視覺控制數控機床機器人上下料PLC 編程及研究

廖志青，韓 偉，魏文鋒，劉楚生

（1.廣州城市理工學院 機械工程學院，廣州 510800；2.廣州數控設備有限公司，廣州 510700）

我國汽車產業自改革開放以來，作為最早開放的行業，一直是國家發展戰略層面的重要支柱產業。“十三五”規劃中，將汽車劃入重點領域智能工廠應用示范工程，在規劃實施期間，行業通過技術升級，在汽車核心技術、制造水平、整車裝配精度等方面都有了巨大的提升與明顯的進步。

為了提高現代汽車制造企業的生產效率和無人化智能制造水平，文獻[1]提出采用機器人代替人工作業；文獻[2]提出采用機器視覺代替人工分揀。本項目將機器人技術與機器視覺相結合，使用機器人自動上下料，視覺系統定位獲取零件的隨機擺放位置，使用生產全域的無人看管、自動化加工控制，進一步提高生產效率及加工精度。

1 視覺控制機器人上下料的系統組成及工作流程

基于視覺控制的智能產線比傳統的專機上下料方式更容易進行不同零件之間的更換，具有更高的自動化程度高等優勢，能減少機床的輔助加工時間和輔助托盤系統成本。同時也對視覺系統的數據通信、機器人動作的位置和精度控制、數控機床加工程序啟動節拍和傳送帶運轉的協調性提出了更高的要求，運用PLC 控制技術和快捷可靠的通信連接方法才能實現[3]。

1.1 產線系統的組成和通信連接

用于缸蓋和缸體柔性變換加工的產線，如圖1所示。由3 臺加工中心、機器人及行走軸、輸送系統和視覺系統組成。3 臺加工中心分別完成缸體零件V 形斜面孔的精銑加工，側面、底面幾何形狀精銑以及鉆孔和攻牙等加工內容。

圖1 柔性數控加工產線通信連接Fig.1 Flexible CNC machining production line communication connection

在產線傳送帶的側上方，安裝了3 組視覺光源和相機，同時FANUC-R-30iA 控制器控制柜主板上設有JRL6A、JRL6B、JRL6C 和JRL6D 等共6 個照相機復用連接接口，通過多路視頻切換器和圖像處理平臺與3 組相機及配屬的光源連接。系統采用西門子S7-1500PLC 控制器，通信連接形式為開放的PROFINET 數據總線連接架構，與視覺系統、機器人控制器以及數控機床的互聯互通，將現場設備層、控制軟件層和系統管理層集成為一體化的數字孿生系統，實現數據的現場總線交換、診斷、管理和維護。如圖1 所示，PROFINET-RT 實時系統用于PLC控制器與I/O 設備通訊，滿足數控加工產線的實時快速同步通信要求。

1.2 視覺控制機器人上下料數控加工的工作流程

工件在完成清理打磨工序后吊裝至傳送帶上無序放置，存在傾斜和錯位等情況，需要首先經過視覺系統精確的三維空間定位數據，根據加工時零件在機床上準確裝夾的視覺標定模板，驅使機器人調整關節角度和位置對準零件，才能將零件準確可靠抓取起來[4]，如圖2 所示。

圖2 視覺控制機器人上下料動作Fig.2 Vision controls the loading and unloading movements of the robot

經過壓鑄成型并清理切除澆冒口的缸體零件，首先由機器人吊裝至數控加工產線傳送帶上的制定區域內，視覺系統第1 組斜置相機對放入的零件進行拍照。確認零件已完全放置在規定區域內便觸發傳送帶運轉，傳送帶運送零件至視覺定位拍照區域時，由第2 組相機對視界區域內的目標零件進行拍照，并將零件位置坐標數據反饋至系統與視覺圖像模板進行比對，得出零件的角度和位置偏移量。機器人則根據偏移量抓取傳送帶上的待加工零件，再根據機床上加工時的準確裝夾位置進行二次偏移調整，對準機床上的加工裝夾位置后將零件放入，數控機床在工控系統PLC 指令下啟動數控加工流程，完成加工后的零件將被機器人再次抓取，放回輸送鏈，準備進入下一臺數控機床配屬的視覺系統的視域范圍，由此產線進行連續的上料、加工和下料運轉過程。

