自動(dòng)生產(chǎn)線PLC聯(lián)合工業(yè)機(jī)器人控制設(shè)計(jì)

高 星

（杭州市臨平職業(yè)高級(jí)中學(xué)，杭州311100）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，增強(qiáng)了自動(dòng)化生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力和效率。工業(yè)機(jī)器人雖有獨(dú)立的控制器和控制系統(tǒng)，但在自動(dòng)生產(chǎn)線中只是一個(gè)執(zhí)行點(diǎn)位，生產(chǎn)線的整體配合，以及與部分機(jī)器人點(diǎn)位的配合，還是多以PLC系統(tǒng)為主[1]。因此，在以PLC為主的自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)中，在加入工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)后，如何使PLC與機(jī)器人系統(tǒng)有效配合，是目前生產(chǎn)線系統(tǒng)需要解決的問題[2]。

1 自動(dòng)化生產(chǎn)工藝流程概述

本文以某小型產(chǎn)品加工組裝的生產(chǎn)線中的某一流程為例，產(chǎn)品通過由傳送帶傳送至裝蓋區(qū)，隨后停止，待工業(yè)機(jī)器人的手爪將產(chǎn)品蓋組裝完成后，傳送帶繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，將裝蓋后的產(chǎn)品移動(dòng)至下一單元，進(jìn)行后續(xù)操作[3]。該部分操作中，帶動(dòng)傳送帶運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)由PLC控制，裝蓋區(qū)的檢測(cè)傳感器檢測(cè)信號(hào)發(fā)送至PLC的I/O端口，工業(yè)機(jī)器人手爪由獨(dú)立的機(jī)器人控制器實(shí)現(xiàn)抓取、松爪、移動(dòng)等操作。

該部分屬于自動(dòng)化生產(chǎn)線中PLC控制系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中較為常見的聯(lián)合生產(chǎn)方式，屬于較為簡(jiǎn)單的配合，具有典型性，本文以該例作為PLC與機(jī)器人聯(lián)合控制設(shè)計(jì)的案例，完成硬件系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)，并作出控制特點(diǎn)、思路設(shè)計(jì)與分析。

2 硬件系統(tǒng)構(gòu)造

在大型PLC控制系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的聯(lián)合生產(chǎn)應(yīng)用中，均是以PLC系統(tǒng)為主、機(jī)器人控制系統(tǒng)為輔。傳統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)線多以“人工-自動(dòng)生產(chǎn)線”為主，自動(dòng)生產(chǎn)線在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)由嚴(yán)格的生產(chǎn)順序和工藝要求，每個(gè)生產(chǎn)步驟可以劃分為若干個(gè)控制區(qū)域，每個(gè)區(qū)域以一個(gè)PLC為主控設(shè)備，各個(gè)區(qū)域間均以眾多的PLC之間相互通信為主。人工站位是配合生產(chǎn)中無法由機(jī)器完成的生產(chǎn)部分，人工生產(chǎn)的特點(diǎn)具有相對(duì)獨(dú)立性，但仍需要與生產(chǎn)線配合。工業(yè)機(jī)器人的引入實(shí)質(zhì)上是替代了人工站位，是對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線上的補(bǔ)充，因此也具有相對(duì)獨(dú)立性。但人和機(jī)器人系統(tǒng)在與PLC溝通方面不同，工業(yè)機(jī)器人是相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，必須與PLC系統(tǒng)建立有效聯(lián)系，因此必須構(gòu)建穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)，具體方式如圖1所示。

圖1 PLC控制系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的聯(lián)系方式

圖1，PLC以西門子S7-1200為例，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)以ABB公司的IRB-120機(jī)器人小型控制器為例，該部分結(jié)構(gòu)圖只簡(jiǎn)單描述了硬件接線情況，省略了工業(yè)機(jī)器人示教器等內(nèi)容。本部分系統(tǒng)中，以S7-1200PLC為控制核心，控制內(nèi)容分為兩部分。一部分是對(duì)生產(chǎn)線的控制，包括帶動(dòng)傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，另外還有傳送帶上待裝配區(qū)的檢測(cè)傳感器；另一部分是與工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的配合。

在第一部分中，首先PLC控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)傳感器運(yùn)轉(zhuǎn)，將上一級(jí)自動(dòng)生產(chǎn)線模塊中運(yùn)送來的物料，運(yùn)送至待裝配區(qū)；當(dāng)物料達(dá)到裝配區(qū)后，該區(qū)域內(nèi)的傳感器會(huì)檢測(cè)到物料信號(hào)，并將該電平變化的信號(hào)傳送至S7-1200的I/O端口中，根據(jù)預(yù)先編寫的控制程序，當(dāng)物料突變信號(hào)到來后，S7-1200向傳送帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出停止運(yùn)行指令，此時(shí)傳送帶停止工作。當(dāng)傳送帶完全停止后，S7-1200向工業(yè)機(jī)器人控制器的I/O端口發(fā)送指令，在接受到指令后，工業(yè)機(jī)器人控制器向IRB-120本體發(fā)送運(yùn)行指令，此時(shí)工業(yè)機(jī)器人可以根據(jù)預(yù)先編寫在示教器內(nèi)的軟件程序，完成抓取料蓋、移動(dòng)料蓋至物料上方、裝配物料蓋并松開手爪工具、移動(dòng)復(fù)位后，等待下一次抓取信號(hào)的到來。此后，有工業(yè)機(jī)器人控制器再向S7-1200發(fā)送“裝配完畢”信號(hào)，此時(shí)，S7-1200向傳送帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)送指令，使傳送帶繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，將已經(jīng)完成料蓋安裝的產(chǎn)品移送至下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并將繼續(xù)完成下一個(gè)物料的裝蓋操作，依次循環(huán)操作。

