基于PLC與工業機器人的自動生產線智能包裝系統設計*

孟靜靜 郝 睿 王惠卿 張 洋

(長春汽車工業高等專科學校電氣工程學院,吉林 長春130011)

工業機器人自動化生產線成套設備已成為自動化裝備的主流及未來的發展方向，在國內外許多領域都得到廣泛的應用[1-2]。

2014-2019年5年時間里，全球機器人安裝量增加近85%。2020年，新冠疫情席卷全球，世界經濟形勢陷入低迷。中國由于控制疫情較為得當，率先擺脫困境，成為全球唯一正增長的主要經濟體，工業機器人產量增速也由負轉正，保持著上漲勢頭。2020年中國工業機器人產量為23.7萬套，累計增長19.1%。我國是全球第一大工業機器人應用市場。隨著生產制造智能化改造升級，工業機器人市場將持續旺盛。我國工業機器市場規模達巨大，從“中國制造”走向“中國智造”[3]。機器人技術發展勢不可擋、大勢所趨，已被列入“中國制造2025”十大重點領域的第二位[4]。工業機器人體積龐大，運動軌跡范圍較大，調試起來較為復雜，因此在應用工業機器人的前期通常借助于機器人專業仿真軟件。在軟件環境中模擬生產線運行過程，并進行調試，可有效降低生產成本、安全風險等[5]。ABB工業機器人是由瑞典ABB公司生產，同時他們還開發了 RobotStudio計算機仿真軟件，該軟件功能巨大，可以在線仿真編程示教功能，還有CAD 模型導入、動態仿真和碰撞檢測等功能。軟件中的參數跟環境跟真實機器人都相同，以及仿真示教器、控制器以及IO信號模塊以及指令都同真實機器人一樣。因此，可以在仿真軟件中編寫以及調試程序，就可以模擬真實環境，將程序調試好后導入到真實工業機器人中只需要校正真實環境中的軌跡點就可以正常應用。

1 智能包裝系統設計

智能包裝自動化生產線中由上料單元、加蓋擰緊單元、智能分揀單元、工業機器人搬運單元和智能倉儲單元5個工作單元組成，實現空瓶上料、顆粒物料上料、物料分揀、顆粒填裝、加蓋、擰蓋、物料檢測、瓶蓋檢測、產品分揀、機器人搬運合格產品入盒、盒蓋包裝、貼標及入庫等自動生產全過程。本文針對工業機器人搬運單元研究機器人工作布局、運動軌跡、離線編程實現控制要求，完成盒蓋包裝以及貼簽工作。本系統采用ABB IRB120機器人，ABB推出一款迄今最小的多用途工業機器人，緊湊、敏捷、輕量的六軸IRB 120，僅重25 kg，荷重3 kg，工作范圍達580 mm。緊湊的機型結合輕量化使IRB120具有卓越的經濟性與可靠性，具有低投資、高產出的優勢。本系統通過機器人與PLC之間的連接實現智能控制過程，并通過人機界面MCGS實現觸摸屏上位機監視與控制。

1.1 系統總體設計

根據智能包裝自動生產線控制要求，結合ABB工業機器人在現實生產制造中的應用，前序分揀單元完成后合格的瓶裝物料放入待包裝區，工業機器人搬運單元有兩個升降臺機構存儲包裝盒和包裝盒蓋；升降臺A將包裝盒推向物料臺上；6軸機器人將物料瓶抓取放入物料臺上的包裝盒內；包裝盒4個工位放滿物料瓶，如圖1所示。

物料放滿之后6軸機器人從升降臺B上吸取盒蓋，蓋在包裝盒上；6軸機器人根據瓶蓋的顏色對盒蓋上標簽位進行分別貼標，貼完4個標簽后通知智能倉儲單元入庫。貼標簽如圖2所示。

1.2 系統設計流程

(1)系統設計流程圖如圖3所示。

通過PLC編程實現總體編程，PLC與機器人進行數據通信，配置好IO點，關聯PLC與機器人的輸入輸出點。最終實現整體系統設計。

(2)工業機器人搬運單元底盒升降機構的推料氣缸將物料底盒推出到包裝工作臺上，同時定位氣缸伸出，物料臺檢測傳感器動作，該單元上的機器人開始自動執行瓶子搬運功能，其運行軌跡如圖4。

