一種工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

錢曉忠 郭 瓊

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 控制技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121)

1 概述

工業(yè)機(jī)器人是集現(xiàn)代制造技術(shù)、新型材料技術(shù)和信息控制技術(shù)為一體的代表性產(chǎn)品，是衡量一個(gè)國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一，在支撐現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展中扮演著重要角色。近年來隨著我國制造業(yè)的不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，市場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人釋放出巨大的需求。工業(yè)機(jī)器人的大量應(yīng)用必然面臨相關(guān)人才短缺的問題，包括機(jī)器人操作維護(hù)、安裝調(diào)試、系統(tǒng)集成與應(yīng)用類人才[1-5]。

由于工業(yè)機(jī)器人種類繁多，且涉及傳感器融合、人機(jī)交互、認(rèn)知和學(xué)習(xí)系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、抓取和操作、移動(dòng)和運(yùn)動(dòng)技術(shù)及系統(tǒng)集成等多學(xué)科、多門類技術(shù)[1]，因此對(duì)相關(guān)人才的培養(yǎng)也提出了較高的要求，開發(fā)和研究各種合適的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)的軟硬件資源，培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用方面的人才尤為迫切。

工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)是2015年全國高等職業(yè)院校技能大賽工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)平臺(tái)，硬件采用工業(yè)元器件設(shè)計(jì)，即是一種真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人的具體應(yīng)用，也能在此平臺(tái)上進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)和功能開發(fā)。系統(tǒng)包括碼垛機(jī)器人、AGV機(jī)器人和關(guān)節(jié)機(jī)器人，工作流程設(shè)計(jì)如下：

(1)碼垛機(jī)器人根據(jù)庫位選擇順序，依次取出工件，并將工件放置在輸送設(shè)備AGV小車上。

(2) AGV將工件輸送到自動(dòng)生產(chǎn)線入口處，通過輥道對(duì)接，自動(dòng)進(jìn)入托盤生產(chǎn)線。

(3)工件經(jīng)過托盤生產(chǎn)線拍照工位時(shí)，由智能相機(jī)自動(dòng)識(shí)別工件位置和類型，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控PLC處理。

(4)關(guān)節(jié)機(jī)器人按照主控系統(tǒng)的指令和數(shù)據(jù)從托盤生產(chǎn)線上抓取工件，并按工件分類擺放要求在工作盒流水線上完成分揀任務(wù)。

圖1 工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)基于工業(yè)設(shè)計(jì)理念，既能體現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)過程，又具操作性和實(shí)用性。平臺(tái)的綜合應(yīng)用和功能開發(fā)，能讓學(xué)生親身體驗(yàn)工業(yè)機(jī)器人真實(shí)作業(yè)和實(shí)際應(yīng)用，擺脫生產(chǎn)設(shè)備在生產(chǎn)過程中不能隨意更改工藝和控制功能的束縛，有利于大學(xué)生新技術(shù)新知識(shí)的學(xué)習(xí),激發(fā)大學(xué)生再學(xué)習(xí)的興趣和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)層級(jí)

如圖2所示，工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可分為設(shè)備層、控制層和管理層三個(gè)層級(jí)?？紤]實(shí)訓(xùn)平臺(tái)面向高職自動(dòng)化類、機(jī)電類學(xué)生，將系統(tǒng)的設(shè)備層及控制層作為學(xué)習(xí)范疇，側(cè)重機(jī)械/電氣裝置的認(rèn)識(shí)、安裝調(diào)試及控制系統(tǒng)功能開發(fā)等過程控制系統(tǒng)(PCS)所涉及的內(nèi)容，為工業(yè)機(jī)器人及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的維保、調(diào)試、示教編程等提供應(yīng)用型人才；管理層可作為后續(xù)欲開發(fā)和延伸的領(lǐng)域。

圖2 系統(tǒng)層級(jí)

設(shè)備層由碼垛機(jī)、自動(dòng)生產(chǎn)線、傳感器檢測(cè)系統(tǒng)、AGV、關(guān)節(jié)機(jī)器人、貨架、托盤及工件盒等基礎(chǔ)設(shè)備組成。

控制層主要負(fù)責(zé)各類設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)共享等工作。

(1)主控PLC系統(tǒng)。負(fù)責(zé)和上位機(jī)直接交換信息；用于自動(dòng)生產(chǎn)線等設(shè)備的控制；與工業(yè)機(jī)器人、智能相機(jī)等系統(tǒng)信息交互及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控功能。

