PLC在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙 勇 ， 李 洋

（1.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺 054000；2.河北省中小型非標(biāo)裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邢臺 054000）

目前，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在不同生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了普及，成為提升企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)質(zhì)量和效率的關(guān)鍵構(gòu)成部分。但考慮到當(dāng)前市場中不同消費(fèi)者的需求更加地多元化，因此，工業(yè)生產(chǎn)的整體功能和生產(chǎn)的產(chǎn)品也開始朝著更加復(fù)雜多樣的方向發(fā)展。為了能夠適應(yīng)我國工業(yè)建設(shè)和發(fā)展的新需求，需要通過進(jìn)一步優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人的性能，不斷提高工業(yè)機(jī)器人的整體應(yīng)用質(zhì)量。而可編程邏輯控制器是工業(yè)機(jī)器人中核心的控制部件，通過優(yōu)化其設(shè)計(jì)方案，能夠推動我國工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的前行與發(fā)展。

1 總體布局

在現(xiàn)代信息技術(shù)以及通信技術(shù)迅猛發(fā)展的時代背景下，越來越多的前沿科學(xué)技術(shù)被應(yīng)用到了我國工業(yè)生產(chǎn)過程中，并徹底轉(zhuǎn)變了人們的工業(yè)生產(chǎn)方式。尤其是在人工智能技術(shù)跨越性發(fā)展的條件下，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該項(xiàng)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的實(shí)踐應(yīng)用，能夠有效地提升生產(chǎn)全過程的效率和整體質(zhì)量。其中，可編程邏輯控制器是控制工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)最有效的核心點(diǎn)。在整個工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)組織框架上，主要是基于PLC控制模式展開設(shè)計(jì)工作，系統(tǒng)的硬件構(gòu)架以及設(shè)計(jì)方法極為復(fù)雜，涵蓋的內(nèi)容也較為細(xì)致。該系統(tǒng)在運(yùn)作過程中，主要包含監(jiān)控模塊、PLC核心控制模塊、工業(yè)機(jī)器人控制模塊以及上位機(jī)控制模塊等。

這些模塊之間通過以太網(wǎng)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(tǒng)框架中，上位機(jī)的任務(wù)主要是將節(jié)點(diǎn)監(jiān)視的視覺信息傳遞到PLC編程器中，然后再借助相關(guān)的控制系統(tǒng)，針對工業(yè)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的各類型數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行動態(tài)化的監(jiān)督。而通過PLC控制模塊，就可以向上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的生產(chǎn)指令，并且判斷該生產(chǎn)信息在發(fā)出之后是否獲得了節(jié)點(diǎn)機(jī)器人給出的反饋。工業(yè)機(jī)器人模塊在運(yùn)作過程中需要與專業(yè)的控制系統(tǒng)進(jìn)行相互銜接，通過以太網(wǎng)展開信息交互工作。從總體上來看，工業(yè)機(jī)器人可以在PLC的總控制背景下實(shí)現(xiàn)機(jī)器鏈條上不同環(huán)節(jié)的伺服控制功能以及抓手控制功能等。此外，該系統(tǒng)內(nèi)部還專門設(shè)計(jì)了關(guān)于視覺檢測的功能模塊，該功能模塊所配備的傳感器設(shè)備能夠區(qū)分工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中的不同物料或放置的不同位置，在接收到上位機(jī)下達(dá)的指令之后，視覺系統(tǒng)就需要根據(jù)其中給出的關(guān)鍵信息，將數(shù)據(jù)上傳到檢測系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的挖掘，最終將分析出的數(shù)據(jù)結(jié)果再傳回到上位機(jī)系統(tǒng)。

