基于ABB工業(yè)機器人的物料搬運控制系統(tǒng)

摘要：工業(yè)機器人大規(guī)模代替?zhèn)鹘y(tǒng)勞動力是大勢所趨，本設(shè)計為PLC與工業(yè)機器人結(jié)合的一種物料搬運控制系統(tǒng)。充分利用機電技術(shù)、機器人應(yīng)用技術(shù)、PLC控制技術(shù)、組態(tài)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、氣動控制。采用ABB機器人、三菱FR-D720S變頻器、西門子PLC、物料檢測傳感器、夾取位置傳感器、氣動元件和觸摸屏等構(gòu)成全自動碼垛搬運系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以對不同材質(zhì)工件進行自動分揀和碼垛。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)能精準(zhǔn)分揀金屬工件和白色塑料工件，并在連續(xù)工作10個小時后，系統(tǒng)重復(fù)定位精度良好。

關(guān)鍵詞：ABB機器人；PLC；物料分揀；傳感器；變頻器

一、前言

工業(yè)機器人在獲得了接近半個世紀(jì)的發(fā)展后，在弧焊、點焊、碼垛、拆卸、搬運、注塑、沖壓、噴漆等越來越多的工業(yè)領(lǐng)域得到普遍運用[1]。工業(yè)機器人大規(guī)模代替?zhèn)鹘y(tǒng)勞動力也是大勢所趨，使用機器人控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成的全自動控制的碼垛搬運系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的人工工作，可以有效地提高企業(yè)自動化程度，從而提高市場的競爭力。

本設(shè)計采用的ABB機器人、三菱FR-D720S變頻器、金屬物料檢測傳感器、夾取位置傳感器、西門子PLC、氣動元件和觸摸屏等多個模塊，可以對不同物料識別，分類夾取至相應(yīng)的物料槽[1]。

二、物料搬運控制系統(tǒng)方案

（一）系統(tǒng)功能原理

系統(tǒng)分成分揀部分和碼垛部分，分揀部分主要完成對工件的分揀，通過夾取位置處的工件檢測傳感器檢測出工件類型[2]。其工作過程為當(dāng)入料口光電傳感器檢測到有工件放置后，反饋給PLC控制變頻器啟動，變頻器驅(qū)動電機帶動傳送帶把工件送入夾取位置，夾取位置處的工件檢測傳感器對金屬、塑料工件進行檢測，在檢測完成后，PLC對機器人發(fā)送工件類型反饋，然后機器人把檢測的工件根據(jù)相應(yīng)對的類型進行分料入庫[2]。機器人把工件夾取到校準(zhǔn)夾取物料位置的平臺上，兩個平臺中待抓取工件位置需要機器人事先進行示教標(biāo)定運動軌跡物料位置的校準(zhǔn)，再把物料搬運至旁邊的物料槽，且搬運完成后發(fā)送反饋信號給PLC[3]。

本設(shè)計主要由示教器、氣動夾具、傳感器、氣動元件、變頻器、觸摸屏、電機與傳送帶等構(gòu)成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示[3]。

（二）系統(tǒng)功能描述

系統(tǒng)就緒后，機器人電機會先上電，然后等PLC收到機器人反饋的電機已上電信號DO1時，機器人會根據(jù)有無暫停記憶執(zhí)行程序，然后PLC也會啟動程序，使供料機構(gòu)把物料放下，變頻器驅(qū)使傳送帶把物料傳送到夾取位置，在傳送帶上面[4]，還有一個金屬物料檢測傳感器和一個白色物料檢測傳感器，PLC可以把工件類型反饋給機器人。

當(dāng)工件到了夾取位置后，機器人收到信號，便會來夾取工件。同時機器人還會根據(jù)反饋來的物料類型信號把工件夾取到相應(yīng)的物料校準(zhǔn)位置進行校準(zhǔn)，然后再夾取到入料槽里面，最后回到初始工作原點。這樣的流程會一直循環(huán)至供料機構(gòu)沒有物料，才會停止[5]。系統(tǒng)功能如圖2所示。

三、系統(tǒng)硬軟件設(shè)計

（一）工業(yè)機器人系統(tǒng)