(2)碼垛PLC系統(tǒng)?？刂拼a垛機(jī)X/Y/Z軸三個(gè)方向的變頻器運(yùn)動(dòng)，采集庫位信息及碼垛機(jī)位置，接受主控PLC的調(diào)度和信息交互。

(3)輸送機(jī)PLC系統(tǒng)。通過光電開關(guān)與碼垛/主控系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。獲得貨物輸送信息，將貨物按照給定路徑從立體倉庫運(yùn)送到自動(dòng)生產(chǎn)線指定入口處，以便貨物進(jìn)入自動(dòng)生產(chǎn)線運(yùn)輸輥道，并自動(dòng)返回碼垛機(jī)系統(tǒng)取貨位置等待輸送指令。

(4)關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)。接受主控PLC的讀/寫訪問，按照主控PLC給定的定位信息，抓取托盤生產(chǎn)線上的工件，并將工件放置在工件盒生產(chǎn)線上對(duì)應(yīng)的工件盒小格中，完成工件分揀任務(wù)。

2.2 硬件組態(tài)

碼垛PLC、主控PLC、碼垛機(jī)變頻器及HMI等選擇帶有以太網(wǎng)接口的設(shè)備，硬件組態(tài)如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)

圖3中碼垛PLC_1和主控PLC_2選用S7-1200 PLC。該產(chǎn)品定位中低端小型PLC，適合中小型項(xiàng)目的開發(fā)與應(yīng)用，集成了PROFINET接口，可用來編程、HMI通訊及CPU間的通訊；還支持開放的以太網(wǎng)協(xié)議，可與第三方設(shè)備通訊[6-8]。

選用3臺(tái)G120變頻器實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)行走、升降、貨叉三個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)外加貨物檢測(cè)、庫位定位及安全檢測(cè)等元件完成自動(dòng)搜索和自動(dòng)出貨功能。G120變頻器采用模塊化設(shè)計(jì)，功率模塊內(nèi)置以太網(wǎng)通訊功能，可借助調(diào)試軟件Starter或操作面板模塊完成對(duì)變頻器的參數(shù)設(shè)置[9-11]。

HMI用于碼垛系統(tǒng)操作、入庫信息錄入和庫位信息監(jiān)視等功能，選用支持工業(yè)以太網(wǎng)接口的TP700智能型觸摸屏，能與各種主流PLC通訊，且人機(jī)界面友好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)[12]。

系統(tǒng)中的關(guān)節(jié)機(jī)器人和智能相機(jī)支持以太網(wǎng)通信，將設(shè)備的以太網(wǎng)接口通過交換機(jī)接入實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并作為服務(wù)器接受主控PLC的讀/寫數(shù)據(jù)訪問。

2.3 碼垛PLC與主控PLC的通信設(shè)計(jì)

S71200PLC的PN口支持Modbus TCP協(xié)議，提供“MB_CLIENT”和“MB_SERVER”兩條指令?！癕B_CLIENT”指令作為 Modbus TCP 客戶端通過 S7-1200 CPU 的 PROFINET 接口連接進(jìn)行通信，通過該指令，可以在客戶端和服務(wù)器之間建立連接、發(fā)送請(qǐng)求、接收響應(yīng)并控制 Modbus TCP 服務(wù)器的連接；“MB_SERVER”指令將處理 Modbus TCP 客戶端的連接請(qǐng)求、接收 Modbus 功能的請(qǐng)求并發(fā)送響應(yīng)。

主控PLC與碼垛PLC通信時(shí)，主控PLC作為客戶端，調(diào)用兩次“MB_CLIENT”功能塊指令，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)碼垛PLC系統(tǒng)的讀/寫功能，在讀/寫功能切換時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)是分時(shí)控制兩個(gè)功能塊[13-14]。

圖4是主控PLC的通信寫指令程序，其中192.168.8.112為碼垛PLC 的IP地址，MODBUS TCP通信端口設(shè)為502，將主控PLC數(shù)據(jù)塊DB5的內(nèi)容 寫入碼垛PLC中；圖5是碼垛PLC的通信程序，只需使用“MB_SERVER”指令，接受主控PLC的客戶端讀/寫訪問即可，并將主控PLC讀/寫的數(shù)據(jù)暫存放在數(shù)據(jù)塊DB2中。

圖4 主控PLC寫指令程序

圖5 碼垛PLC通信程序

3 按需取貨功能設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

立體倉庫在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中具有自動(dòng)出入庫、倉儲(chǔ)調(diào)度、庫存盤點(diǎn)等功能，其中自動(dòng)出入庫的一般工作流程如下[15]：