2 PLC模塊硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 硬件的選擇

考慮到PLC作為機(jī)器人系統(tǒng)的核心控制點(diǎn)，功能模塊的設(shè)置和選擇需要以工廠的生產(chǎn)需求為目標(biāo)，因此，在硬件選擇方面應(yīng)當(dāng)著重關(guān)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(tǒng)主要運(yùn)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(jìn)一步考慮到PLC輸入以及輸出系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所接收的數(shù)據(jù)信息量規(guī)模相對較為龐大，并且通常情況下，PLC系統(tǒng)自身攜帶的輸入以及輸出轉(zhuǎn)接口在工作過程中無法滿足工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)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(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)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(tǒng)的整體匹配運(yùn)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(tǒng)。還需要以輸入過程中需求的點(diǎn)數(shù)作為輸入模塊參數(shù)的判決標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)10%~15%的余量設(shè)計(jì)要求，最終認(rèn)定輸入以及輸出模塊可允許通過的節(jié)點(diǎn)數(shù)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(nèi)系統(tǒng)在擴(kuò)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(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)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(jù)整個系統(tǒng)控制和運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際要求，系統(tǒng)中可以選擇設(shè)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(jī)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(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)。在傳感器的型號選擇方面，也需要貼合工廠生產(chǎn)的實(shí)際要求。

2.2 上料機(jī)部分的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

上料機(jī)部分的設(shè)計(jì)主要包含了限位開關(guān)、局部傳感器、儲料倉、傳送帶四大模塊。其中，限位開關(guān)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?qū)崟r地監(jiān)測物料在整個運(yùn)輸過程中的位置變化情況。儲料倉分別對應(yīng)著規(guī)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(chǎn)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(yīng)。而傳送系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)針對這些物料的傳送，將這些物料送達(dá)到指定的位置[1]。

2.3 物料定點(diǎn)分類放置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

在整個系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，假設(shè)該工廠生產(chǎn)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(diǎn)分類的放置就可以選擇三層構(gòu)架，其中，最底層的第一層構(gòu)架可以放置圓形的物料，中間一層為正方形物料的存放區(qū)域，最頂層為長方形物料的存放區(qū)域。每一層物料的存放點(diǎn)都需要額外設(shè)置光電傳感設(shè)備，在分類放置的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，最為常見的設(shè)計(jì)方案主要包括兩種類型。第一種類型是通過采用機(jī)械手臂直接針對物料當(dāng)前所處的空間位置進(jìn)行識別，然后將具體的數(shù)據(jù)上傳到后臺控制中心，并且針對該坐標(biāo)進(jìn)行存儲。第二種設(shè)計(jì)方案就是通過定位點(diǎn)以及偏移量相互協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)方案，計(jì)算物料所在的坐標(biāo)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(biāo)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(yīng)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(biāo)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲，會導(dǎo)致PLC系統(tǒng)中的空間被大量占用，這也在一定程度上增加了相應(yīng)的空間成本。后者相對來說，在計(jì)算過程中的精確度偏低，但是在空間中存儲的坐標(biāo)量相對較少[2]。

3 工業(yè)機(jī)器人模塊硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 機(jī)器人型號的選擇

考慮到PLC控制系統(tǒng)整體的應(yīng)用功能和模塊較為多元，因此在機(jī)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(jī)器人在應(yīng)用過程中的性能以及工廠的生產(chǎn)需求即可，最好可以選擇一些結(jié)構(gòu)層級較為簡潔、經(jīng)濟(jì)適用性相對較強(qiáng)的機(jī)器人。在本次的研究工作中，就選擇了HSR-IR605型號的機(jī)器人，該機(jī)器人在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的最大負(fù)載量能夠達(dá)到5 kg，其自身的重量大約為55 kg，在生產(chǎn)過程中最大的功能半徑達(dá)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(guī)格基本能夠滿足該工廠生產(chǎn)的性能需求[3]。

3.2 機(jī)器人控制器的選擇

為了確保機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的整體性能，通常情況下，控制設(shè)備可以選擇專用的控制器，針對系統(tǒng)運(yùn)作點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。專用控制器能夠協(xié)調(diào)機(jī)器人系統(tǒng)不同傳輸系統(tǒng)的運(yùn)動速度和范圍，同時還能夠強(qiáng)化機(jī)器人以及PLC控制系統(tǒng)之間的信息交流，基本能夠滿足機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)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(tǒng)設(shè)計(jì)過程中采用了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，也被稱為IPC。IPC是目前工業(yè)生產(chǎn)過程中最為常見的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有體積較為微小的特性，在具體的運(yùn)作過程中功能也相對較為強(qiáng)大。IPC目前可以被分為可識別數(shù)據(jù)傳輸以及控制指令兩大工作情況，還可以為傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)銜接和傳輸?shù)耐ǖ溃瑢τ谝恍┹^為復(fù)雜的工作器具有極為強(qiáng)大的適應(yīng)能力。在設(shè)計(jì)框架中，可以借助IPC控制器實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人系統(tǒng)以及PLC系統(tǒng)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(nèi)抓取其中的邏輯。該裝置采用的是開放式的系統(tǒng)構(gòu)架，控制系統(tǒng)為Linux，可以共同提供視頻圖形列陣、RS232總線接口列陣、局域網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架等接口，具有良好的普適性[4]。

