基于PLC與工業(yè)機(jī)器人的搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為適應(yīng)裝備制造業(yè)發(fā)展，提高碼垛效率，設(shè)計(jì)了一種基于PLC與工業(yè)機(jī)器人的搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以優(yōu)傲協(xié)作型工業(yè)機(jī)器人和西門子S7-1500為控制核心，采用以太網(wǎng)通信，結(jié)合威綸通觸摸屏技術(shù)、變頻器技術(shù)設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人的外圍控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自動(dòng)完成機(jī)器人拾取工具、取物料、碼垛、送料等功能。采用設(shè)計(jì)的自動(dòng)化產(chǎn)線替代人工后，工作過程穩(wěn)定，不僅可以減少人工數(shù)量，提高碼垛準(zhǔn)確率到99%，工作效率也能提高40%左右。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;PLC;觸摸屏;搬運(yùn)碼垛

中圖分類號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2024）19-0016-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.004

0 引言

隨著我國(guó)智能制造行業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，越來越多行業(yè)引入了智能制造設(shè)備，而物流行業(yè)作為我國(guó)裝備制造業(yè)重要的環(huán)節(jié)也逐步引入了智能設(shè)備，其中智能制造領(lǐng)域最關(guān)鍵的技術(shù)就是工業(yè)機(jī)器人替代人工勞動(dòng)，但是現(xiàn)在我國(guó)工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用于汽車和電子物流領(lǐng)域，在醫(yī)藥、食品、飲料等物流領(lǐng)域的應(yīng)用卻很少。目前很多包裝、裝箱、物料轉(zhuǎn)運(yùn)輸送等仍然是以人力為主，這就造成了物料運(yùn)輸效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高以及生產(chǎn)效率低等問題，而自動(dòng)化產(chǎn)線設(shè)備的改造及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用能很好地解決以上問題，因此搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線升級(jí)改造對(duì)于搬運(yùn)物流行業(yè)來說十分必要[1]。

本文設(shè)計(jì)了一套搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線，以優(yōu)傲協(xié)作機(jī)器人為工作主體，以PLC為核心控制器，將機(jī)器人與輸送單元、碼垛單元、安全保護(hù)單元、總控單元等外圍模塊集成在一起，并考慮生產(chǎn)節(jié)拍、工作效率等因素，完成自動(dòng)化生產(chǎn)線總體布局、裝備布局，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行功能配置和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)碼垛的無人化工作，可以為不同場(chǎng)景的搬運(yùn)、碼垛功能實(shí)現(xiàn)提供思路，使搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線更加智能化、輕量化和高效化。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線由6軸工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)輸送系統(tǒng)、碼垛托盤、末端手爪、PLC與控制柜、電腦工作臺(tái)、大屏顯示系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置等外圍設(shè)備硬件系統(tǒng)組成。利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)搬運(yùn)和碼垛任務(wù)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種垛形的碼放，還配置了自動(dòng)稱重、貼標(biāo)簽、檢測(cè)及通信系統(tǒng)，并與生產(chǎn)控制系統(tǒng)相連接，以形成一個(gè)完整的集成化自動(dòng)生產(chǎn)線。根據(jù)搬運(yùn)碼垛工作現(xiàn)場(chǎng)的需求，自動(dòng)化產(chǎn)線的布局如圖1所示。

1.1 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

在搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線中，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)、碼垛、換手爪的操作。通過示教編程、與PLC通信來保證各功能的實(shí)現(xiàn)[2]。

1.2 輸送單元

包含兩組直線滾筒輸送機(jī)和兩組90°轉(zhuǎn)彎輸送機(jī)，組成U型輸送線，實(shí)現(xiàn)單線單垛循環(huán)輸送拆碼垛。整條輸送線由4個(gè)三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)配有一個(gè)變頻器進(jìn)行運(yùn)輸速度調(diào)節(jié)。輸送系統(tǒng)配套定位傳感器，可對(duì)工件位置進(jìn)行檢測(cè)和啟?？刂?，輸送線上和末端均設(shè)置有限位裝置，精確控制工件在輸送線上的位置和到位檢測(cè)處理。

