡(jiǎn)單易操作的編程來(lái)達(dá)到重復(fù)的運(yùn)動(dòng)，從而能夠循環(huán)地完成一系列的操作。而結(jié)合了PLC控制技術(shù)的機(jī)器人和設(shè)備則能夠使其控制系統(tǒng)的應(yīng)用水平得到提升，更好地提升系統(tǒng)性能和整體的操控能力，并提升了網(wǎng)絡(luò)化的通信水平[1]。當(dāng)然，工業(yè)生產(chǎn)線上根據(jù)實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)需求會(huì)設(shè)置多個(gè)機(jī)器人的崗位，這些機(jī)器人通過(guò)軟件程序設(shè)置來(lái)完成特定的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線流水化作業(yè)。而利用PLC控制技術(shù)將這些機(jī)器人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，將單一的作業(yè)單元連接成為整體的、程序化的作業(yè)整體，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的集成化的管理控制目標(biāo)，如此一來(lái)也形成了一套自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)線流程，能夠有效地提升工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，對(duì)于后續(xù)實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的發(fā)展提供更多的助力。

二、關(guān)于PLC在機(jī)器人工業(yè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

（一）集成控制技術(shù)的設(shè)計(jì)理念

工業(yè)生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)集成化的控制主要是通過(guò)兩種方式，第一種是借助設(shè)備的集成化來(lái)實(shí)現(xiàn)集成控制，另外一種則是借助信息的集成化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。前一種模式是針對(duì)不同功能的設(shè)備借助網(wǎng)絡(luò)的方式來(lái)形成一個(gè)統(tǒng)一關(guān)聯(lián)且又獨(dú)立操作的生產(chǎn)線整體，它能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線上對(duì)于不同產(chǎn)品的加工需求。而信息集成化的設(shè)備則是利用不同的功能模塊經(jīng)過(guò)對(duì)操作的要求，依照特定流程進(jìn)行規(guī)劃和配置，讓設(shè)備中的各個(gè)模塊之間實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，并結(jié)合設(shè)定的模式以及相關(guān)策略來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)活動(dòng)[2]。PLC集成控制技術(shù)與機(jī)器人直接進(jìn)行聯(lián)動(dòng)配合是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的重要構(gòu)成部分。在PLC集成技術(shù)的作用下能夠更好地實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)協(xié)同工作，并能夠去完成更加復(fù)雜化的生產(chǎn)內(nèi)容。可以利用以太網(wǎng)作為工業(yè)機(jī)器人以及PLC的通訊過(guò)程中的組網(wǎng)，將原本設(shè)備中不能支持以太網(wǎng)進(jìn)行通訊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)換，使其轉(zhuǎn)化成RJ45接口，并在通訊的回路中加入交換機(jī)，這樣能夠更好地便于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高集成控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。關(guān)于集成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架可以參考圖1.

（二）PLC的應(yīng)用原理

從采用PLC集成控制技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)生產(chǎn)線上工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制其主要控制內(nèi)容包括生產(chǎn)線的運(yùn)輸以及對(duì)貨物的裝配。那么機(jī)器人在操作方面就必須采取一系列的復(fù)雜操作才能夠滿足生產(chǎn)線的作業(yè)要求，比如對(duì)貨物的搬運(yùn)、抓取、檢測(cè)等各項(xiàng)具體的工作。每一項(xiàng)動(dòng)作要求都會(huì)涉及很多的操作指令，而結(jié)合了PLC技術(shù)的應(yīng)用能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的集成化管控和操作，提升設(shè)備系統(tǒng)的整體性能。在這里集成控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用原理表現(xiàn)在：系統(tǒng)中將PLC作為工業(yè)生產(chǎn)線中的主要核心控制器，然后借助傳感器以及操控面板來(lái)進(jìn)行相關(guān)指令的傳輸和下達(dá)，結(jié)合實(shí)際需求對(duì)系統(tǒng)中的不同指令進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再結(jié)合傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的有效控制，確保設(shè)備的運(yùn)行符合預(yù)期。在這里主要是結(jié)合PLC對(duì)于氣缸的驅(qū)動(dòng)作用，設(shè)備中的電磁閥在接收到PLC所傳輸?shù)闹噶钪?，可以通過(guò)吸合與釋放氣缸的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)部件的控制[3]。而PLC在整個(gè)過(guò)程中則是通過(guò)接收和發(fā)出信號(hào)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，進(jìn)而達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)線的作業(yè)目標(biāo)。

（三）PLC的集成控制通信方案

PLC的硬件構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，主要有電源、輸入/輸出單元、中央處理器、存儲(chǔ)設(shè)備以及外部接口和擴(kuò)展口等幾個(gè)方面，具體的結(jié)構(gòu)構(gòu)成可見(jiàn)圖2.