3.3 機(jī)器人抓手設(shè)計(jì)方案及其應(yīng)用

抓手設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是考驗(yàn)機(jī)器人應(yīng)用性能最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，抓手的頂端位置需要與法蘭接口之間銜接。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，抓手功能的輸出需要由機(jī)器人控制氣缸完成運(yùn)行。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人在接收到PLC控制系統(tǒng)發(fā)出的指令之后，就需要進(jìn)行物料輸送，并且確定當(dāng)前物料的空間位置以及抓取位置的坐標(biāo)信息，在抓手已經(jīng)運(yùn)動到當(dāng)下位置時，氣缸就會快速地補(bǔ)充氣體并通過吸盤吸取物料，此時，傳感器設(shè)備會讀取物料是否已經(jīng)被吸入的信息。在確定物料已經(jīng)被吸入之后，抓手就會攜帶物料抵達(dá)到指定的位置坐標(biāo)，此時，控制系統(tǒng)就會為氣缸發(fā)出松氣指令，吸盤松動之后可以將物料放下，然后再進(jìn)行第二次的識別和操作。在放置工作結(jié)束之后，傳感器就會將信號發(fā)送到控制器系統(tǒng)中，然后由控制器系統(tǒng)將整個信息反饋到PLC系統(tǒng)，在操作完畢之后，機(jī)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(jī)器人的不同運(yùn)動關(guān)節(jié)都可以采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，并且為其提供相應(yīng)的運(yùn)動電力。通常情況下，電機(jī)驅(qū)動模式在運(yùn)動過程中具有精準(zhǔn)度相對較高、效率較高等優(yōu)勢。因此，電機(jī)控制也在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了普及，在設(shè)計(jì)過程中，需要采用伺服控制系統(tǒng)控制電動機(jī)驅(qū)動整個機(jī)器人的運(yùn)動過程，為機(jī)器人的運(yùn)動提供充足的電力能源。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了RC6伺服電機(jī)，該伺服電機(jī)的型號基本可以滿足以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芤?，同時在工作現(xiàn)場還具有開放式的協(xié)議接入功能，能夠與多種編碼器之間相互協(xié)作，共同完成數(shù)據(jù)接口的搭建[6]。

4 視覺檢測模塊硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用

視覺檢測模塊是機(jī)器人針對物料展開分類存儲和位置控制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，視覺模塊的識別功能對于機(jī)器人的運(yùn)作性能會產(chǎn)生直接影響。

4.1 相機(jī)的選擇

考慮到不同底片的材質(zhì)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(jī)大致分為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體相機(jī)以及電荷耦合器件相機(jī)兩大類型[7]。其中，電荷耦合器件相機(jī)也被稱為CCD相機(jī)，這種相機(jī)的反應(yīng)速度相對較快，并且在拍攝的一瞬間還能夠規(guī)避噪聲，在持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，所需要的能源支持量相對較少，可以在復(fù)雜的環(huán)境中長時間地操作。相比較而言，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體相機(jī)的集成化水平相對較高，運(yùn)動過程中的速度極快，還具有光學(xué)自動檢測的功能，可以對機(jī)器人視覺的局部空間進(jìn)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(jī)的成本投入相對較高，因此，大多數(shù)工廠的工業(yè)機(jī)器人還是希望能夠選擇一些運(yùn)行性能穩(wěn)定且可以長期應(yīng)用的相機(jī)類型。本次系統(tǒng)中就選擇采用了CCD相機(jī)，著重考慮CCD相機(jī)的能源消耗量小以及運(yùn)行時間較長的優(yōu)勢[8]。

