王燕 林黨養(yǎng)

摘 要：本課題研究和解決將工業(yè)機器人結合自動化技術應用在生產實際中，提高各個生產加工環(huán)節(jié)的模塊化、智能化，取代工人從事復雜、重復的操作，幫助企業(yè)做到產業(yè)升級，技術改進，提高產品競爭力、保證產品質量，提高工作效率，從根本上解決當前部分企業(yè)的技術困境和技術升級。

關鍵詞：工業(yè)機器人；PLC技術；AGV技術；視覺系統(tǒng)；無人車間

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.041

0 引言

在我國機器人的使用已經接近二十余年，基本實現了試驗、引進到自主開發(fā)的轉變，促進了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。隨著我國改革開放的逐漸深入，國內的機器人產業(yè)將面對越來越大的競爭與沖擊。因此，掌握國內機器人市場的實際情況，把握我國機器人的相關技術與研究進展，顯得尤為重要。

1 工業(yè)機器人技術

從亞馬遜倉庫中自動裝卸貨物的機器人、富士康生產線裝配零件的機器人、執(zhí)行特殊危險任務的特種機器人及以智能化軍用無人機，各類用途機器人正在被廣泛地應用于豐富的場景之中。而工業(yè)機器人是最先產業(yè)化的機器人技術，綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能 、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍、應用日益廣泛的領域，適應制造業(yè)規(guī)模化生產，解決單調、重復的體力勞動和提高生產質量而代替人工作業(yè)[1]。

工業(yè)機器人是一種仿人操作自動控制，由操作機、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感器裝置構成，可重復編程，能在三維空間完成各種作業(yè)，特別適合于多品種、變批量柔性生產。對穩(wěn)定和提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件的快速更新換代起著十分重要作用。工業(yè)機器人可逐步改善勞動條件，更強與可控的生產能力，加快產品更新換代。提高生產效率和保證產品質量，消除枯燥無味的工作，節(jié)約勞動力，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，減少勞動風險，提高機床工作效率、減少工藝過程中的工作量及降低停產時間和庫存，提高企業(yè)綜合競爭力[2]。

2 無人車間系統(tǒng)設計

本課題研究和解決的問題是在生產實際中將工業(yè)機器人結合自動化技術，廣泛應用于各個生產加工環(huán)節(jié)，取代工人從事復雜、重復的操作，幫助企業(yè)做到產業(yè)升級，技術改進，提高產品競爭力、保證產品質量，提高工作效率，從根本上解決當前部分企業(yè)的技術困境和技術升級。方案實施后，預計可節(jié)省15-20名工人，節(jié)省生產成本近120萬/年。

為實現企業(yè)的技術升級，本次系統(tǒng)設計主要解決企業(yè)生產中“機器換工”問題，設計一套實用性強，更新簡易，操作方便的工業(yè)機器人綜合應用系統(tǒng)，基于西門子S7 1200 PLC編程，結合自動化控制技術，實現柔性化的“無人工廠”。

根據企業(yè)具體需求，在原有的生產設備的基礎上，改造和增加自動控制功能，開發(fā)一套基于西門子S7 1200 PLC控制的機器人無人車間系統(tǒng)設計，可完成企業(yè)所需的所有功能要求。系統(tǒng)基本運行流程描述如圖1所示：

（1）數控車床部分功能改造。

（2）直角坐標機械手臂完成工件的裝卸。

（3）搬運機器人完成零件搬運及裝配。

（4）工業(yè)機器人完成焊接。

（5）工業(yè)機器人完成包裝。

（6）AGV完成成品搬運至倉儲單元。

3 關鍵技術

此次設計根據企業(yè)的具體需求，從以下六部分進行改造升級：

3.1 數控車床部分功能改造

原數控車床的卡盤為普通三爪卡盤，裝卸工件時費時費力，且因力度完全憑工人的操作感覺，用力過度破壞工件表面質量的情況時有發(fā)生，影響產品的合格率。

此次改造的目的為將普通三爪卡盤更換成氣動卡盤，通過程序控制啟動回路，實現卡盤的自動張開、夾緊，進而實現無人操作。

關鍵技術：氣動卡盤的硬件設計、氣動回路控制、自動控制技術

3.2 直角坐標機械手臂（裝卸工件）

原有的數控車床的上下裝卸工件都由人工操作，屬于機械式的重復勞動，勞動強度大、技術含量低。為實現無人操作，設計一種機械手臂，完成工件的自動上、下料。

關鍵技術：機械臂結構設計、傳感器技術、單片機程序設計、APC220無線數據傳輸技術。

3.3 搬運機器人

車間有多臺數控機床同時加工零件，需要將已加工的工件搬運至指定位置，完成相應的裝配任務，保證裝配精度。

關鍵技術：結構設計、傳感器技術、高能效移動電源、單片機編程技術、APC220無線數據傳輸技術等。

3.4 視覺系統(tǒng)、工業(yè)機器人焊接單元

關鍵技術：智能視覺識別系統(tǒng)、視覺編程、PLC控制系統(tǒng)、Profinet總線控制、以太網總線modbus、精確焊縫軌跡跟蹤技術等。

3.5 包裝單元

六自由度工業(yè)機器人根據放置位置的XYZ坐標偏移和旋轉角度把物品放入箱中（部分偏移運算由主控系統(tǒng)計算，整合到Z軸偏移中給六自由度工業(yè)機器人），并自動打包封箱。