在運(yùn)行過(guò)程中PLC系統(tǒng)在執(zhí)行程序的過(guò)程中是保持著不斷地循環(huán)掃描，每一個(gè)掃描周期就會(huì)被稱為一個(gè)工作周期。在這個(gè)周期內(nèi)分別又依照不同階段劃分為不同的內(nèi)容，包括內(nèi)部處理、通信處理、輸入掃描、執(zhí)行用戶程序以及輸出處理這個(gè)五個(gè)不同的階段，由此在系統(tǒng)執(zhí)行的過(guò)程中，生產(chǎn)線的流程會(huì)結(jié)合性地進(jìn)行推進(jìn)。

（四）生產(chǎn)線機(jī)器人的設(shè)計(jì)

1.升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)生產(chǎn)線機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，升降功能是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須充分考慮到垂直方向的支架的支撐力以及對(duì)應(yīng)的作業(yè)需求，確保機(jī)器人在工作過(guò)程中的定位精準(zhǔn)。一般情況下升降設(shè)備是由氣壓缸、活塞缸、活塞等構(gòu)件構(gòu)成的?；钊诨钊椎淖饔孟聛?lái)實(shí)現(xiàn)垂直方向的動(dòng)作，而氣缸則是驅(qū)動(dòng)這個(gè)機(jī)械臂的構(gòu)件，通過(guò)相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器臂對(duì)整體裝配運(yùn)動(dòng)的控制[4]。

2.機(jī)器人手臂

為了確保機(jī)器人手臂的靈活性會(huì)在設(shè)備上面設(shè)置氣缸、齒輪、活塞以及傳感器等構(gòu)件，以確保其能夠依照設(shè)計(jì)要求完成相應(yīng)的動(dòng)作。尤其是旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是機(jī)器人在設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，它能夠保障機(jī)器人處于一個(gè)正常運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)中。為了滿足設(shè)備旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的靈活度設(shè)計(jì)時(shí)采用了齒輪、齒條以及活塞等配件，以確保在PLC的控制下能夠更加靈活。旋轉(zhuǎn)編碼器是確保機(jī)械臂在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中精度控制時(shí)的重要裝備，通常會(huì)采用9000線以上的高分辨率的編碼器。

3.傳感器

為了能夠滿足不同的使用需求所以傳感器在設(shè)置過(guò)程中會(huì)選擇多種類型的接收方式，因此其所能接收的數(shù)據(jù)種類也因此變得更多。目前主要分為動(dòng)力傳感器、視覺(jué)傳感器以及激光傳感器等。結(jié)合了PLC集成控制系統(tǒng)，能夠更好地對(duì)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品信息進(jìn)行采集，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線在生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化定位、追蹤、生產(chǎn)信息查詢等功能，從而為設(shè)備在開(kāi)展作業(yè)以及不同類型的作業(yè)需求提供可能性。

4.手抓結(jié)構(gòu)

手抓結(jié)構(gòu)是確保整個(gè)生產(chǎn)線上機(jī)器人完成相關(guān)指令的重要構(gòu)成也是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。機(jī)械臂在兩位電磁閥的作用下來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取和松開(kāi)這兩個(gè)動(dòng)作。整個(gè)動(dòng)作的啟動(dòng)和完成都需要依靠壓縮空氣作為動(dòng)力源，然后在電磁閥對(duì)氣缸作用下來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓起和松開(kāi)。在整個(gè)過(guò)程中，接入電的電磁閥會(huì)將壓縮空氣壓縮到氣缸中，然后帶動(dòng)對(duì)應(yīng)的活塞來(lái)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，推動(dòng)齒輪來(lái)完成機(jī)械臂的手部抓取作業(yè)。

（五）PLC

在目前開(kāi)展的自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)線中結(jié)合了PLC集成控制系統(tǒng)的機(jī)器人多為ABB、Kuka、Fanuc、安川等主流機(jī)型。在對(duì)機(jī)器人的操作進(jìn)行控制時(shí)一般會(huì)分成兩個(gè)層級(jí)，第一級(jí)主要是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的相關(guān)工作內(nèi)容。而第二級(jí)則是負(fù)責(zé)工廠現(xiàn)場(chǎng)總線的通信技術(shù)需求。兩級(jí)通信技術(shù)的應(yīng)用能夠讓我們?cè)谏a(chǎn)作業(yè)線的控制變得更加靈活且便利?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人設(shè)備之間的通信，繼而完成對(duì)機(jī)器人設(shè)備的同步控制從而進(jìn)一步提升整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)線上機(jī)器人的作業(yè)精準(zhǔn)度。為提升生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)質(zhì)量提供基礎(chǔ)。