(3)當盒子中裝滿4個瓶子后，機器人開始自動執行盒蓋搬運功能，其運行軌跡如圖5。

(4)機器人蓋好盒蓋后，開始自動執行標簽搬運功能，標簽的粘貼與物料裝到盒子中盒蓋的顏色對應。其運行軌跡如圖6。

2 系統設計

系統控制器使用三菱FX2N系列PLC進行編程。在PLC中軟件編程實現推料氣缸動作及檢測，步進驅動器實現升降臺A、升降臺B的動作運行，檢測伺服驅動器的脈沖數，對升降臺的升降位置進行精確定位。通過機器人仿真軟件RobotStudio在工作站中編輯機器人程序，機器人完成瓶的搬運、蓋瓶蓋以及貼標簽的動作。RobotStudio 自帶機器人庫、模型庫等模型，可根據要求選用相應型號的機器人并直接加載到工作站中[6]。實現工作站的運行動態效果，在軟件中建立機器人工作站，創建好工具坐標工件坐標以及有限載荷等參數。真實的工作環境中以 PLC 作為中央控制系統，將PLC 與機器人等設備 I/O 板進行連接，接收現場傳感器和工業機器人等發送來的信號[7]。在機器人工作站中配置機器人IO信號板，信號板選擇DSQC652板，配置端子DeviceNet 中Address地址為10。Singal信號中添加機器人的IO信號，定義使用的IO信號[8]。表1為機器人需要配置的系統IO。機器人與PLC之間的IO信號通信，直接點對點連接完成。其中表2為兩者之間的信號關系。

表1 機器人系統IO

表2 機器人與PLC信號對應表

3 機器人工作站軟件系統編程

3.1 PLC編程實現升降臺A、B動作要求

驅動部分使用步進驅動器，連接PLC的I/O信號，在PLC中編程完成脈沖設置。設置步進驅動器的撥碼為01110111，設置步進驅動器的鎖機電流大小為1.04 A，設置細分表為400，主要用于位移脈沖控制。在PLC中通過尋找原點，絕對位移以及相對位移完成升降臺的運動距離，經現場多次測定每一個物料盒上升的脈沖數為從原點位置往上運動脈沖為2 500，此數據根據多次測量所得的理想脈沖數。其中位移脈沖主要程序如圖7。

3.2 機器人離線編程

ABB工業機器人的程序包括系統模塊和用戶建立的模塊，在用戶模塊中創建模塊完成多個控制要求編，通過創建模塊構建機器人的程序[9]。工業生產中機器人很多的場合用于物品的搬運。主要包括水平搬運和水質搬運，本系統中的搬運屬于水平搬運范疇，機器人從物料臺中取出物料放入到指定的物料盒里，將物料盒裝滿后將物料盒蓋上盒蓋，之后對所放入的物料進行貼標簽動作，貼完所有標簽，一個動作流程完成。實現的搬運過程比較復雜。通過離線編程實現機器人運動軌跡動作要求，在RobotStudio軟件軟中創建機器人工作站，并創建系統，在編程模塊通過使用偏移指令完成物料移動的動作，完成機器人將物料放入物料盒，并貼入標簽的動作。并在實際工作中校驗機器人點位即可實現上述搬運過程控制。圖8為搬運瓶動作的流程圖。

3.3 上位機觸摸屏實現

本系統采用了MCGS觸摸屏實現了上位監控功能，在觸摸屏畫面監控到機器人工作站各個位置到位信號。

整個系統分別設計了上料工作站、加蓋擰緊工作站、智能分揀工作站、工業機器人搬運工作站、智能倉儲工作站，根據生產的實際情況實現整個系統全部自動化運行，將所有的工作站建立通信連接，采用RS485進行通信。

物料在多個工作站之間完成不同的工序，通過各個工作站之間的通信完成信號互通，在上料工作站中將物料裝入瓶中完成裝瓶工作，裝好瓶后將信號發送到加蓋擰緊工作站，可以進行加蓋擰緊工作，擰緊完成信號通知智能分揀工作站可以進行分揀工作，分揀完成后合格的物料可以包裝，通知機器人工作站，在機器人工作站完成瓶裝入包裝盒、蓋包裝盒蓋、貼標簽工序，標簽貼完后推到物料臺以備倉儲，通知智能倉儲工作站進行智能碼垛完成最終倉儲工作。通過工作站之間互聯完成互聯互通，整個系統完成全自動運行。

4 結語

本系統采用可編程邏輯控制器與工業機器人相結合的方式，完成工作站之間的通信，利用PLC與機器人等外圍設備的I/O板進行連接，接受各個工作站發送來的信號，執行相應的操作。在RobotStudio中通過離線編程完成機器人站的機器人運動軌跡編程實現整體自動生產線的規劃。根據ABB-IRB120工業機器人在工業制造中的應用設計自動生產智能包裝系統的建模，并建立相應的控制系統和I/O信號，同時可以通過軟件的仿真功能實現現場調試工作。并通過觸摸屏實現上位監控功能。