PLC控制的工業機器人組裝系統分析

楊婧文，鐘 毅

（1.南京交通職業技術學院，江蘇 南京 211188；2.揚州創繼數控機床有限公司，江蘇 揚州 211402）

1 研究背景及意義

隨著中國汽車工業的迅猛發展，機器人在先進汽車制造中的重要性也越來越凸顯。裝配機器人是柔性自動化裝配系統的核心設備，由機器人操作機、控制器、末端執行器和傳感系統組成。其中，控制器一般采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）實現運動控制和運動編程；末端執行器為適應不同的裝配對象而設計成各種手爪和手腕等；傳感系統用來獲取裝配機器人與環境和裝配對象之間相互作用的信息。

在國內外各大汽車公司裝配生產線上被廣泛采用的裝配機器人，一方面使汽車裝配自動化水平大大提高，另一方面也減輕了工人的勞動強度，提高了裝配質量，并明顯地提高了生產率。近些年來機器人的觸覺和視覺系統已不斷完善，在汽車整車或零部件裝配過程中，機器人在裝配復雜零件上的精度速度已經遠超人工的速度。因此，用機器人來實現組裝系統的自動化是現代工業化生產的必要趨勢。

2 工業機器人組裝系統分析設計

2.1 組裝系統介紹

本設計中的PLC控制的工業機器人組裝系統主要由運輸流水線，裝配流水線，工業機器人和組裝工件四大部分組成，其中運輸流水線，裝配流水線如圖1、圖2所示。由PLC控制的運輸流水線作用主要是將工件運送到工業機器人的抓取位，在工件到達之后升起擋板防止發生碰撞。裝配流水線的作用是將工件夾緊二次定位便于機器人的程序示教和程序編寫。

本設計需要機器人組裝的電機模型如圖3所示。其工件尺寸如表1所示。

2.2 機器人的選型

工業機器人的選用有用途、自由度、負載、最大運動范圍、速度、重復定位精度六個主要參照標準，確定好應用范圍就可根據機器人的參數確定需要的型號。本設計需要機器人組裝的是一套電機模型。工業機器人的任務是搬運和組裝，對機器人的自由度、最大運動范圍、重復定位精度要求較高。所以選用機器人為匯博HR20-1700-C10機器人，如圖4所示，最大負載為20 kg，最大展開半徑為1 722 mm，具有操作空間大，操作靈活等特點。

2.3 機器人的控制

匯博工業機器人的控制器主要分為兩部分：主體控制柜及示教器。PLC控制模塊在控制柜中，用于控制匯博六軸機器人的運動。示教器的主要作用是編程和發送控制命令給控制柜以命令機器人運動。在編寫機器人程序前，需要合理分配機器人項目變量，并設置好機器人抓取放置程序和機器人組裝程序。機器人控制字為待機：100；抓取完成等待放：101；啟動：200；工件放：105；機器人回原點：160。

3 PLC控制組裝系統的硬件設計

3.1 PLC設計的總體要求

放有工件的托盤進入托盤流水線，經過流水線的運送到達機器人抓取工件位置，由抓取位光電檢測工件是否到達機器人抓取工位，為防止工件之間碰撞，到達后托盤流水線抓取位氣缸升起PLC發送工件類型、位置給機器人后，機器人開始動作，然后由工業機器人將工件抓取送至G8裝配流水線，并進行裝配，最后完成裝配。

3.2 組裝系統控制思路

（1）實現運送托盤流水線運送工件；

（2）到達機器人抓取工位給機器人發送信號；

（3）機器人抓取工件并放置到裝配流水線；

（4）PLC計數在四個工件到達之后開始組裝。

3.3 組裝系統硬件組成

本次設計的機器人組裝系統硬件主要由以下部分組成：

（1）輸入端：啟動，停止，復位按鈕。

（2）控制端：可編程序邏輯控制器。

（3）輸出端：兩個流水線傳感器，四個裝配位夾緊氣缸，機器人末端工具：吸盤手抓。

3.4 硬件選型

1.輸入輸出（I/O）點數的估算

PLC的I/O點數確定應以控制設備所需的所有輸入/輸出點數的總和為依據。一般情況下，PLC的I/O點應該有一定的余量。通常以計算輸入輸出點數為依據，再增加10%～20%的可擴展余量后，作為估算數據。

2.PLC存儲器容量的估算

內存容量是可編程邏輯控制器中的硬件存儲，可在 PLC 的基本設置表中找到內存容量的信息。該程序的容量是用戶程序在內存中使用的驅動器的大小，因此，儲存能力必須大于方案容量。在設計階段，必須估計程序的容量，因為用戶應用程序尚未準備好。估計程序的容量可根據廠家提供的公式確定，大部分都是按數字量I/O點數的計算多預留10%～15%，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。

3.PLC的選型

在PLC的選用中具有代表性的品牌主要有德國西門子和日本三菱兩個品牌。其在梯形圖的繪制過程中指令以及編程方式有一定區別，西門子因其指令模塊化，其中包含諸多子程序庫，在編寫程序時簡潔明了。由于西門子PLC在運動控制方面更優越，本次設計的控制系統主要是控制機器人搬運和組裝，綜合比較最終選擇德國的西門子S7-1200作為本次設計的核心控制器。

4 PLC程序編寫

4.1 PLC編程語言的選擇

在編寫程序前，需要合理分配輸入端和輸出端，進行PLC I/O變量表編寫，并留有一定輸入端和輸出端的設計余量，根據系統的設計要求主要采用了梯形圖、語句表、功能塊圖三種PLC編程語言。

4.2 PLC程序的編寫

流水線運輸工件和到達機器人抓取工位后，給機器人啟動信號程序，在機器人收到啟動信號后，在PLC程序中建立工件的類型、工件尺寸數據發送給機器人，通過機器人的計算后進行抓取、放置及組裝等動作。

PLC需要進行復位、啟動、暫停、停止等命令，在PLC程序中建立工件的尺寸數據發送給機器人，機器人的搬運動作由機器人的示教器示教運動過程中的點，并進行程序編寫。圖5為流水線運輸工件并到達機器人抓取工位后，發出機器人啟動信號的梯形圖。

在機器人收到啟動信號后，PLC將工件數據發送給機器人，通過計算后機器人抓取工件，接著機器人放置工件及組裝工件。

5 程序在線模擬調試

使用在線模擬調試軟件西門子博圖V15進行仿真。選擇相應的型號、模塊，然后載入程序，在裝載程序完成后，其仿真方式方法和實際仿真完全一樣，可以通過PLC輸入輸出信號的變化模擬程序的進程，從而檢查程序的不足并改進。在多次在線模擬調試的基礎上，經過對程序的不斷完善確定最終的程序。

6 結論

本項目基于PLC控制的工業機器人組裝系統使用在線模擬調試軟件進行多次仿真，不斷完善，具有良好的運行效果。在此基礎上，機器人只需要在待機狀態下根據PLC的指令自動選擇運行程序。完成后，機器人將進入待機狀態，并等待新的指令。同時，在機器人運行過程中，它將與PLC交換信號，配合夾具的動作，完成生產任務。因此，通過合理的程序設計和人機界面，可以實現精確控制流水線組裝系統。

汽車工業的發展是近幾年我國工業機器人增長的原動力之一，使用PLC控制的機器人組裝系統具有很高的效率和產品質量穩定性，同時兼具柔性和可靠性較高、結構簡單和便于維護的優點，更加適應現代先進汽車制造行業的飛速發展。