1.在PLC集成控制下的機(jī)器人應(yīng)用

結(jié)合了PLC集成控制的機(jī)器人系統(tǒng)主要設(shè)置了PLC主控單元、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及和機(jī)器人相對(duì)應(yīng)的輸送單元和立體倉(cāng)庫(kù)單元等內(nèi)容[5]。PLC控制系統(tǒng)的作用就是來(lái)讀取控制系統(tǒng)中的對(duì)應(yīng)信息，然后向下或向上發(fā)出信息用于發(fā)送或是接收，從而形成能夠控制各個(gè)執(zhí)行模塊的指令;裝配在生產(chǎn)線中的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以讀取近4cm的工件信息;此時(shí)輸送信道則被分為環(huán)形或是直線型兩種，分別輸送交流和直流調(diào)速系統(tǒng);立體倉(cāng)庫(kù)被劃分為9個(gè)倉(cāng)位，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)結(jié)合對(duì)應(yīng)的組件信息來(lái)調(diào)配倉(cāng)庫(kù)的具體位置。在PLC集成控制下的工程生產(chǎn)線上的機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)的最大目標(biāo)就是將手動(dòng)操作與連續(xù)性操作結(jié)合在一起。通過(guò)軟硬件的提升，實(shí)現(xiàn)了輸出與輸入目標(biāo)的一致性，繼而能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行更優(yōu)化的控制。同時(shí)利用傳感器來(lái)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位追蹤，以提升機(jī)器人手臂作業(yè)的精準(zhǔn)性。

2.軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要結(jié)合生產(chǎn)線需求，對(duì)PLC集成控制進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，從而能夠滿足整個(gè)生產(chǎn)線的流程化作業(yè)。

在進(jìn)行整體流程設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器會(huì)接收到PLC所發(fā)送的指令，這時(shí)工件庫(kù)會(huì)結(jié)合指令要求向傳送帶依照順序推送配件，為后續(xù)的工作做準(zhǔn)備。系統(tǒng)中的RFID檢測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)工件信息進(jìn)行核對(duì)，符合設(shè)定要求的工件會(huì)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的位置并進(jìn)行下一步的工序操作。而不符合的工件則會(huì)依照指令傳回到相應(yīng)的位置。此時(shí)倉(cāng)庫(kù)料的占位信息會(huì)隨著工件的改變而改變并將相關(guān)信息傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)機(jī)器人，另外一個(gè)機(jī)器人會(huì)結(jié)合工序流程開(kāi)展對(duì)應(yīng)的作業(yè)，從而逐步形成一套完整的生產(chǎn)線流程。在程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，PLC會(huì)直接對(duì)機(jī)器人的模塊功能進(jìn)行控制，來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)器人生產(chǎn)線的控制，使控制系統(tǒng)變得更加的智能化[6]。關(guān)于集成化控制生產(chǎn)線上機(jī)器人的通信設(shè)計(jì)規(guī)格主要可參考下表1.

結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合上文所闡述的相關(guān)內(nèi)容我們可以看出，PLC技術(shù)在具體應(yīng)用過(guò)程中能夠使原本工業(yè)流水線上的機(jī)器人設(shè)備在控制方面變得更加集成化、自動(dòng)化以及智能化。有效地提升了生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。在使用PLC控制工業(yè)生產(chǎn)線上的機(jī)器人時(shí)，要明確機(jī)器人自身的功能和可操作的范圍，從而能夠結(jié)合生產(chǎn)線的工序以及自身結(jié)構(gòu)和PLC集成控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)其進(jìn)行合理化的設(shè)計(jì)，從而讓整個(gè)生產(chǎn)線的作業(yè)效率和精度變得更加優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化、現(xiàn)代化以及工業(yè)發(fā)展數(shù)字化的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

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簡(jiǎn)介：劉新海 南京大地水刀股份有限公司 男，1975年10月，鹽城市人 現(xiàn)為中級(jí)工程師，研究方向?yàn)椋簷C(jī)械工程自動(dòng)化