2 視覺相機和機器人與PLC 控制器之間的連接控制

由于加工產線包括了數控機床、機器人、視覺相機和輸送鏈等多個不同通信協議支持的子單元，因此各單元之間需要通過數據兼容性較強的PLC進行動作控制，西門子S7-1500PLC 控制器強大的數據兼容能力保證了數控機床、機器人、視覺相機和輸送鏈等設備不同制造商設備之間的兼容性，從而實現了高標準工業通信的通信接口以及一整套強大的數字孿生集成技術功能。

2.1 西門子PLC 與康耐視相機之間的硬件連接配置

康耐視In-Sight 8000 智能攝像機以緊湊的形式提供了高速圖像采集、圖像處理軟件和網絡通信功能，可以將零件定位速度提高多達10 倍。視覺系統的PLC 控制首先要安裝相機配置GSD 文件，如圖3（a）所示，打開康耐視控制界面，創建新項目。雙擊“設備和網絡”，打開“網絡視圖”；選擇“PLC_1”，表示與PLC_1 進行Profinet 通訊；然后添加PLC 并將PLC 的IP 地址設置與相機在同一網段。再在設備設置選項中，添加選擇通信設備“Siemens”為制造商，選擇西門子S7-1500PLC 以及選擇“PROFINET”協議通信方式。

圖3 視覺系統與PLC 通信控制連接設置Fig.3 Visual system and PLC communication control connection settings

在圖3（b）中添加工件顏色識別結果和坐標數據，并將設置顏色結果數據類型為“8 位整數”；圖像數據類型為“32 位浮點型”并勾選“高字節/低字節”和“高字/低字”交互數據的高低字或者字節，配置相機通訊的I/O 地址和相機采集狀態數據結果數據。然后再進行PLC 與相機之間的變量通信和監控調試，添加PLC 變量后在“默認變量表”中輸入通信數據的變量和名稱，然后在新建的監控表“監控表_1”中輸入需要監控的變量。通過監控對比PLC 接收到的變量數據與相機發送的數據是否一致，如果數據一致則說明相機與PLC 控制器之間通過Profinet 通信發送數據成功。

2.2 西門子PLC 與FANUC 機器人的連接及配置

西門子S7-1500PLC 擁有PROFINET 通信口并支持PROFINET 總線模式，能夠與FANUC 機器人R-30iB 控制器上的PROFINET 通信擴展板采用網線直連。連接后機器人系統成為西門子PLC 的從站，西門子S7-1500CPU 則作為PROFINET 總線架構的主站。連接配置時先用普通網線將S7-1500 控制器的PROFINET 通信口與機器人的PROFINET通信口進行連線，然后安裝FANUC 機器人GSD 文件并在硬件配置中選擇“Options=>Install GSD file”。如圖4 所示，將機器人的“Start up mode”設置為“Read In”，使機器人讀取剛下載的配置。將“Start up mode”設置為“operation”并保存下載的配置。

圖4 西門子PLC 與FANUC 機器人連接配置Fig.4 Siemens PLC and FANUC robot connection configuration

然后在PLC 端進行雙方的IP 地址設置和硬件組態，例如將PLC 的IP 地址設置為192.168.0.1，機器人的則設為192.168.0.2。組態時PLC 控制器端IB256 設為輸入，QB256 則設為機器人輸出端，組態完成后PLC 端就可獲取到通信I/O 地址，雙方的I/O關聯地址分別為QB256—DI[1-8]和IB256—DO[1-8]。當PLC 需要給機器人信號時，通過QB256 發送給機器人，而機器人需要反饋信號給PLC 時，通過DO[1-8]發送給PLC，由此實現了PLC 與機器人之間的實時信號輸送。

3 機器人上下料動作的PLC 編程及系統協調節拍控制

電氣控制系統運用PLC 集中控制視覺系統拍照頻率、輸送帶傳送速度和停頓時序、每臺數控機床加工工序時段節拍協調，以及機器人抓取和行走動作，運用觸摸屏人機界面對整個系統的運行狀態進行監控和控制。通過伺服控制的輸送鏈，使零件按照規定速度到達拍照點和抓取點，完成產線的協調控制運轉。

3.1 視覺控制機器人上下料控制程序和PLC 編程

在系統運轉的過程中，視覺控制數控機床機器人上下料的工作過程如下：

（1）按下系統啟動按鈕，視覺系統、輸送鏈和機器人開始運轉啟動，機器人伺服電機驅使機器人啟動。當第1 組相機拍攝到零件的圖像后，機器人手爪運動到達傳送帶抓取點位置正前方80 cm 處，發出機器人準備就緒信號。其PLC 梯形圖程序如圖5所示。

