工業機器人實訓平臺控制系統設計與實現*

劉媛媛，李 亮

(山西職業技術學院，山西 太原 030006)

0 引言

近年來，以制造業為主的工業生產朝著智能化方向飛速發展。企業普及應用智能制造裝備能夠提高勞動生產率，穩定和提高產品質量，降低生產成本，縮短生產周期，保證生產的均衡性，顯著提高經濟效益。典型的智能制造環節通常包括多道自動化作業工序，需要用到的裝備有工業機器人、數控機床、原料倉以及輸送機構等等。相應地，企業對以工業機器人為代表的智能制造裝備維護人才的需求也在不斷地增加[1-3]。2019年全國院校開始實施“學歷證書+若干職業技能等級證書”制度(簡稱“1+X”證書制度)，針對智能制造裝備中的工業機器人，目前有三種技能等級證書，眾多院校也紛紛開設相關課程和進行技能培訓?；谌N證書中的工業機器人操作與運維職業技能等級證書，提出了一種面向教學的工業機器人操作與運維實訓平臺[4]，本文對該實訓平臺的控制系統進行設計，并加以實現。

1 工業機器人操作與運維實訓平臺

工業機器人操作與運維實訓平臺(以下簡稱“實訓平臺”)集工業機器人、帶式輸送機、原料庫、成品庫等設備裝置于一體，如圖1所示。實訓平臺硬件部分集成等內容可詳見文獻[5]，本文主要論述該實訓平臺控制系統的設計與實現。

圖1 工業機器人操作與運維實訓平臺全貌

2 實訓平臺控制系統設計

實訓平臺控制系統涉及到的設備裝置有工業機器人和PLC(Programmable Logic Controller的簡稱，即可編程邏輯控制器)等。其中，工業機器人主要用于原料庫工件的自動分揀、碼垛和搬運等任務，在工業生產搬運和碼垛作業中發揮著重要的作用，擔任著提高生產效率、降低成本和解放勞動力的重要角色；PLC為自動化裝備控制系統的核心部件[6-8]，采用西門子SIMATIC S7-1200 PLC。

2.1 設計思路

PLC作為實訓平臺控制系統的主控制模塊，主要完成以下任務：

(1) 控制3自由度機器人的運動。機器人末端執行器TCP(Tool Center Point的簡稱，即工具中心點)在笛卡爾直角坐標系中某點的定位由對應的接近開關檢測信號并傳輸回PLC輸入端，PLC的輸出端則輸出控制信號到3自由度機器人的軸電機控制端，控制相關電機的啟停，實現末端執行器TCP到達該點位置。

(2) 控制帶式輸送機的運動。構建一條小型帶式輸送機用于模擬企業實際生產中的自動化生產線，該生產線自動啟動或停止動作同樣由PLC控制實現。啟動和停止的輸入信號分別由位于帶式輸送機上合適位置的光電傳感器采集并傳輸到PLC。

(3) 其他設備部件的控制。如3自由度機器人末端執行器吸盤工作狀態(吸或放工件)的實現由PLC控制電磁換向閥動作來實現。

工業機器人完成工件的搬運、碼垛等任務，其控制程序在示教器上進行編寫，程序中涉及到與PLC進行信號交互。

觸摸屏作為上位機操作面板模塊，主要完成平臺功能操作、相關數據顯示等任務，如總控操作(實訓平臺啟動、暫停和停止)、流程顯示、故障顯示等。

2.2 工作流程

實訓平臺控制系統工作流程如圖2所示。PLC程序判斷原料庫有無工件，沒有則手動放若干工件于原料庫，使流程繼續。圖2中虛線部分根據實際任務要求表示工業機器人可選擇先碼垛再搬運工序或者直接進行搬運工序。根據實際任務要求，PLC程序判斷流程是否應該結束，若仍有工件待“加工”，則繼續用循環程序實現相應流程。

圖2 實訓平臺控制系統工作流程

2.3 程序設計

在實訓平臺整體硬件都搭建完畢后，即可進行控制系統程序設計。本實訓平臺控制系統程序包括PLC程序、工業機器人程序和上位機程序三部分內容。

2.3.1 PLC程序設計

應用博途軟件實現對PLC程序設計、編寫及調試等，實現3自由度機器人X、Y和Z三個方向的正負運動的啟停、計數和報警等功能，原料庫工件有無的判斷、流水線的啟停以及庫位通訊等功能。其中X軸驅動電機的核心控制語句如圖3所示。

圖3 X軸驅動電機核心控制語句

2.3.2 工業機器人程序設計

工業機器人程序采用模塊化設計思維編寫，既能提高編寫效率，又便于程序的檢查。實訓平臺兼容市面上大多數廠家的工業機器人，以廣數GSK08型工業機器人為例，程序分為初始化、取工件、放工件、碼垛等各子程序，在主程序中根據實際任務要求調用相應的子程序即可。部分機器人關鍵程序語句如下：

……

WAIT IN08,ON,T0; #等待PLC輸入信號，收到后執行下面指令

MOVJ P1,V20,Z0;

MOVL P2,V100,Z0;

DOUT OT10,ON; #吸取工件

MOVL P1,V100,Z0;

MOVL P3,V100,Z0;

MOVL P4,V100,Z0;

DOUT OT10,OFF; #放下工件

DOUT OT09,ON; #向PLC發送工件完成放下指令

……

2.3.3 上位機程序設計

上位機程序設計的流行趨勢是圖形化編程。本實訓平臺上位機程序設計步驟如下：

(1) 任務分析、確定變量等參數。

(2) 各界面的圖形繪制。

(3) 關聯對應的PLC變量等參數。

(4) 整體調試。

本實訓平臺上位機圖形界面如圖4所示。

圖4 實訓平臺上位機圖形界面

3 結語

本文較為詳細地論述了面向教學的工業機器人操作與運維技能實訓平臺的控制系統設計與實現過程。經過實際檢驗，該實訓平臺能夠有效促進工業機器人相關實踐教學的開展，幫助學生掌握綜合知識和技能，提高學生自身專業素養。