錢曉忠 郭 瓊

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 控制技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121)

1 概述

工業(yè)機器人是集現(xiàn)代制造技術(shù)、新型材料技術(shù)和信息控制技術(shù)為一體的代表性產(chǎn)品，是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志之一，在支撐現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展中扮演著重要角色。近年來隨著我國制造業(yè)的不斷轉(zhuǎn)型升級，市場工業(yè)機器人釋放出巨大的需求。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，包括機器人操作維護、安裝調(diào)試、系統(tǒng)集成與應(yīng)用類人才[1-5]。

由于工業(yè)機器人種類繁多，且涉及傳感器融合、人機交互、認知和學(xué)習系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、抓取和操作、移動和運動技術(shù)及系統(tǒng)集成等多學(xué)科、多門類技術(shù)[1]，因此對相關(guān)人才的培養(yǎng)也提出了較高的要求，開發(fā)和研究各種合適的學(xué)習與培訓(xùn)的軟硬件資源，培養(yǎng)工業(yè)機器人技術(shù)及應(yīng)用方面的人才尤為迫切。

工業(yè)機器人實訓(xùn)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)是2015年全國高等職業(yè)院校技能大賽工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用賽項平臺，硬件采用工業(yè)元器件設(shè)計，即是一種真實的工業(yè)機器人的具體應(yīng)用，也能在此平臺上進行綜合實訓(xùn)和功能開發(fā)。系統(tǒng)包括碼垛機器人、AGV機器人和關(guān)節(jié)機器人，工作流程設(shè)計如下：

(1)碼垛機器人根據(jù)庫位選擇順序，依次取出工件，并將工件放置在輸送設(shè)備AGV小車上。

(2) AGV將工件輸送到自動生產(chǎn)線入口處，通過輥道對接，自動進入托盤生產(chǎn)線。

(3)工件經(jīng)過托盤生產(chǎn)線拍照工位時，由智能相機自動識別工件位置和類型，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控PLC處理。

(4)關(guān)節(jié)機器人按照主控系統(tǒng)的指令和數(shù)據(jù)從托盤生產(chǎn)線上抓取工件，并按工件分類擺放要求在工作盒流水線上完成分揀任務(wù)。

圖1 工業(yè)機器人實訓(xùn)系統(tǒng)

該實訓(xùn)平臺基于工業(yè)設(shè)計理念，既能體現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)過程，又具操作性和實用性。平臺的綜合應(yīng)用和功能開發(fā)，能讓學(xué)生親身體驗工業(yè)機器人真實作業(yè)和實際應(yīng)用，擺脫生產(chǎn)設(shè)備在生產(chǎn)過程中不能隨意更改工藝和控制功能的束縛，有利于大學(xué)生新技術(shù)新知識的學(xué)習,激發(fā)大學(xué)生再學(xué)習的興趣和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)層級

如圖2所示，工業(yè)機器人實訓(xùn)系統(tǒng)可分為設(shè)備層、控制層和管理層三個層級。考慮實訓(xùn)平臺面向高職自動化類、機電類學(xué)生，將系統(tǒng)的設(shè)備層及控制層作為學(xué)習范疇，側(cè)重機械/電氣裝置的認識、安裝調(diào)試及控制系統(tǒng)功能開發(fā)等過程控制系統(tǒng)(PCS)所涉及的內(nèi)容，為工業(yè)機器人及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的維保、調(diào)試、示教編程等提供應(yīng)用型人才；管理層可作為后續(xù)欲開發(fā)和延伸的領(lǐng)域。

圖2 系統(tǒng)層級

設(shè)備層由碼垛機、自動生產(chǎn)線、傳感器檢測系統(tǒng)、AGV、關(guān)節(jié)機器人、貨架、托盤及工件盒等基礎(chǔ)設(shè)備組成。

控制層主要負責各類設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)共享等工作。

(1)主控PLC系統(tǒng)。負責和上位機直接交換信息；用于自動生產(chǎn)線等設(shè)備的控制；與工業(yè)機器人、智能相機等系統(tǒng)信息交互及實現(xiàn)遠程操控功能。

(2)碼垛PLC系統(tǒng)?？刂拼a垛機X/Y/Z軸三個方向的變頻器運動，采集庫位信息及碼垛機位置，接受主控PLC的調(diào)度和信息交互。

(3)輸送機PLC系統(tǒng)。通過光電開關(guān)與碼垛/主控系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。獲得貨物輸送信息，將貨物按照給定路徑從立體倉庫運送到自動生產(chǎn)線指定入口處，以便貨物進入自動生產(chǎn)線運輸輥道，并自動返回碼垛機系統(tǒng)取貨位置等待輸送指令。

(4)關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)。接受主控PLC的讀/寫訪問，按照主控PLC給定的定位信息，抓取托盤生產(chǎn)線上的工件，并將工件放置在工件盒生產(chǎn)線上對應(yīng)的工件盒小格中，完成工件分揀任務(wù)。