(1)操作人員事先在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中做好物料的歸類和倉儲(chǔ)位置的選擇，然后將相關(guān)指令發(fā)送給倉庫系統(tǒng)，倉庫系統(tǒng)按照指令通過搬運(yùn)和輸送設(shè)備將物料堆放到指定貨架的指定位置上實(shí)現(xiàn)物料入庫存儲(chǔ)。

(2)操作人員在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中輸入出貨任務(wù)，并發(fā)送給倉庫系統(tǒng)，倉庫系統(tǒng)自動(dòng)搜索庫位及物料信息，通過碼垛機(jī)將所需物料從庫位上取出，并由輸送設(shè)備輸送到指定位置。

(3)倉庫系統(tǒng)對(duì)物料的出入庫和庫存狀態(tài)自動(dòng)更新。

考慮實(shí)訓(xùn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及使用對(duì)象，結(jié)合實(shí)際倉庫系統(tǒng)出入庫流程和管理過程，按需取貨功能設(shè)計(jì)思路如下：

(1)立體倉庫貨物入庫時(shí)在HMI上進(jìn)行工件類型登記和錄入系統(tǒng)；

(2)在HMI界面輸入出貨工件名稱等相關(guān)數(shù)據(jù)，即輸入工件在流水生產(chǎn)線上的分揀要求；

(3)主控系統(tǒng)將本次分揀所需工件信息傳送給碼垛系統(tǒng)；

(4) 碼垛系統(tǒng)按照事先設(shè)置的庫位編碼，掃描和搜索庫位信息，得到所需工件的庫位編號(hào)并出貨，由AGV輸送到指定位置。

(5)碼垛系統(tǒng)對(duì)物料的出入庫信息和庫存狀態(tài)自動(dòng)更新。

3.2 入庫信息錄入

受實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制，庫位托盤沒有RFID或條碼等標(biāo)簽，故在HMI上設(shè)立入庫信息錄入界面，這也是立體倉庫實(shí)際應(yīng)用中的一種入庫方式。通過人工將當(dāng)前庫位的工件信息錄入系統(tǒng)中，并將入庫信息告知碼垛系統(tǒng)，便于碼垛系統(tǒng)按照需求信息自動(dòng)搜索出貨，錄入界面如圖6所示，立體倉庫有4行7列共計(jì)28個(gè)庫位，數(shù)據(jù)類型設(shè)置如圖7所示。

每個(gè)庫位數(shù)據(jù)包含gsHouseData[i]. Type和gsHouseData[i]. CatNo兩個(gè)元素。gsHouseData[i].Type用于存放庫位工件類型，gsHouseData[i].CatNo用于標(biāo)記按需出貨時(shí)的出貨順序，在出貨過程中進(jìn)行標(biāo)記和改寫。庫位信息錄入結(jié)束，單擊“錄入完成”，立體倉庫庫存信息進(jìn)入系統(tǒng)。

圖6 立體倉庫庫位信息錄入界面

圖7 庫位數(shù)據(jù)類型設(shè)置

3.3 需求信息錄入

依據(jù)工藝流程，系統(tǒng)按順序自動(dòng)完成工件出庫、輸送、識(shí)別、抓取、分揀任務(wù)，所有工序、所有設(shè)備有序配合。

如圖8所示為工件分揀任務(wù)所需工件的信息錄入界面，共計(jì)七種類型的工件。每次任務(wù)為完成三個(gè)工件盒的分類擺放，每個(gè)工件盒8個(gè)小格，每個(gè)小格可疊放兩層工件，錄入數(shù)據(jù)類型設(shè)置如圖9所示。

圖8 工件需求信息錄入

圖9 需求數(shù)據(jù)類型設(shè)置

主控系統(tǒng)將工件分揀信息寫入碼垛機(jī)器人和關(guān)節(jié)機(jī)器人。碼垛機(jī)器人按照分揀的順序和工件類型依次出庫，關(guān)節(jié)機(jī)器人按照分揀要求放置工件。

3.4 程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)

主控系統(tǒng)提取錄入工件需求信息，包括放置的位置、類型和數(shù)量。工件位置信息提供給關(guān)節(jié)機(jī)器人抓取工件并將工件放置在指定位置；工件類型和數(shù)量提供給倉庫系統(tǒng)按需出貨。由于放置多層，且在工件盒流水線上沒有設(shè)置緩沖區(qū)域，故要求倉庫系統(tǒng)按最終關(guān)節(jié)機(jī)器人放置工件的順序出貨。程序流程圖設(shè)計(jì)如圖10所示。