3 控制特點(diǎn)與思路設(shè)計(jì)

3.1 本系統(tǒng)控制特點(diǎn)

PLC與工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的聯(lián)合控制，大部分是以PLC為核心，通過與機(jī)器人系統(tǒng)的通信或I/O數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)控制指令的收發(fā)。目前，大型生產(chǎn)線中工業(yè)機(jī)器人控制器僅僅是對(duì)機(jī)器人本體控制，而不對(duì)生產(chǎn)線上的任何環(huán)節(jié)產(chǎn)生控制效果，所有工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線上設(shè)備的聯(lián)系，均是以PLC作為“媒介”。

3.2 聯(lián)合控制設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)是由PLC為控制核心，工業(yè)機(jī)器人配合生產(chǎn)，針對(duì)本設(shè)計(jì)，采用以下聯(lián)合控制思路（圖2）。

圖2 PLC與工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的聯(lián)合控制思路

3.3 關(guān)鍵I/O點(diǎn)位和程序流程設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，傳感器采用漫反射式光電傳感器，其輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，接入PLC的I0.0接口。傳送帶采用驅(qū)動(dòng)模塊間接控制，驅(qū)動(dòng)模塊接收PLC發(fā)出的電平變換指令即進(jìn)行工作，當(dāng)驅(qū)動(dòng)模塊接收低電平“0”時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)接收高電平時(shí)，傳送帶停止；驅(qū)動(dòng)控制端與PLC的Q0.0相接。工業(yè)機(jī)器人控制器的X3.1接線口與PLC的Q0.1相接，在示教器內(nèi)記錄為DI0；控制器的X1.1接線口與PLC的I0.1相接，用于機(jī)器人向PLC傳送工作完成信號(hào)，記錄為DO0。當(dāng)傳送帶停止后，PLC的Q0.1接口輸出高電平，此時(shí)工業(yè)機(jī)器人DI0接口電平跳變?yōu)?，然后工業(yè)機(jī)器人開始進(jìn)行裝蓋程序。當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行完畢裝蓋程序，機(jī)器人DO0向PLC發(fā)送指令1，此時(shí)PLC調(diào)動(dòng)傳送帶繼續(xù)移動(dòng)，且將Q0.1輸出更改為0。

該部分流程如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵I/O點(diǎn)位和程序流程

3.4 本系統(tǒng)控制思路與需要注意的問題

本系統(tǒng)中，以PLC為本站生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的控制核心，因此所有命令的收發(fā)、執(zhí)行，都必須是以PLC指令為主，工業(yè)機(jī)器人的控制和運(yùn)行過程中，每段指定程序的運(yùn)行都必須在PLC指令信號(hào)的指引下進(jìn)行。在沒有接到PLC的指令情況下，工業(yè)機(jī)器人本體是不允許進(jìn)行任何單獨(dú)操作的，否則會(huì)破壞生產(chǎn)線的生產(chǎn)順序流程，造成產(chǎn)品質(zhì)量問題或經(jīng)濟(jì)損失。

在建立自動(dòng)化生產(chǎn)線PLC與工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，必須對(duì)PLC的程序進(jìn)行嚴(yán)格編程與驗(yàn)證。PLC是生產(chǎn)線中某一生產(chǎn)站和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的核心，既要協(xié)調(diào)生產(chǎn)線傳動(dòng)帶、氣動(dòng)設(shè)備等執(zhí)行器的運(yùn)作，也要協(xié)調(diào)生產(chǎn)線上各傳感器信號(hào)的接收，還必須要對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行合理控制，因此PLC仍是自動(dòng)化生產(chǎn)線中重要的部分。

4 總結(jié)

工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的應(yīng)用日益增多，在焊接、噴涂、搬運(yùn)、碼垛、涂膠等等功能上應(yīng)用較多，且在化工、汽車生產(chǎn)、鑄造、醫(yī)療、食品生產(chǎn)等涉及自動(dòng)化生產(chǎn)的領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。未來，在自動(dòng)化生產(chǎn)線中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，合理架構(gòu)機(jī)器人與PLC的聯(lián)合控制體系也成為技術(shù)革新的焦點(diǎn)。成熟的PLC控制技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)聯(lián)合發(fā)展，是衡量自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)效率和生產(chǎn)規(guī)模的關(guān)鍵因素之一，因此，必須將該部分內(nèi)容作為日后研究重點(diǎn)。