PLC在工業機器人控制系統中的應用

趙 勇 ， 李 洋

（1.河北科技工程職業技術大學，河北 邢臺 054000；2.河北省中小型非標裝備技術創新中心，河北 邢臺 054000）

目前，工業機器人已經在不同生產領域中得到了普及，成為提升企業內部生產質量和效率的關鍵構成部分。但考慮到當前市場中不同消費者的需求更加地多元化，因此，工業生產的整體功能和生產的產品也開始朝著更加復雜多樣的方向發展。為了能夠適應我國工業建設和發展的新需求，需要通過進一步優化工業機器人的性能，不斷提高工業機器人的整體應用質量。而可編程邏輯控制器是工業機器人中核心的控制部件，通過優化其設計方案，能夠推動我國工業機器人系統的前行與發展。

1 總體布局

在現代信息技術以及通信技術迅猛發展的時代背景下，越來越多的前沿科學技術被應用到了我國工業生產過程中，并徹底轉變了人們的工業生產方式。尤其是在人工智能技術跨越性發展的條件下，工業機器人系統應運而生，該項系統在工業生產過程中的實踐應用，能夠有效地提升生產全過程的效率和整體質量。其中，可編程邏輯控制器是控制工業機器人系統最有效的核心點。在整個工業機器人系統的整體結構組織框架上，主要是基于PLC控制模式展開設計工作，系統的硬件構架以及設計方法極為復雜，涵蓋的內容也較為細致。該系統在運作過程中，主要包含監控模塊、PLC核心控制模塊、工業機器人控制模塊以及上位機控制模塊等。

這些模塊之間通過以太網作為銜接的重要平臺，能夠確保不同模塊之間信息的快捷交互。在整個系統框架中，上位機的任務主要是將節點監視的視覺信息傳遞到PLC編程器中，然后再借助相關的控制系統，針對工業機器人運轉過程中的各類型數據參數進行動態化的監督。而通過PLC控制模塊，就可以向上位機發送相應的生產指令，并且判斷該生產信息在發出之后是否獲得了節點機器人給出的反饋。工業機器人模塊在運作過程中需要與專業的控制系統進行相互銜接，通過以太網展開信息交互工作。從總體上來看，工業機器人可以在PLC的總控制背景下實現機器鏈條上不同環節的伺服控制功能以及抓手控制功能等。此外，該系統內部還專門設計了關于視覺檢測的功能模塊，該功能模塊所配備的傳感器設備能夠區分工業機器人系統中的不同物料或放置的不同位置，在接收到上位機下達的指令之后，視覺系統就需要根據其中給出的關鍵信息，將數據上傳到檢測系統進行進一步的挖掘，最終將分析出的數據結果再傳回到上位機系統。

2 PLC模塊硬件設計及應用

2.1 硬件的選擇

考慮到PLC作為機器人系統的核心控制點，功能模塊的設置和選擇需要以工廠的生產需求為目標，因此，在硬件選擇方面應當著重關注以下三個方面的因素。一是對于中央處理器的選擇。在中央處理器選擇的過程中，該系統主要運用了S7-1200系列的處理器。二是輸入模塊以及輸出模塊的選擇。進一步考慮到PLC輸入以及輸出系統在運轉過程中所接收的數據信息量規模相對較為龐大，并且通常情況下，PLC系統自身攜帶的輸入以及輸出轉接口在工作過程中無法滿足工業機器人的數據信息傳輸需求，因此，需要額外銜接外接輸入以及輸出的模塊，同時還需要考慮到在系統設計環節中CPU核心的供電電壓需要保持在24 V。為了能夠確保CPU系統的整體匹配運作效果，在輸入模塊也需要同樣增加一個24 V的輸入電壓系統。還需要以輸入過程中需求的點數作為輸入模塊參數的判決標準，可以根據10%~15%的余量設計要求，最終認定輸入以及輸出模塊可允許通過的節點數為45個，還可以通過一定的增容方式更好地滿足未來一段時間內系統在擴容以及升級方面的需求。三是傳感器型號的選擇。在整個系統運轉的過程中，傳感器可以判斷物料是否能夠被輸送到指定的核心位置，并且將物料的傳遞信息上傳到PLC控制中心。因此，根據整個系統控制和運轉的實際要求，系統中可以選擇設置21個傳感器的位置。其中，有16個傳感器可以判斷物料是否能夠被輸送到指定的位置，有2個傳感器主要判斷機器人對于物料抓取的動作是否正確，剩下的3個傳感器可以上傳物料是否被推出到指定位置的相關數據參數。在傳感器的型號選擇方面，也需要貼合工廠生產的實際要求。