4.2 相機(jī)光源的設(shè)定

通常情況下，相機(jī)光源設(shè)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(yīng)用過程中的反應(yīng)速度極快，在運(yùn)行期間，基本上不會產(chǎn)生任何的熱量。本次系統(tǒng)就選擇采用了LED光源，還響應(yīng)了國家節(jié)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(dāng)相機(jī)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(tǒng)，而針對數(shù)據(jù)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(fā)送到非上位機(jī)的視覺檢測軟件中，最終測定檢測的結(jié)果以及相關(guān)的信號，再由PLC控制系統(tǒng)控制機(jī)器人運(yùn)動，從而完成整個視覺信息的采集及融合應(yīng)用過程。在系統(tǒng)運(yùn)作的期間，視覺系統(tǒng)會直接接收到上位機(jī)所發(fā)送的啟動信號，當(dāng)信號被系統(tǒng)完全識別之后，相機(jī)系統(tǒng)就可以將采集到的各類型圖像信息進(jìn)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(guī)格等相關(guān)數(shù)據(jù)并將其上傳到主控上位機(jī)，主控上位機(jī)再將搜集到的資料信息傳遞給PLC系統(tǒng)，通過系統(tǒng)之間的信息交互就能夠完成物料信息的傳遞[10]。

5 軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用

5.1 主控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用

為了能夠有效地實(shí)現(xiàn)PLC控制工業(yè)機(jī)器人的多方面功能，在軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，操作設(shè)計(jì)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(huán)節(jié)之后，才能進(jìn)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(tǒng)上自行設(shè)置選擇需要上料的料倉[11]。

5.2 機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)

5.2.1 機(jī)器人寄存器的軟件設(shè)計(jì)

從功能上來看，寄存器在應(yīng)用過程中，必須要具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲能力以及邏輯運(yùn)算能力，這樣才能夠有效地識別相關(guān)的空間位置數(shù)據(jù)信息，從而完成對于機(jī)械手臂正確的軌道指引工作。因此，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中應(yīng)當(dāng)選擇連接寄存器中的存儲工業(yè)機(jī)器人位置數(shù)據(jù)[12]。

5.2.2 機(jī)器人程序的設(shè)計(jì)

機(jī)器人程序的設(shè)計(jì)又可以被分為主程序設(shè)計(jì)以及執(zhí)行程序設(shè)計(jì)兩大模塊。其中，主程序設(shè)計(jì)大致可以分為兩大步驟，通過與對應(yīng)的服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)信號綁定，將機(jī)器人的手臂按照位置回歸原點(diǎn)，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(dāng)程序在執(zhí)行任務(wù)完成之后，需要返回到機(jī)器人原點(diǎn)展開解綁工作才能結(jié)束整個操作程序[13]。機(jī)器人的執(zhí)行程序主要是指工業(yè)機(jī)器人在工作過程中需要完成的具體情景任務(wù)，比方說將物料運(yùn)送到具體的位置然后放下。在執(zhí)行整個操作的過程中，首先需要PLC控制系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)的指令，然后機(jī)械手臂才能夠抵達(dá)取料點(diǎn)并產(chǎn)生延時，做好充分吸取物料的準(zhǔn)備。當(dāng)物料吸取結(jié)束之后，傳感器需要判斷物料是否已經(jīng)被機(jī)械手臂夾緊，然后原路返回。當(dāng)機(jī)械手臂返回到預(yù)備放料點(diǎn)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(jié)語

綜上所述，PLC在我國工業(yè)機(jī)器人控制領(lǐng)域中具有極為廣闊的應(yīng)用前景[15-16]。在PLC可編程控制器的助力下，機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)作過程中能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)輸和傳達(dá)等功能[17-18]。因此，在可編程控制器的設(shè)計(jì)過程中，需要通過了解工廠在生產(chǎn)過程中的具體需求，才能結(jié)合相應(yīng)的軟件以及硬件設(shè)計(jì)方案，通過不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化工業(yè)機(jī)器人的整體操作以及控制性能，進(jìn)一步提升操作以及控制的效率和精確性，為提升我國工業(yè)生產(chǎn)的整體質(zhì)量提供助力。