2.2 硬件組態(tài)

碼垛PLC、主控PLC、碼垛機變頻器及HMI等選擇帶有以太網(wǎng)接口的設(shè)備，硬件組態(tài)如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)

圖3中碼垛PLC_1和主控PLC_2選用S7-1200 PLC。該產(chǎn)品定位中低端小型PLC，適合中小型項目的開發(fā)與應(yīng)用，集成了PROFINET接口，可用來編程、HMI通訊及CPU間的通訊；還支持開放的以太網(wǎng)協(xié)議，可與第三方設(shè)備通訊[6-8]。

選用3臺G120變頻器實現(xiàn)碼垛機行走、升降、貨叉三個驅(qū)動機構(gòu)外加貨物檢測、庫位定位及安全檢測等元件完成自動搜索和自動出貨功能。G120變頻器采用模塊化設(shè)計，功率模塊內(nèi)置以太網(wǎng)通訊功能，可借助調(diào)試軟件Starter或操作面板模塊完成對變頻器的參數(shù)設(shè)置[9-11]。

HMI用于碼垛系統(tǒng)操作、入庫信息錄入和庫位信息監(jiān)視等功能，選用支持工業(yè)以太網(wǎng)接口的TP700智能型觸摸屏，能與各種主流PLC通訊，且人機界面友好、環(huán)境適應(yīng)性強[12]。

系統(tǒng)中的關(guān)節(jié)機器人和智能相機支持以太網(wǎng)通信，將設(shè)備的以太網(wǎng)接口通過交換機接入實訓(xùn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并作為服務(wù)器接受主控PLC的讀/寫數(shù)據(jù)訪問。

2.3 碼垛PLC與主控PLC的通信設(shè)計

S71200PLC的PN口支持Modbus TCP協(xié)議，提供“MB_CLIENT”和“MB_SERVER”兩條指令?！癕B_CLIENT”指令作為 Modbus TCP 客戶端通過 S7-1200 CPU 的 PROFINET 接口連接進行通信，通過該指令，可以在客戶端和服務(wù)器之間建立連接、發(fā)送請求、接收響應(yīng)并控制 Modbus TCP 服務(wù)器的連接；“MB_SERVER”指令將處理 Modbus TCP 客戶端的連接請求、接收 Modbus 功能的請求并發(fā)送響應(yīng)。

主控PLC與碼垛PLC通信時，主控PLC作為客戶端，調(diào)用兩次“MB_CLIENT”功能塊指令，分別實現(xiàn)對碼垛PLC系統(tǒng)的讀/寫功能，在讀/寫功能切換時關(guān)鍵點是分時控制兩個功能塊[13-14]。

圖4是主控PLC的通信寫指令程序，其中192.168.8.112為碼垛PLC 的IP地址，MODBUS TCP通信端口設(shè)為502，將主控PLC數(shù)據(jù)塊DB5的內(nèi)容 寫入碼垛PLC中；圖5是碼垛PLC的通信程序，只需使用“MB_SERVER”指令，接受主控PLC的客戶端讀/寫訪問即可，并將主控PLC讀/寫的數(shù)據(jù)暫存放在數(shù)據(jù)塊DB2中。

圖4 主控PLC寫指令程序

圖5 碼垛PLC通信程序

3 按需取貨功能設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

立體倉庫在工業(yè)實際應(yīng)用中具有自動出入庫、倉儲調(diào)度、庫存盤點等功能，其中自動出入庫的一般工作流程如下[15]：

(1)操作人員事先在計算機系統(tǒng)中做好物料的歸類和倉儲位置的選擇，然后將相關(guān)指令發(fā)送給倉庫系統(tǒng)，倉庫系統(tǒng)按照指令通過搬運和輸送設(shè)備將物料堆放到指定貨架的指定位置上實現(xiàn)物料入庫存儲。

(2)操作人員在計算機系統(tǒng)中輸入出貨任務(wù)，并發(fā)送給倉庫系統(tǒng)，倉庫系統(tǒng)自動搜索庫位及物料信息，通過碼垛機將所需物料從庫位上取出，并由輸送設(shè)備輸送到指定位置。

(3)倉庫系統(tǒng)對物料的出入庫和庫存狀態(tài)自動更新。

考慮實訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)及使用對象，結(jié)合實際倉庫系統(tǒng)出入庫流程和管理過程，按需取貨功能設(shè)計思路如下：