由流程圖可見，設(shè)計(jì)程序時(shí)要點(diǎn)如下：

(1)對(duì)倉儲(chǔ)位置編碼，倉庫系統(tǒng)采集庫存信息和工件需求(分揀)信息；

(2)倉庫系統(tǒng)掃描倉儲(chǔ)信息，當(dāng)滿足“庫位有貨”“庫位工件與需求類型一致”且“該庫位未有出貨標(biāo)記”，則標(biāo)定該庫位出貨順序；

(3)計(jì)算庫位(1-28號(hào))坐標(biāo)，碼垛機(jī)到指定出貨位置取貨，并將工件放置在AGV小車上。

(4)系統(tǒng)按需取貨動(dòng)作完成，等待下一次按需取貨指令。

圖10 按需取貨功能流程

4 結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)“按需取貨”實(shí)訓(xùn)功能按照在知識(shí)點(diǎn)上逐漸擴(kuò)展和遞進(jìn)、在功能上逐步接近實(shí)際應(yīng)用的思路開發(fā)，很好地詮釋了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用、系統(tǒng)集成及數(shù)據(jù)融合的理念，提高了實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)自動(dòng)化應(yīng)用水平，有利于學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人及與外圍設(shè)備集成應(yīng)用的控制流程的理解和邏輯思維的訓(xùn)練，學(xué)習(xí)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用逐漸貼合。

該系統(tǒng)還可做進(jìn)一步的研究和開發(fā)，例如增加立體倉庫倉儲(chǔ)系統(tǒng)IWMS，既擴(kuò)充了系統(tǒng)功能，又增加了實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的外延；可作為自動(dòng)化、機(jī)電類專業(yè)綜合學(xué)習(xí)的平臺(tái)，也可為計(jì)算機(jī)、物流類學(xué)生研究上位系統(tǒng)及倉儲(chǔ)系統(tǒng)提供應(yīng)用載體和數(shù)據(jù)平臺(tái)。該系統(tǒng)由于綜合技術(shù)強(qiáng)且貼近生產(chǎn)實(shí)際，無論是學(xué)生還是教師投入學(xué)習(xí)和研究的積極性非常高，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用類人才培養(yǎng)效果顯著，且教師執(zhí)教能力得到了明顯的提高。

[1] 辛國斌,田世宏.國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南[M].北京:電子工業(yè)出版社,2016(6)：165-169.

[2] 蔣慶斌,朱平,陳小艷，等.高職院校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)課程體系構(gòu)建的研究[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2016(29):61-64.

[3] 印松,唐矯燕.工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)[J] ,實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2016(2)：55-58.

[4] 孟明輝,周傳德，陳禮彬，等.工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)及應(yīng)用綜述[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016(7)：98-101.

[5] 胡洪鈞,謝立敏,梁曉，等.工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015(9)：201-203.

[6] 崔堅(jiān).TIA 博圖軟件-STEP7 V11編程指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012(6)：193-203.

[7] 馮博,徐淑華.SIMATIC S7-1200可編程控制器技術(shù)特點(diǎn)[J].機(jī)械與電子，2010(23)：120-121.

[8] 王兵,徐淑華.基于S7-1200PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26(2)：18-22.

[9] 華閏祺,徐海峰.SINAMICS G120變頻器的2線、3線控制[J].電氣自動(dòng)化,2013，35(5)：38-40.

[10] 趙德龍,娜仁莎,李振軍.淺談西門子SINAMICS G120系列變頻器及應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2012，42(1)：53-56.

[11] 謝宸伊,李云生,蘆光榮，等.自動(dòng)化立體倉庫控制與管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2016(8)：69-70.

[12] 昌希武,顏高彥.基于PLC控制潔凈恒溫烘柜機(jī)電一體化設(shè)計(jì)[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2013(18)：7-8.

[13] 百度文庫.基于S7-1200CPU集成 PN口的ModbusTCP通信快速入門[EB/OL].(2016-12-11)[2017-11-20].www.wenku.baidu.com.

[14] 胡孔元,朱華炳,張希杰，等.基于工業(yè)機(jī)器人的汽車齒輪軸磨削自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014(9)：97-101.

[15] 李立江,何玲,文建周，等.智能電能表智能倉儲(chǔ)和配送系統(tǒng)建設(shè)分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012，11(21)：86-87.