2.2 上料機部分的設計和應用

上料機部分的設計主要包含了限位開關、局部傳感器、儲料倉、傳送帶四大模塊。其中，限位開關主要是用來控制物料被推出以及收回所限制的空間位置。傳感器能夠實時地監測物料在整個運輸過程中的位置變化情況。儲料倉分別對應著規格以及形狀不同的物料，比如很多物料的形狀差異性極大，在生產過程中有圓形物料，也有正方形或長方形的物料。因此，儲料倉的選擇需要與物料的形狀之間相互對應。而傳送系統主要負責針對這些物料的傳送，將這些物料送達到指定的位置[1]。

2.3 物料定點分類放置的設計及應用

在整個系統運轉過程中，假設該工廠生產過程中的物料共有圓形、正方形以及長方形三種形狀，那么物料定點分類的放置就可以選擇三層構架，其中，最底層的第一層構架可以放置圓形的物料，中間一層為正方形物料的存放區域，最頂層為長方形物料的存放區域。每一層物料的存放點都需要額外設置光電傳感設備，在分類放置的設計環節中，最為常見的設計方案主要包括兩種類型。第一種類型是通過采用機械手臂直接針對物料當前所處的空間位置進行識別，然后將具體的數據上傳到后臺控制中心，并且針對該坐標進行存儲。第二種設計方案就是通過定位點以及偏移量相互協調的設計方案，計算物料所在的坐標位置。第二種方法可以通過在物料架的第一層獲得首尾兩端物料擺放的具體位置，在第二層以及第三層也分別獲得首尾兩端物料擺放的具體位置，然后再利用空間坐標信息識別這幾層物料擺放位置縱向以及橫向的位置偏移量。而這兩種方法在應用的過程中，前者相對來說對于空間抓取的精確度相對較高，但是在前期的測量和收集階段，需要針對大量的坐標數據信息進行存儲，會導致PLC系統中的空間被大量占用，這也在一定程度上增加了相應的空間成本。后者相對來說，在計算過程中的精確度偏低，但是在空間中存儲的坐標量相對較少[2]。

3 工業機器人模塊硬件設計及應用

3.1 機器人型號的選擇

考慮到PLC控制系統整體的應用功能和模塊較為多元，因此在機器人型號的選擇方面并不需要配合過多的功能，只需要滿足機器人在應用過程中的性能以及工廠的生產需求即可，最好可以選擇一些結構層級較為簡潔、經濟適用性相對較強的機器人。在本次的研究工作中，就選擇了HSR-IR605型號的機器人，該機器人在運轉過程中的最大負載量能夠達到5 kg，其自身的重量大約為55 kg，在生產過程中最大的功能半徑達到了746 mm，工作過程中對于物料輸送的位置精確度不超過0.02 mm的范圍，該規格基本能夠滿足該工廠生產的性能需求[3]。