采用ABB的IRB 120型號機器人，物料通過傳送帶到達末端時，夾取位置檢測傳感器會發(fā)出信號，然后機器人在夾取物料的同時分揀金屬物料和白色塑料物料，并根據(jù)不同物料夾取到相應(yīng)的倉儲區(qū)域[6]。IRB 120機器人各軸的范圍如表1所示。

（二）變頻器驅(qū)動系統(tǒng)

采用了三菱FR-D720S-0.4K-CHT變頻器，變頻器需要進行設(shè)定頻率，來控制電機驅(qū)動傳送帶把物料運到傳送帶的末端（機器人夾取位置）。變頻器頻率設(shè)置為30Hz，加減速時間改為2.0S[6]。

打開變頻器上端蓋，把接線端STF接到對應(yīng)的PLC輸出端Y2，變頻器STF為電機正轉(zhuǎn)啟動信號。同時把變頻器公共端SD接入PLC輸出公共端COM1。當(dāng)PLC輸出端Y2得電時，三相直流異步電機以30.0HZ的頻率正轉(zhuǎn)運行[7]。

（三）PLC和工業(yè)機器人I/O配置

三相編碼器A、B相為脈沖信號：通過A、B兩相正交計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)和方向判定。Z相為零點位置信號：編碼器每轉(zhuǎn)一圈，Z相輸出一個零點脈沖[7]。

頂料氣缸前限位、頂料氣缸后限位、推料氣缸前限位、推料氣缸后限位、落料檢測屬于供料機構(gòu)，由PLC控制。金屬檢測傳感器、白色物料傳感器、夾取位置傳感器屬于傳送機構(gòu)，也由PLC控制[8]。光幕常閉是指當(dāng)檢測區(qū)域有物體擋住光線后，會輸出信號，設(shè)備能進行報警或者停止，也受PLC控制[8]。

ABB機器人DO1、DO2、DO3、DO4、DO5等信號都是機器人當(dāng)前處于什么狀態(tài)的信號。DI1是給機器人電機上電，DI2、DI3是根據(jù)判斷機器人有無暫停記憶時，來決定啟動DI2或者DI3[9]。DI6是物料到了夾取位置的時候，由PLC把物料是DI7金屬還是DI8白色塑料的物料類型反饋給機器人，使機器人來抓取物料。

（四）機器人程序設(shè)計

機器人在空間的運動主要有關(guān)節(jié)運動（MoveJ）、線性運動（MoveL）、圓弧運動（MoveC）和絕對位置運動（MoveAbsJ）四種方式。本系統(tǒng)主程序主要運用了關(guān)節(jié)運動指令MoveJ和I/O指令中的WaitTime等，對一些關(guān)鍵點進行示教，使機器人運動到夾取位置夾取物料[10]。

當(dāng)PLC向機器人發(fā)送物料判別信號DI8時，機器人夾取物料的程序如下：

IFTestDI（D652_10_DI8） = TRUE THEN

//如果發(fā)送的信號DI8為真，那么（后面為機器人動作）。

MoveJ p40，v1000， z50，tool0;//TCP從當(dāng)前位置向p40移動，速度是1000mm/s，轉(zhuǎn)彎區(qū)數(shù)據(jù)是50mm，距離P40點還有50mm的時候開始轉(zhuǎn)彎使用的是工具坐標(biāo)too10。

MoveJ p50， v1000， z50， tool0;

MoveJ p60， v1000， fine， tool0;

WaitTime 1; //在此處等待1秒，再執(zhí)行后續(xù)的程序。

Reset D652_10_DO6;//松開夾具。

WaitTime 1;

MoveJ p70， v1000， fine， tool0;

WaitTime 1;

Set D652_10_DO6;//夾緊夾具。

WaitTime 1;

MoveJ p80， v1000， z50， tool0;

MoveJ p90， v1000， z50， tool0;

MoveJ p100， v1000， fine， tool0;

WaitTime 1;

Reset D652_10_DO6;

WaitTime 1;

MoveJ p110， v1000， z50， tool0;

MoveJ p240， v1000， z50， tool0;

MoveJ p250， v1000， z50， tool0;

