印 松， 唐矯燕

(上海電機學(xué)院 機械學(xué)院，上海 200245)

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工業(yè)機器人綜合訓(xùn)練平臺

印 松， 唐矯燕

(上海電機學(xué)院 機械學(xué)院，上海 200245)

為了適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，開發(fā)了一套貼近工程實際的工業(yè)機器人綜合訓(xùn)練平臺。該平臺硬件包括基于三菱PLC和觸摸屏的控制板和FANUC機器人?？刂瓢遄鳛樯蠈友b置，提供人機交互界面，啟動機器人運動程序并對機器人狀態(tài)進行監(jiān)控。機器人作為下層裝置，執(zhí)行指定的作業(yè)。控制板與機器人之間的通信提供并行IO和CCLINK總線兩種可選方式?；谠撈脚_，學(xué)生可以選用合適的機器人末端執(zhí)行器，連接機器人與PLC的通信線路和氣動回路，編寫機器人和PLC程序，設(shè)計人機交互界面以完成機器人訓(xùn)練任務(wù)。經(jīng)過多班次的實踐表明，該平臺能夠充分調(diào)動學(xué)生參與的積極性，取得了良好的教學(xué)效果。

工業(yè)機器人； 綜合訓(xùn)練； 可編程控制器； 人機交互界面

0 引 言

工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進技術(shù)于一體的自動化裝備。推進工業(yè)機器人的應(yīng)用和發(fā)展，對于改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，帶動相關(guān)學(xué)科發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新能力提升，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和工業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義[1]。世界機器人聯(lián)合會(IFR)認為中國是工業(yè)機器人市場增長最快的國家之一，數(shù)據(jù)表明，到2015年，我國將成為全球規(guī)模最大的機器人市場[2]。工業(yè)機器人的大量應(yīng)用必然面臨相關(guān)人才短缺的問題，包括機器人操作與維護類人才和機器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用類人才。

目前，國內(nèi)高校所開設(shè)的機器人實踐課程主要針對非工業(yè)用機器人，或僅著眼于工業(yè)機器人的認知及示教編程，缺少工業(yè)機器人工程應(yīng)用相關(guān)實踐課程及實踐平臺，遠遠滿足不了社會對相關(guān)技術(shù)人才培養(yǎng)的需求[3-7]。為了緊跟工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用的時代步伐，同時探索適合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)方法和手段，我校機械電子工程專業(yè)較早開設(shè)了“機器人學(xué)”和“工業(yè)機器人技術(shù)與應(yīng)用”兩門理論課和具有工程性、綜合性和實踐性特點的“工業(yè)機器人項目綜合訓(xùn)練”實踐課，并基于FANUC機器人和PLC控制板搭建了工業(yè)機器人綜合訓(xùn)練平臺[8]?；谠撈脚_，學(xué)生可以綜合利用所學(xué)得的相關(guān)理論知識，自己設(shè)計并動手完成指定的機器人訓(xùn)練任務(wù)，達到其工程實踐能力鍛煉和工程素養(yǎng)培養(yǎng)的目的。

1 總體方案

1.1 設(shè)計思路

搭建機器人綜合訓(xùn)練平臺是為了讓學(xué)生了解和學(xué)習(xí)工業(yè)機器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用技術(shù)，通過完成一個完整的機器人應(yīng)用項目，達到工程實踐能力和工程素養(yǎng)培養(yǎng)的目的。為了提高訓(xùn)練的有效性，增強學(xué)生參與的積極性，課程從項目選定、平臺搭建以及元器件的選擇等方面來保證機器人綜合訓(xùn)練更加接近于工程實際?；驹O(shè)計思路是提供一個訓(xùn)練平臺，學(xué)生可以在這之上自主設(shè)計、動手搭建一個可以控制機器人自動運行的應(yīng)用系統(tǒng)，以便完成所設(shè)定的工件搬運任務(wù)。