(1)立體倉庫貨物入庫時在HMI上進行工件類型登記和錄入系統(tǒng)；

(2)在HMI界面輸入出貨工件名稱等相關(guān)數(shù)據(jù)，即輸入工件在流水生產(chǎn)線上的分揀要求；

(3)主控系統(tǒng)將本次分揀所需工件信息傳送給碼垛系統(tǒng)；

(4) 碼垛系統(tǒng)按照事先設(shè)置的庫位編碼，掃描和搜索庫位信息，得到所需工件的庫位編號并出貨，由AGV輸送到指定位置。

(5)碼垛系統(tǒng)對物料的出入庫信息和庫存狀態(tài)自動更新。

3.2 入庫信息錄入

受實訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制，庫位托盤沒有RFID或條碼等標簽，故在HMI上設(shè)立入庫信息錄入界面，這也是立體倉庫實際應(yīng)用中的一種入庫方式。通過人工將當前庫位的工件信息錄入系統(tǒng)中，并將入庫信息告知碼垛系統(tǒng)，便于碼垛系統(tǒng)按照需求信息自動搜索出貨，錄入界面如圖6所示，立體倉庫有4行7列共計28個庫位，數(shù)據(jù)類型設(shè)置如圖7所示。

每個庫位數(shù)據(jù)包含gsHouseData[i]. Type和gsHouseData[i]. CatNo兩個元素。gsHouseData[i].Type用于存放庫位工件類型，gsHouseData[i].CatNo用于標記按需出貨時的出貨順序，在出貨過程中進行標記和改寫。庫位信息錄入結(jié)束，單擊“錄入完成”，立體倉庫庫存信息進入系統(tǒng)。

圖6 立體倉庫庫位信息錄入界面

圖7 庫位數(shù)據(jù)類型設(shè)置

3.3 需求信息錄入

依據(jù)工藝流程，系統(tǒng)按順序自動完成工件出庫、輸送、識別、抓取、分揀任務(wù)，所有工序、所有設(shè)備有序配合。

如圖8所示為工件分揀任務(wù)所需工件的信息錄入界面，共計七種類型的工件。每次任務(wù)為完成三個工件盒的分類擺放，每個工件盒8個小格，每個小格可疊放兩層工件，錄入數(shù)據(jù)類型設(shè)置如圖9所示。

圖8 工件需求信息錄入

圖9 需求數(shù)據(jù)類型設(shè)置

主控系統(tǒng)將工件分揀信息寫入碼垛機器人和關(guān)節(jié)機器人。碼垛機器人按照分揀的順序和工件類型依次出庫，關(guān)節(jié)機器人按照分揀要求放置工件。

3.4 程序設(shè)計要點

主控系統(tǒng)提取錄入工件需求信息，包括放置的位置、類型和數(shù)量。工件位置信息提供給關(guān)節(jié)機器人抓取工件并將工件放置在指定位置；工件類型和數(shù)量提供給倉庫系統(tǒng)按需出貨。由于放置多層，且在工件盒流水線上沒有設(shè)置緩沖區(qū)域，故要求倉庫系統(tǒng)按最終關(guān)節(jié)機器人放置工件的順序出貨。程序流程圖設(shè)計如圖10所示。

由流程圖可見，設(shè)計程序時要點如下：

(1)對倉儲位置編碼，倉庫系統(tǒng)采集庫存信息和工件需求(分揀)信息；

(2)倉庫系統(tǒng)掃描倉儲信息，當滿足“庫位有貨”“庫位工件與需求類型一致”且“該庫位未有出貨標記”，則標定該庫位出貨順序；

(3)計算庫位(1-28號)坐標，碼垛機到指定出貨位置取貨，并將工件放置在AGV小車上。

(4)系統(tǒng)按需取貨動作完成，等待下一次按需取貨指令。

圖10 按需取貨功能流程

4 結(jié)語

工業(yè)機器人系統(tǒng)“按需取貨”實訓(xùn)功能按照在知識點上逐漸擴展和遞進、在功能上逐步接近實際應(yīng)用的思路開發(fā)，很好地詮釋了工業(yè)機器人的應(yīng)用、系統(tǒng)集成及數(shù)據(jù)融合的理念，提高了實訓(xùn)系統(tǒng)自動化應(yīng)用水平，有利于學(xué)生對工業(yè)機器人及與外圍設(shè)備集成應(yīng)用的控制流程的理解和邏輯思維的訓(xùn)練，學(xué)習內(nèi)容與實際應(yīng)用逐漸貼合。

該系統(tǒng)還可做進一步的研究和開發(fā)，例如增加立體倉庫倉儲系統(tǒng)IWMS，既擴充了系統(tǒng)功能，又增加了實訓(xùn)系統(tǒng)的外延；可作為自動化、機電類專業(yè)綜合學(xué)習的平臺，也可為計算機、物流類學(xué)生研究上位系統(tǒng)及倉儲系統(tǒng)提供應(yīng)用載體和數(shù)據(jù)平臺。該系統(tǒng)由于綜合技術(shù)強且貼近生產(chǎn)實際，無論是學(xué)生還是教師投入學(xué)習和研究的積極性非常高，工業(yè)機器人應(yīng)用類人才培養(yǎng)效果顯著，且教師執(zhí)教能力得到了明顯的提高。

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