3.2 機器人控制器的選擇

為了確保機器人系統在運轉過程中的整體性能，通常情況下，控制設備可以選擇專用的控制器，針對系統運作點進行精準控制。專用控制器能夠協調機器人系統不同傳輸系統的運動速度和范圍，同時還能夠強化機器人以及PLC控制系統之間的信息交流，基本能夠滿足機器人系統在運作過程中對于一些高精確度位置、空間控制以及其他行為的性能要求。因此，本次的系統設計過程中采用了工業控制計算機，也被稱為IPC。IPC是目前工業生產過程中最為常見的計算機系統，該系統具有體積較為微小的特性，在具體的運作過程中功能也相對較為強大。IPC目前可以被分為可識別數據傳輸以及控制指令兩大工作情況，還可以為傳感器以及執行機構提供數據銜接和傳輸的通道，對于一些較為復雜的工作器具有極為強大的適應能力。在設計框架中，可以借助IPC控制器實現與機器人系統以及PLC系統之間的信息交互，并且在信息交換的過程中，還能夠在短時間內抓取其中的邏輯。該裝置采用的是開放式的系統構架，控制系統為Linux，可以共同提供視頻圖形列陣、RS232總線接口列陣、局域網絡構架等接口，具有良好的普適性[4]。

3.3 機器人抓手設計方案及其應用

抓手設計環節是考驗機器人應用性能最為關鍵的環節之一，抓手的頂端位置需要與法蘭接口之間銜接。在設計環節中，抓手功能的輸出需要由機器人控制氣缸完成運行。當工業機器人在接收到PLC控制系統發出的指令之后，就需要進行物料輸送，并且確定當前物料的空間位置以及抓取位置的坐標信息，在抓手已經運動到當下位置時，氣缸就會快速地補充氣體并通過吸盤吸取物料，此時，傳感器設備會讀取物料是否已經被吸入的信息。在確定物料已經被吸入之后，抓手就會攜帶物料抵達到指定的位置坐標，此時，控制系統就會為氣缸發出松氣指令，吸盤松動之后可以將物料放下，然后再進行第二次的識別和操作。在放置工作結束之后，傳感器就會將信號發送到控制器系統中，然后由控制器系統將整個信息反饋到PLC系統，在操作完畢之后，機器人抓手回歸到指定位置，等待下一次指令的到來[5]。

3.4 伺服控制器的選擇

機器人的不同運動關節都可以采用伺服電機進行驅動，并且為其提供相應的運動電力。通常情況下，電機驅動模式在運動過程中具有精準度相對較高、效率較高等優勢。因此，電機控制也在工業生產過程中得到了普及，在設計過程中，需要采用伺服控制系統控制電動機驅動整個機器人的運動過程，為機器人的運動提供充足的電力能源。在本次系統設計中，采用了RC6伺服電機，該伺服電機的型號基本可以滿足以太網數據傳輸的性能要求，同時在工作現場還具有開放式的協議接入功能，能夠與多種編碼器之間相互協作，共同完成數據接口的搭建[6]。

4 視覺檢測模塊硬件設計及應用

視覺檢測模塊是機器人針對物料展開分類存儲和位置控制的關鍵節點，在系統設計過程中，視覺模塊的識別功能對于機器人的運作性能會產生直接影響。

4.1 相機的選擇

考慮到不同底片的材質之間具有一定的差異，在拍攝后所顯示的視覺效果也有所不同。目前，可以將相機大致分為互補金屬氧化物半導體相機以及電荷耦合器件相機兩大類型[7]。其中，電荷耦合器件相機也被稱為CCD相機，這種相機的反應速度相對較快，并且在拍攝的一瞬間還能夠規避噪聲，在持續的運轉過程中，所需要的能源支持量相對較少，可以在復雜的環境中長時間地操作。相比較而言，互補金屬氧化物半導體相機的集成化水平相對較高，運動過程中的速度極快，還具有光學自動檢測的功能，可以對機器人視覺的局部空間進行拍攝訪問，尤其是對于工作過程中場景速度要求較高、分辨率和精確度要求較高的情況極為適用。但是，考慮到這類型相機的成本投入相對較高，因此，大多數工廠的工業機器人還是希望能夠選擇一些運行性能穩定且可以長期應用的相機類型。本次系統中就選擇采用了CCD相機，著重考慮CCD相機的能源消耗量小以及運行時間較長的優勢[8]。