1.2 平臺組成

本課程所采用的機器人應(yīng)用系統(tǒng)如圖1所示。根據(jù)所給出的機器人訓(xùn)練任務(wù)，進行方案設(shè)計，采用Roboguide軟件對任務(wù)進行仿真和離線編程，制定機器人與PLC通訊的IO分配表，選擇合適的末端執(zhí)行器，動手搭建對應(yīng)的氣動回路，連接機器人與PLC通信線路，編寫機器人和PLC程序，設(shè)計觸摸屏界面，完成機器人訓(xùn)練任務(wù)。

圖1 機器人綜合訓(xùn)練平臺組成

2 訓(xùn)練平臺的實現(xiàn)

機器人訓(xùn)練平臺實物如圖2所示。該平臺包括一臺FANUC機器人；一套包含威綸觸摸屏和三菱FX3GA系列PLC的控制臺；一套氣動末端執(zhí)行器等。PLC控制臺提供人機交互接口，控制機器人自動運行完成工件搬運作業(yè)，并對實時狀態(tài)進行監(jiān)控。

圖2 機器人訓(xùn)練平臺

2.1 FANUC機器人

FANUC機器人是工件搬運作業(yè)的主體，可通過示教的方式完成機器人編程。所編寫的機器人程序可在示教器上啟動運行，然而工程應(yīng)用中，往往希望機器人能夠在滿足某些條件的情況下，通過外部控制實現(xiàn)自動運行。FANUC機器人自動運行有RSR和PNS兩種方式，其中多采用PNS方式。采用PNS方式時，其程序命名規(guī)則和調(diào)用時序如圖3、4所示。其中CMDENBL，SNO1-8，SNACK，PROGRUN為機器人系統(tǒng)輸出信號(UO)，PNS1-8，PNSTROBE， PROD_START為系統(tǒng)輸入信號(UI)[9]。

圖3 PNS程序命名規(guī)則

圖4 PNS程序調(diào)用時序

2.2 PLC

訓(xùn)練平臺所采用的三菱FX3GA-24MR PLC帶有14個輸入口和10個輸出口，輸出方式為繼電器輸出。當(dāng)PLC的S/S端口連接0 V或24 V時，可方便實現(xiàn)源型輸入或漏型輸入[10]。

2.3 信息交互

機器人需通過IO口與外圍設(shè)備通訊。機器人綜合訓(xùn)練采用并行IO和CC-LINK總線兩種通訊方式。

(1) 并行IO。并行IO采用點對點的通訊方式，一個機器人IO對應(yīng)一個PLC輸入輸出端口，定義清晰，易于理解，但線路連接復(fù)雜，不適合于多機通訊，在工業(yè)現(xiàn)場，尤其是需遠距離通訊的場合難于實現(xiàn)。圖5為采用CRMA15/16主板時，機器人與外圍設(shè)備輸入輸出信號連接[11]。由此可見，當(dāng)機器人的輸出接入PLC時，PLC端應(yīng)采用漏型輸入的接線方式。

圖5 機器人與外圍設(shè)備信號連接

(2) CC-LINK總線。CC-LINK總線是以三菱電機為主導(dǎo)的多家公司以“多廠家設(shè)備環(huán)境、高性能、省配線”為理念開發(fā)的現(xiàn)場總線，該總線網(wǎng)絡(luò)可由1個主站和64個從站組成，子站可以是遠程IO站、遠程設(shè)備站或智能設(shè)備站。主站和從站之間通過普通屏蔽雙絞線連接，其信號傳輸速率可達10 MB/s，通信距離可達1 200 m[12,13]。CC-LINK總線相比并行IO，線路連接簡單，但需較為復(fù)雜的參數(shù)配置，其電氣連接如圖6所示[14]。在設(shè)置CC-LINK遠程參數(shù)時，應(yīng)將FANUC機器人設(shè)置為遠程設(shè)備站，且站點數(shù)至少設(shè)置為2[15]。在完成CC-LINK設(shè)置后，通過PLC指令FROM K0 H0E0 K4M100 K2和TO K0 H160 K4M300 K2 兩條指令，即可完成如圖7所示通信映射關(guān)系，實現(xiàn)了通過PLC輔助繼電器實現(xiàn)對機器人UI/UO和DI/DO的讀寫。