1.3 夾具換裝單元

由靜音氣泵、真空發(fā)生器、工具快換接頭、吸盤抓手、三爪氣爪、工具支架等機(jī)構(gòu)組成。工具快換接頭可以連接吸盤抓手、三爪氣爪兩種工具進(jìn)行功能性操作。吸盤抓手上裝有真空吸盤和氣動(dòng)對(duì)接裝置，真空吸盤的吸放由機(jī)器人控制，可以隨工業(yè)機(jī)器人末端手腕移動(dòng)，吸取機(jī)器人末端工作范圍內(nèi)的工件。氣爪用來實(shí)現(xiàn)圓柱工件的抓取、放置，由機(jī)器人信號(hào)控制氣爪張開與閉合。工具支架安裝在工具臺(tái)上，用于機(jī)器人自動(dòng)放置和取用不同的末端工具[3]。

1.4 電氣控制柜

用于控制工作站各單元之間的配合，包含PLC、變頻器、電源、數(shù)據(jù)信號(hào)線路、繼電器、觸摸屏等電氣部件，在觸摸屏上，可直觀監(jiān)控工作站狀況和參數(shù)，并隨時(shí)提取動(dòng)作記錄。對(duì)每種工件都可方便地設(shè)定工作程序，工作程序可進(jìn)行儲(chǔ)存并被隨時(shí)調(diào)用;工作時(shí)按操作者選用的程序完成工件的自動(dòng)運(yùn)行。在運(yùn)行中，可人為干預(yù)，中途因故停止后，智能處理后繼續(xù)運(yùn)行。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線控制系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人、PLC、觸摸屏、變頻器、繼電器、開關(guān)電源、光電開關(guān)、光柵和電機(jī)等，其硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 工業(yè)機(jī)器人

生產(chǎn)線采用了優(yōu)傲UR10協(xié)作型工業(yè)機(jī)器人，優(yōu)傲UR10容易編程，設(shè)置快捷，具備協(xié)作性與安全性及更高的精確性和可靠性，能自動(dòng)處理重量達(dá)10 kg的流程和作業(yè)。其控制器如圖3所示。

2.2 PLC

考慮到電磁兼容性、抗沖擊和振動(dòng)能力以及較強(qiáng)的工業(yè)適應(yīng)性等功能需求，搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線選用的PLC為SIMATIC S7-1500，具體的CPU型號(hào)為CPU 1511-1 PN。CPU 1511-1 PN帶有一個(gè)雙端口接口，其中PROFINET接口除了PROFINET基本功能，還支持PROFINET IO RT（實(shí)時(shí)）和IRT（等時(shí)同步實(shí)時(shí)）功能，可以實(shí)現(xiàn)與觸摸屏和優(yōu)傲機(jī)器人的數(shù)據(jù)通信。

2.3 觸摸屏

選用的觸摸屏型號(hào)為威綸通MT8121iE。MT8121iE人機(jī)界面已經(jīng)通過測(cè)試，證明符合歐盟CE電氣認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)。此外，應(yīng)保證布線和接地方式正確，以確保該產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)可抵抗電氣噪聲的干擾。

2.4 變頻器

選用的變頻器型號(hào)為施耐德ATV310。施耐德ATV310變頻器緊湊的結(jié)構(gòu)、超凡的性能特別適用于中國(guó)市場(chǎng)通用工業(yè)機(jī)械設(shè)備。

2.5 安全光柵

選用的安全光柵為臺(tái)禾安全光柵，主要包括發(fā)射器、接收器、供電線及對(duì)接線。安全光柵是光電傳感器的一種，但其檢測(cè)范圍要比簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)光電傳感器大得多，可以有效避免設(shè)備工作過程中的危險(xiǎn)，提高安全系數(shù)。

2.6 快換裝置

選用的快換裝置為博澤快換盤。工具自動(dòng)快換使得機(jī)器人在不需要人為干預(yù)的情況下，就可自動(dòng)根據(jù)工作需求更換末端工具，更好地完成自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了設(shè)備的柔性?？鞊Q裝置包括固定在機(jī)器人手腕末端法蘭盤的固定端，以及可以隨時(shí)更換的工具端，如圖4所示，兩者的接口是通用的，可以通過氣動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)工具端的夾緊和松開，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換工具。