3.6 自動倉儲單元的系統(tǒng)控制設計

關鍵技術：AGV移動機器人自移動、自動導航、多傳感器控制技術，立體倉庫的控制技術、PLC控制技術等。

基于PLC控制的工業(yè)機器人系統(tǒng)由焊接單元、包裝單元、倉儲單元等功能主要由產品流水線、視覺系統(tǒng)、工業(yè)機器人（焊接）、包裝流水線、工業(yè)機器人（包裝）、AGV智能搬運機器人、立體倉庫和碼垛機器人組成，如下圖2所示。

①產品流水線，將搬運機器人裝配好的產品傳送給下一環(huán)節(jié)；

②智能視覺系統(tǒng)，對流水線上的產品進行識別，通過智能相機識別物品數量、類型、相對于標定原點的位置、相對于標定姿態(tài)的旋轉角度并把識別結果傳輸至主控系統(tǒng)PLC；

③焊接工業(yè)機器人系統(tǒng)，根據主控系統(tǒng)PLC發(fā)送的數據，對流水線上的產品進行焊接；

④托盤流水線，負責把貨品托盤輸送到視覺檢測工位，經視覺定位識別輸送到抓取工位；

⑤包裝機器人識別產品的合格與否，將合格產品放置于包裝流水線上的指定包裝盒中，不合格產品將被放置于廢品庫中；

⑥AGV智能搬運機器人，將已包裝的產品與碼垛機立庫系統(tǒng)對接，沿鋪設的磁條運行，將產品搬運到立體倉庫；

⑦立體倉庫和碼垛機器人，碼垛機器人可以按需要，將成品放置立體倉庫中。

該部分系統(tǒng)通過工業(yè)以太網總線，把工業(yè)機器人、主控流水線PLC、碼垛機立庫系統(tǒng)PLC、碼垛機立庫系統(tǒng)觸摸屏、主控流水線觸摸屏、視覺系統(tǒng)、變頻器、AGV機器人以及編程開發(fā)計算機等均通過以太網連接。編程開發(fā)計算機負責開發(fā)調試程序、視覺系統(tǒng)特征識別開發(fā)以及機器人示教等編程。碼垛立庫系統(tǒng)和主控流水線觸摸屏負責管理碼垛立庫系統(tǒng)、主控流水線的運行參數，以及系統(tǒng)報警和提示信息等。本系統(tǒng)采用國際上先進的控制理念和最新的控制產品，采用網絡化控制模式，系統(tǒng)主要控制框圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)設計特色

（1）本系統(tǒng)設計采用國際上先進的控制理念和最新的控制產品，采用網絡化控制模式，各種現場總線以及控制方式，為工業(yè)現場常用方式，有著很強的實用性。

主控流水線由西門子S7 1200主控制器負責管理整個系統(tǒng)的聯動運行。通過Profinet總線控制流水線的運動，通過高速脈沖輸出控制步進系統(tǒng)的運行，通過以太網總線modbus TCP協(xié)議和工業(yè)機器人系統(tǒng)和視覺識別系統(tǒng)進行數據交互，并保留有通過RS232串口通訊模塊擴展模塊，可對位置傳感器的位置信息進行讀取。同時通過profinet總線和碼垛立庫系統(tǒng)進行通訊，通過無線網絡和AGV智能搬運機器人進行數據交互。

（2）解決工業(yè)企業(yè)“機器換工”的迫切需求，加速工業(yè)企業(yè)智能化進程，實現提質增效的同時，也使企業(yè)技術訂制成為可能；制造業(yè)向制造服務業(yè)轉變，為傳統(tǒng)制造業(yè)升級提供整體解決方案，可拓展服務領域，對企業(yè)自身轉型和帶動行業(yè)提升具有現實意義。

參考文獻：

[1]王一.工業(yè)機器人視覺測量系統(tǒng)的在線校準技術[D].機器人，2011.

[2]劉海濤.工業(yè)機器人的高速高精度控制方法研究[D].華南理工大學，2012（01）.

[3]邢繼生，甘亞輝，戴先中.基于工件模型的工業(yè)機器人自動編程系統(tǒng)[D].機器人，2017（02）.

[4]王光祥，曹應明.淺析基于PLC的機械手自動控制系統(tǒng)編程思路[J].新課程（下），2013（03）.

[5]常慶凱.帶操作臂的小型移動機器人系統(tǒng)[D].哈爾濱工業(yè)大學，2016（03）.

作者簡介：王燕（1983-），女，講師，從事機電技術研究。