4.2 相機光源的設定

通常情況下，相機光源設定會采用LED光源，這類型光源的使用壽命相對較長，并且在應用過程中的反應速度極快，在運行期間，基本上不會產生任何的熱量。本次系統就選擇采用了LED光源，還響應了國家節能減排的號召[9]。

4.3 視覺檢測模塊

在視覺信息傳遞的過程中，當相機捕捉到拍攝物料之后，就會將視覺圖片上傳到信息采集系統，而針對數據展開處理之后，后臺控制中心就可以得到相對精確的物料信息，并將信息發送到非上位機的視覺檢測軟件中，最終測定檢測的結果以及相關的信號，再由PLC控制系統控制機器人運動，從而完成整個視覺信息的采集及融合應用過程。在系統運作的期間，視覺系統會直接接收到上位機所發送的啟動信號，當信號被系統完全識別之后，相機系統就可以將采集到的各類型圖像信息進行傳遞。然后視覺控制器就可以直接提取物料的型號以及大小規格等相關數據并將其上傳到主控上位機，主控上位機再將搜集到的資料信息傳遞給PLC系統，通過系統之間的信息交互就能夠完成物料信息的傳遞[10]。

5 軟件設計及應用

5.1 主控制系統的軟件設計及應用

為了能夠有效地實現PLC控制工業機器人的多方面功能，在軟件設計環節中，操作設計人員可以選擇自動控制物料傳遞以及手動控制物料傳遞兩種工作模式。其中，在自動控制的物料傳遞模式下，需要從第一個料倉開始上料，直到完成最后一個物料的推送環節之后，才能進行第二輪的上料工作。而在手動操作程序中，操作人員可以通過在系統上自行設置選擇需要上料的料倉[11]。

5.2 機器人的程序設計

5.2.1 機器人寄存器的軟件設計

從功能上來看，寄存器在應用過程中，必須要具備強大的數據存儲能力以及邏輯運算能力，這樣才能夠有效地識別相關的空間位置數據信息，從而完成對于機械手臂正確的軌道指引工作。因此，在設計環節中應當選擇連接寄存器中的存儲工業機器人位置數據[12]。

5.2.2 機器人程序的設計

機器人程序的設計又可以被分為主程序設計以及執行程序設計兩大模塊。其中，主程序設計大致可以分為兩大步驟，通過與對應的服務機器人實現信號綁定，將機器人的手臂按照位置回歸原點，然后再獲取吸盤吸取或解鎖的命令。除此之外，還需要列出每一個子程序的編碼存儲位置，當程序在執行任務完成之后，需要返回到機器人原點展開解綁工作才能結束整個操作程序[13]。機器人的執行程序主要是指工業機器人在工作過程中需要完成的具體情景任務，比方說將物料運送到具體的位置然后放下。在執行整個操作的過程中，首先需要PLC控制系統發出相關的指令，然后機械手臂才能夠抵達取料點并產生延時，做好充分吸取物料的準備。當物料吸取結束之后，傳感器需要判斷物料是否已經被機械手臂夾緊，然后原路返回。當機械手臂返回到預備放料點后，需要延遲1 s~2 s之后輕輕放下物料。最后，檢查物料是否符合放置位置的要求[14]。

6 結語

綜上所述，PLC在我國工業機器人控制領域中具有極為廣闊的應用前景[15-16]。在PLC可編程控制器的助力下，機器人系統在運作過程中能夠實現精準運輸和傳達等功能[17-18]。因此，在可編程控制器的設計過程中，需要通過了解工廠在生產過程中的具體需求，才能結合相應的軟件以及硬件設計方案，通過不斷優化設計環節，強化工業機器人的整體操作以及控制性能，進一步提升操作以及控制的效率和精確性，為提升我國工業生產的整體質量提供助力。