3 控制系統(tǒng)的編程與調(diào)試

根據(jù)產(chǎn)線的工作要求，完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)工作流程控制，其控制原理為：工作人員在觸摸屏上選擇碼垛方式，PLC結(jié)合觸摸屏的碼垛方式及稱重傳感器傳回的物重信息，自行判斷垛形及位置，當(dāng)傳送帶起始端傳感器檢測(cè)到物料信息后，啟動(dòng)傳送帶運(yùn)送物料，傳送帶各個(gè)位置的傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料的位置并在觸摸屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，機(jī)器人根據(jù)PLC給的信號(hào)抓取所需工具，當(dāng)傳感器檢測(cè)到物料到達(dá)指定位置時(shí)，機(jī)器人到達(dá)預(yù)設(shè)位置拾取物料，根據(jù)判斷的垛形進(jìn)行碼垛或裝箱等工作，碼垛完成后機(jī)器人給PLC發(fā)送一個(gè)完成信號(hào)，為下一輪工作任務(wù)做好準(zhǔn)備。

整個(gè)控制系統(tǒng)的開發(fā)包括PLC程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人程序的設(shè)計(jì)及觸摸屏界面的編寫。三種程序都采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)單獨(dú)的小功能，再編寫總程序?qū)⒏鱾€(gè)模塊整合串接，最終實(shí)現(xiàn)整體的控制。

3.1 PLC控制程序

PLC控制程序包括系統(tǒng)初始化子程序、通信子程序、手動(dòng)調(diào)試子程序、自動(dòng)運(yùn)行子程序及I/O映射子程序。

初始化程序：當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)或第一次上電時(shí)，所有氣缸復(fù)位，機(jī)器人回到home點(diǎn)，送料機(jī)構(gòu)停止送料，碼垛或拆垛方式選擇復(fù)位清零，報(bào)警信息清零。

通信子程序：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與PLC之間信號(hào)的傳遞，包括運(yùn)輸?shù)轿?、搬運(yùn)完成、急停、碼垛程序選擇等信號(hào)。實(shí)現(xiàn)觸摸屏和PLC之間的信號(hào)傳遞，包括碼垛方式的選擇、垛形的選擇、物料運(yùn)動(dòng)的位置等信號(hào)。

手動(dòng)調(diào)試子程序：?jiǎn)为?dú)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能，傳送帶的正反轉(zhuǎn)，點(diǎn)動(dòng)控制，傳送帶完整運(yùn)輸一個(gè)物料的程序，機(jī)器人更換工具的程序;單獨(dú)實(shí)現(xiàn)某種垛形的碼垛程序，系統(tǒng)急停、暫定、繼續(xù)運(yùn)行的程序，為整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行和測(cè)試打好基礎(chǔ)。

自動(dòng)運(yùn)行子程序：PLC根據(jù)觸摸屏的選擇及傳感器傳回的信號(hào)進(jìn)行判斷選擇，告訴機(jī)器人執(zhí)行哪個(gè)子程序，同時(shí)在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部信號(hào)，控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

I/O映射子程序：將傳感器、機(jī)器人等信號(hào)進(jìn)行映射，最終在觸摸屏上以指示燈、報(bào)警信息等方式顯示出來。

3.2 機(jī)器人控制程序

程序主要針對(duì)機(jī)器人搬運(yùn)碼垛應(yīng)用。程序主要分為兩個(gè)部分：一是實(shí)現(xiàn)物料裝箱及不同垛形的碼放，二是通過機(jī)器人工具末端工具的更換實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種不同類型物料的碼放。主要流程如圖5所示。

