彭麗莎+房華+張?zhí)?/p>

摘 要：本文研究了更加智能化、人性化的碼垛機(jī)器人智能工作站。一方面充分利用碼垛機(jī)器人精度高的優(yōu)點(diǎn)，搭配末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作，另一方面，配套西門子S7-300PLC進(jìn)行邏輯判斷和數(shù)據(jù)分析，提高運(yùn)行的效率，縮短控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，并采用西門子觸摸屏作為人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)顯示工作站的工作狀態(tài)，使參數(shù)的設(shè)置更加便捷，操作更加人性化，提高機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：碼垛機(jī)器人；S7-300PLC；觸摸屏；智能工作站

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.113

1 引言

中國工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大[1]，應(yīng)用于碼垛、噴涂和分揀等行業(yè)。近年在柔性化生產(chǎn)的背景下，品種的多樣化對(duì)碼垛機(jī)器人動(dòng)作提出了更高的要求。為解決這一問題，本研究構(gòu)建了基于西門子S7-300PLC的碼垛機(jī)器人智能工作站，將PLC的邏輯運(yùn)算功能與碼垛機(jī)器人的高精度結(jié)合起來，并配備人機(jī)交互界面，經(jīng)調(diào)試該工作站可以有效的提高碼垛機(jī)器人生產(chǎn)線的智能性和操作性[2]。

2 智能工作站設(shè)計(jì)要求

本智能工作站包括產(chǎn)品輸送帶、托盤輸送帶、產(chǎn)品暫存區(qū)、碼垛抓取區(qū)、托盤放置區(qū)和機(jī)器人工作區(qū)六個(gè)區(qū)域，各部分自動(dòng)配合。產(chǎn)品輸送帶分為A、B兩條，可以同時(shí)生產(chǎn)兩種不同規(guī)格的產(chǎn)品，并且滿足預(yù)期的生產(chǎn)速度。通過人機(jī)交互界面控制兩條輸送帶的工作狀態(tài)和產(chǎn)品的切換。碼垛機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)位置和軌跡運(yùn)行執(zhí)行碼垛動(dòng)作。

3 硬件設(shè)計(jì)

智能工作站的總體控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，碼垛機(jī)器人選用庫卡KR QUANTEC PA中負(fù)載級(jí)卸碼垛機(jī)器人，具有速度快、精度高、動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)。西門子S7-300PLC為控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和邏輯判斷，并發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)。人機(jī)交互界面選用西門子MP277，在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)品種的切換和實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)產(chǎn)品的位置和數(shù)量，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集到S7-300PLC中。現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電機(jī)和氣缸，電機(jī)控制輥?zhàn)虞斔蛶?，氣缸控制產(chǎn)品的走向。

碼垛機(jī)器人和S7-300PLC間通過PROFIBUS DP通訊，將S7-300PLC配置為DP主站，碼垛機(jī)器人為DP從站，PLC將選擇的品種和碼垛方法傳送給碼垛機(jī)器人，碼垛機(jī)器人根據(jù)信號(hào)運(yùn)行不同的軌跡完成相應(yīng)的碼垛動(dòng)作。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 觸摸屏界面設(shè)計(jì)及流程說明

觸摸屏控制畫面包括品種的選擇，輸送線的啟?？刂?，狀態(tài)的監(jiān)控包括抓取區(qū)的箱數(shù)，當(dāng)前抓數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，通過Profibus DP通訊PLC將品種和當(dāng)前抓數(shù)寫入碼垛機(jī)器人。智能工作站的工作流程如下：（1）開機(jī)初始化，將擋箱裝置置位，輸送帶上剩余的托盤運(yùn)出，之后將托盤運(yùn)輸?shù)匠跏嘉恢谩２⑶覍⒂?jì)數(shù)區(qū)寄存器數(shù)據(jù)清零，復(fù)位計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器，將各輸出調(diào)至初始狀態(tài)。進(jìn)行初始狀態(tài)的檢查；（2）品種選擇和確認(rèn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇相應(yīng)的品種，包括100ML、250ML、500ML三個(gè)品種，根據(jù)品種的不同，將不同的數(shù)據(jù)寫入PLC的寄存器，調(diào)用不同的功能塊。（3）自動(dòng)運(yùn)行條件的檢查，由智能工作站操作人員檢查現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)照是否與觸摸屏顯示狀態(tài)相同，若無故障，則啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行，若有故障則排除故障后，啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行，輸送帶將自動(dòng)運(yùn)行。（4）碼垛條件的檢查，當(dāng)碼垛抓取區(qū)的產(chǎn)品數(shù)量滿足條件時(shí)，PLC發(fā)送抓取區(qū)準(zhǔn)備完成信號(hào)，機(jī)器人準(zhǔn)備動(dòng)作。（5）機(jī)器人狀態(tài)檢查，機(jī)器人檢查末端執(zhí)行器的初始狀態(tài)。（6）機(jī)器人碼垛動(dòng)作，若末端執(zhí)行器滿足碼垛條件，則機(jī)器人動(dòng)作，若不滿足，則操作人員執(zhí)行復(fù)位操作，機(jī)器人開始碼垛。