圖6 CC-LINK電氣連接

圖7 PLC與機器人寄存器映射關(guān)系

(3) 信號配置。機器人的信號配置就是建立軟件端口與硬件端口之間的關(guān)系。FANUC機器人通過示教盒配置的畫面如圖8所示。其中RANGE為軟件端口的范圍，RACK為機架號，代表I/O通信設(shè)備種類，采用CRMA15/16方式通訊時設(shè)置為48，采用CC-LINK方式時設(shè)置為92，SLOT為I/O模塊的序號，START為對應(yīng)于軟件端口的硬件端口起始編號。通過圖8中的設(shè)置，機器人的系統(tǒng)輸入(UI[1-18])與起始編號為1的18個硬件輸入端口，以及系統(tǒng)輸出(UO[1-20])與起始編號為1的20個硬件輸出端口聯(lián)系了起來。

圖8 機器人信號配置

2.4 末端執(zhí)行器

機器人綜合訓(xùn)練采用的末端執(zhí)行器包括夾鉗式和氣吸式兩種。學(xué)生需根據(jù)工件的特點選用合適的末端執(zhí)行器，并搭建合適的氣動回路。

3 機器人實踐

以學(xué)生完成機器人搬運作業(yè)為例。學(xué)生首先對任務(wù)進行分析，根據(jù)所需搬運工件的特點，選用氣吸式末端執(zhí)行器，并設(shè)計出如圖9所示的氣動回路，然后根據(jù)所需資源定義，如表1所示PLC和機器人的I/O分配表。依據(jù)I/O分配表和機器人接口定義，畫出圖10所示電氣原理圖，并在此基礎(chǔ)之上完成圖2所示電氣連接。通過編寫機器人和PLC程序，操作所設(shè)計的觸摸屏界面即可實現(xiàn)機器人自動搬運作業(yè)。

圖9 氣吸式末端執(zhí)行器氣動回路原理圖

表1 PLC和機器人I/O分配表

圖10 電氣原理圖

4 結(jié) 語

基于FANUC機器人和PLC控制臺所開發(fā)的工業(yè)機器人綜合訓(xùn)練平臺貼近工程實際，既是學(xué)生自己設(shè)計、動手操作的平臺，同時也是一個多門理論知識深入學(xué)習(xí)的平臺。由于在機器人訓(xùn)練中，學(xué)生參與了任務(wù)的整個實施過程，開動腦筋，動手操作，互相協(xié)作，因此表現(xiàn)出極大的興趣，也取得了不小的成績。

[1] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部. 工業(yè)和信息化部關(guān)于推進工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見[EB/OL]. (2013-12-30). http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n11293907/n12246780/15813180.html.

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Industrial Robot Platform for Comprehensive Training

YINSong,TANGJiao-yan

(College of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200245, China)

To meet the needs of cultivating application oriented talents, an engineering practice oriented industrial robot platform for comprehensive training was developed. This platform consisted of a MITSUBISHI PLC and touch screen based control board and a FANUC robot. Acting as the top level device, control board provided human machine interface, called the robot motion program and monitored the robot status. Robot was the lower level device and executed the designated task. Selectable communication methods of parallel IO and CCLINK bus between control board and robot were provided. By using this platform, college students can choose appropriate robot end effectors, connect the communication lines between the robot and PLC, construct the pneumatic circuit, program the robot and PLC, and design the human-machine interactive interface to accomplish the training tasks. By practicing in different classes, this platform can attract students joining in this training, and works well in teaching.

industrial robots; comprehensive training; PLC; human machine interface

2015-04-02

上海市教委科研創(chuàng)新項目(14AZ07)；上海電機學(xué)院重點課程建設(shè)項目

印 松(1979-)，男，四川宣漢人，講師，現(xiàn)主要從事機器人技術(shù)及應(yīng)用研究。Tel.:18001638690；E-mail:yins@sdju.edu.cn

TP 241.2

A

1006-7167(2016)02-0055-04