機(jī)器人程序主要包括初始化程序、更換手爪子程序、取料子程序、放料子程序，及能夠?qū)崿F(xiàn)兩種不同碼垛功能的子程序。

初始化程序中，機(jī)器人先讀取當(dāng)前位置信息與home位置進(jìn)行比較（若機(jī)器人已在home位置，則繼續(xù)執(zhí)行后面的程序，并輸出信號(hào)復(fù)位指令;若機(jī)器人不在home位置，機(jī)器人工具點(diǎn)先向上移動(dòng)至安全高度，然后回到home位置）。機(jī)器人回到home位置后，對(duì)機(jī)器人末端是否安裝手爪進(jìn)行判斷，若裝有手爪則需要自動(dòng)放下，保證工作站的初始狀態(tài)，避免與后續(xù)程序發(fā)生干涉。

機(jī)器人主程序啟動(dòng)通過外部控制柜旋鈕開關(guān)的信號(hào)輸入控制，根據(jù)觸摸屏的參數(shù)選擇判斷將要調(diào)用的子程序。子程序1代表單獨(dú)對(duì)矩形物料的搬運(yùn)碼垛過程，無工具更換部分，根據(jù)重量傳感器判斷兩種垛形的變換。子程序2代表對(duì)兩種不同類型物料的裝箱碼垛過程，先完成箱體的碼垛，更換工具完成裝箱后，再繼續(xù)更換工具完成第二個(gè)箱體的碼垛，再完成裝箱，依此類推，直至完成所有箱體的碼垛及裝箱工作。

3.3 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

如圖6所示，自動(dòng)化產(chǎn)線程序控制界面主要分為四個(gè)窗口：碼垛主窗口、手動(dòng)調(diào)試窗口、產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)窗口和報(bào)警信息窗口。其中碼垛主窗口可以進(jìn)行產(chǎn)線運(yùn)行、停止、暫停及待命狀態(tài)的監(jiān)視，也可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制手爪開合及快換接口的開合。手動(dòng)調(diào)試窗口可以實(shí)現(xiàn)4臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)手動(dòng)測(cè)試，以及8路輸入/輸出的顯示及控制。產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)窗口可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行過程中各個(gè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及物料運(yùn)行位置的監(jiān)視。報(bào)警信息窗口在產(chǎn)線運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)或按下急停按鈕后，可以顯示具體的報(bào)警信息，操作員可以根據(jù)報(bào)警信息解決故障。

4 產(chǎn)線應(yīng)用與分析

搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用西門子S7-1500作為控制器，將優(yōu)傲機(jī)器人、自動(dòng)輸送系統(tǒng)、快換單元以及倉儲(chǔ)單元等集成在一起，調(diào)試完成后在某物流公司進(jìn)行了碼垛測(cè)試。該公司原來采用人工搬運(yùn)碼垛，一天能碼垛1 350～1 500盒，同時(shí)，由于工人連續(xù)工作身體疲勞，碼垛出錯(cuò)率達(dá)3%～5%。而采用自動(dòng)化產(chǎn)線替代人工后，工作過程穩(wěn)定，不僅可以減少人工數(shù)量，提高碼垛準(zhǔn)確率到99%，工作效率也能提高40%左右。

5 結(jié)束語

為了解決我國(guó)目前物流行業(yè)智能化、自動(dòng)化程度不高等問題，本文以優(yōu)傲協(xié)作型工業(yè)機(jī)器人為主體，西門子S7-1500為核心控制器，通過以太網(wǎng)通信將工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)輸送系統(tǒng)、碼垛托盤、快換單元、安全防護(hù)裝置等集成在一起，完成了搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試，能夠完成不同物料的裝箱及碼垛工作，準(zhǔn)確率達(dá)99%。經(jīng)過企業(yè)實(shí)際測(cè)試，搬運(yùn)碼垛自動(dòng)化產(chǎn)線控制系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，工作速度快且穩(wěn)定，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，該產(chǎn)線可通過自行編程實(shí)現(xiàn)多種垛形的編程，且外圍設(shè)備豐富，可控性、柔性較高，可以為企業(yè)設(shè)備升級(jí)改造提供后續(xù)支持。

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收稿日期：2024-07-01

作者簡(jiǎn)介：史喆瓊（1989—），女，山西晉中人，碩士研究生，講師，研究方向：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及機(jī)電一體化技術(shù)。