4.2 PLC模塊化編程

該智能工作站采用模塊化編程，不同功能的各模塊間相互獨(dú)立，程序結(jié)構(gòu)清晰，便于程序的修改和監(jiān)控。模塊化編程具有兩方面的優(yōu)點(diǎn)，一方面，功能塊具有通用性，可重復(fù)調(diào)用，減少了編程的工作量，縮短智能工作站設(shè)計(jì)周期；另一方面，提高運(yùn)行效率，模式和品種的切換時(shí)進(jìn)入相應(yīng)的功能塊，而不是執(zhí)行所有程序。主要包括以下功能塊：

（1）開機(jī)初始化模塊。每次開機(jī)均執(zhí)行此模塊，包括硬件初始復(fù)位操作和寄存器賦值操作。開機(jī)時(shí)，將擋箱裝置置位，將輸送帶上剩余的托盤運(yùn)出，之后將托盤運(yùn)輸?shù)匠跏嘉恢?。并且將?jì)數(shù)區(qū)寄存器數(shù)據(jù)清零，復(fù)位計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器，將各輸出調(diào)至初始狀態(tài)。（2）自動(dòng)運(yùn)行模塊。該智能工作站的主要工作模式為自動(dòng)模式，切換到自動(dòng)模式后，系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)均在PLC的控制下運(yùn)行。PLC接收外部檢測(cè)裝置的狀態(tài)信息和HMI的輸入指令，并且對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，更具運(yùn)算結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的子程序，完成相應(yīng)的動(dòng)作。（3）手動(dòng)控制模塊。該模塊通過觸摸屏進(jìn)行控制，用于開機(jī)和故障發(fā)生時(shí)，單個(gè)動(dòng)作的控制和故障的排除，且手動(dòng)控制和自動(dòng)控制不能同時(shí)啟動(dòng)。（4）故障和報(bào)警模塊控制。該智能工作站在運(yùn)行中出現(xiàn)一些設(shè)備故障，故障信息實(shí)時(shí)顯示到觸摸屏上，是現(xiàn)場(chǎng)操作人員做出判斷的重要依據(jù)。

4.3 碼垛機(jī)器人模塊化編程

碼垛機(jī)器人采用KRL結(jié)構(gòu)化編程，根據(jù)邏輯判斷語句的結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)的子程序。開始進(jìn)入一個(gè)初始化程序init（），將末端執(zhí)行器的狀態(tài)復(fù)位。當(dāng)外部輸入信號(hào)in[1]和in[3]同時(shí)滿足時(shí)，執(zhí)行選定的品種子程序，執(zhí)行碼垛動(dòng)作。將Apinzhong定義為A線產(chǎn)品選擇，利用邏輯switch語句進(jìn)行品種的選擇，當(dāng)值為1時(shí)，執(zhí)行100ML產(chǎn)品碼垛；當(dāng)值為2時(shí)，執(zhí)行250ML產(chǎn)品碼垛；當(dāng)值為3時(shí)，執(zhí)行500ML產(chǎn)品碼垛。進(jìn)入相應(yīng)的子程序后，變量Adijizhua為A線一托盤的第幾抓，根據(jù)PLC提供的參數(shù)，機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的碼垛動(dòng)作。

5 結(jié)束語

本研究采用PLC、觸摸屏設(shè)計(jì)智能碼垛工作站，PLC執(zhí)行信號(hào)處理和邏輯運(yùn)算，控制和協(xié)調(diào)各個(gè)機(jī)構(gòu)和碼垛機(jī)器人的動(dòng)作，觸摸屏作為人機(jī)交互界面，通過觸摸屏對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，提高工作的可視化和人性化。PLC和機(jī)器人均采用結(jié)構(gòu)化編程，編程結(jié)構(gòu)清晰，易于調(diào)用和調(diào)試。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，該智能工作站具有很好的適應(yīng)性，改變了單一的碼垛模式，提高了碼垛的智能性。

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作者簡(jiǎn)介：彭麗莎（1991-），女，山東濟(jì)寧人，電氣工程師。endprint