圖5 視覺系統啟動PLC 控制程序Fig.5 Visual system startup PLC control program

（2）第2 個視覺相機拍攝進入定位區域目標零件，拍攝生成隨機無序零件位置并計算出偏移位置和角度傳送給機器人；機器人J6 軸旋轉手爪并調整位置對準零件，機器人抓取零件。

機器人夾持零件移動對準第1 臺數控機床夾具方向；數控機床接到上料準備信號，PLC 控制器發出信號驅使數控機床安全門打開，同時視覺系統發送零件偏移值給機器人，PLC 程序如圖6 所示。

圖6 機器人夾持零件送料PLC 程序Fig.6 Robot clamping parts feeding PLC program

（3）機器人獲取零件偏移值及送料開始信號，機器人手爪按偏移值VR[1]進行坐標系偏差調整，對準零件進行夾持。再送入數控機床夾具相應位置中，然后機器人返回數控機床正前方80 cm 處待命，發出機器人送料完成信號。

在上述運轉過程中，機器人程序和PLC 控制程序同時交替作用，其中傳送帶根據PLC 的節拍控制程序，同步執行前進、暫停和等待動作的配合。為了使系統各部分的運轉配合協調，機器人程序中必須考慮PLC 控制的動作時序。如在機器人執行手爪關閉抓取零件時，傳送帶則配合暫停等待5 s，方便機器人準確執行抓取動作，具體的機器人動作程序編制如下：

1：UFRAME_NUM=1//用戶坐標系設定；

2：UTOOL_NUM=1//工具坐標系設定；

3：R[1：Notfound]=0//成像啟動；

4：L P[1]2000mm/sec FINE//夾持器到達指定成像點；

5：VISION RUN_FIND'A'//調用視覺模板程序；

6：VISION GET_OFFSET VISION1 VR[1]//獲取當前拍攝零件偏移值VR[1]，JMP，LBL[99]，如視覺錯誤，跳轉至LBL[99]；

7：CALL HANDOPEN//確認手爪處于放開；

8：VOFFSET，VR[1] Tool_Offset，PR[1]//把視覺偏差的位置數據補償賦值給R1；

9：L P[2：Approach] 500mm/sec FINE VOFFSET VR[1]// 機器人接近點P2，并按補償值VR[1]進行坐標系偏差調整；

10：CALL HAND_CLOSE//機器人手爪關閉抓取零件；

11：L P[3：Approach] 500mm/sec FINE VOFFSET VR[2]//夾 持零件轉至P3 點，并按補償值VR[2]進行偏差調整對準機床工作臺；

12：L P[4]2000mm/sec FINE//夾持零件到達機床夾具上方P4 點：

13：CALL HANDOPEN//手爪釋放放入零件；

14：L P[1]2000mm/sec FINE//夾持器回到P1；

15：END//程序結束：

3.2 機器人上下料的時序節拍控制

智能產線系統通過輸送鏈跟蹤I/O 板，連接相機、機器人和FANUC 的R-30iA 控制器，再經過PLC 控制器進行各部分動作節拍的協調控制。通過輸送鏈的同步信號，視覺系統得以接受傳送帶上零件的運用情況，從而決定是否啟動拍照，將要抓取的目標零件在連續不斷運動進入拍照視域，視覺系統按照事先規劃好的節拍進行拍照和圖像數據處理通信，機器人便可以處于不斷運動過程中，避免了機器人夾持機構時轉時停的現象。

上述研究內容在發動機零件混流加工的數字孿生管理控制系統建設中得到了實際運用，將視覺系統處理零件位置偏移數據的時間設置為大于機器人運動的速度周期。因此在一個視覺處理周期之后，視覺系統能夠有充裕的時間做好下一個視覺處理周期之內的機器人動作數據供應[5]。

4 結語

通過對汽車發動機缸體數控加工自動化上下料機器人、視覺系統和輸送鏈等設備的PLC 編程及協調控制問題研究過程，得出以下結論：ProfiNET 總線通信能夠支持康耐視智能攝像機與FANUC 機器人、西門子PLC 集成控制器之間采用網線直連，實現視覺系統、機器人、數控機床和輸送鏈之間集成為一體化的數字孿生系統；產線運行過程中機器人讀取視覺偏差值進行位置調整和坐標系跟蹤的過程，需要通過視覺標定和FANUC 視覺跟蹤程序實現；通過PLC 集中控制視覺系統拍照頻率、機器人動作、輸送帶傳送速度和數控機床加工程序啟停，才能實現數控加工產線系統的的運轉節拍協調控制。