PulseDO＼PLength：=2， D652_10_DO4;//數(shù)字量輸出信號D652_10_DO4輸出一個脈寬為2S的脈沖。

（五）機器人運動設(shè)計

機器人運行速率設(shè)定為35%，最大速度為5000mm/s。然后機器人松開夾具，從初始工作原點向p10移動，速度是1000mm/s，轉(zhuǎn)彎區(qū)數(shù)據(jù)是50mm，距離p10點還有50mm的時候開始轉(zhuǎn)彎使用的是工具坐標(biāo)too10。等待直到夾取位置信號D652_10_D16為1。從p10向p20移動，速度是1000mm/s，轉(zhuǎn)彎區(qū)數(shù)據(jù)是50mm，距離p10點還有50mm的時候開始轉(zhuǎn)彎使用的是工具坐標(biāo)too10；再從p20向p230移動，p230向p320移動，等待一秒，抓緊夾具，等待一秒，移至p30點。

然后機器人需要判斷PLC反饋的物料類型，對物料進行分揀入庫。如果白色塑料物料信號DI8為真（置一），移動至p40點，然后到p50點，再到p60點[9]。等待一秒后，松開夾具，等待一秒，對物料位置進行校準(zhǔn)，移動至p70點。等待一秒，夾緊夾具，移動到p80點，然后到p90點，再到p100點。等待一秒后，松開夾具，把夾具放進入料槽中，等待一秒后，移動到p110點，然后到p240點，再到p250點。然后數(shù)字量輸出信號D652_10_DO4輸出一個脈寬為2S的脈沖，代表機器人搬運完成。而金屬物料信號置一，機器人運動流程除了不同入料槽外，別的一模一樣。當(dāng)供料機構(gòu)中沒有物料后，機器人調(diào)用DB模塊，機器人移動到工作原點。機器人動作狀態(tài)流程如圖3所示。

四、系統(tǒng)調(diào)試運行

機器人會判斷夾取位置有無工件，當(dāng)物料抵達夾取位置的時候，PLC會向機器人發(fā)送夾料信號，機器人就會移動至夾取位置，等待一秒后，抓取物料；再等待一秒，判斷物料信號，如果物料是金屬物料，機器人會移動至金屬校準(zhǔn)臺；等待一秒后，放開金屬物料，校準(zhǔn)位置；等待一秒后，再抓取金屬物料；等待一秒后，再把物料夾取進金屬放料槽；等待一秒后，機器人回歸至初始工作原點，同時會反饋搬運完成信號給PLC。如果供料機構(gòu)里面還有物料，系統(tǒng)會和之前的運動流程一樣循環(huán)動作，當(dāng)供料機構(gòu)里沒有物料時系統(tǒng)停止[11]。系統(tǒng)試驗調(diào)試如圖4所示。

五、結(jié)語

本項目為PLC與工業(yè)機器人結(jié)合的控制系統(tǒng)，充分利用機電技術(shù)、機器人應(yīng)用技術(shù)、PLC控制技術(shù)、組態(tài)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、氣動控制、工業(yè)機器人搬運系統(tǒng)，采用主流ABB小型機器人作為示教編程對象，選用常見的西門子S7-200 PLC和MCGS觸摸屏[11]。物料分揀搬運系統(tǒng)主要從工業(yè)機器人運動控制、PLC變頻調(diào)速這兩個方面重點進行設(shè)計，這個系統(tǒng)可以對白色塑料工件和金屬工件兩種工件進行自動化分揀和碼垛。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)能精準(zhǔn)分揀金屬工件和白色塑料工件，可以使用觸摸屏實現(xiàn)系統(tǒng)的操縱和監(jiān)控；在系統(tǒng)連續(xù)工作10個小時后，重復(fù)定位精度良好。

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基金項目：1.2021年江蘇省高校“青藍工程”優(yōu)秀教學(xué)團隊項目（智能制造自動化技術(shù)教學(xué)團隊）；2.2022年江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改研究課題“以崗課賽證融合育人課程教學(xué)改革促進工業(yè)機器人專業(yè)技術(shù)技能人才培養(yǎng)”；3.2022年江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院高水平專業(yè)“工業(yè)機器人技術(shù)”

作者單位：江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院

責(zé)任編輯：張津平