周宇

摘 要 采用基于Modbus和Profibus的混合總線技術(shù)，實現(xiàn)了工業(yè)相機——PLC——工業(yè)機器人之間的低成本的數(shù)據(jù)傳送。基于相機識別的工件坐標數(shù)據(jù)，工業(yè)機器人可以準確地跟蹤和抓取工件。

關(guān)鍵詞 總線通訊 機器視覺 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人作為一種多軸、多功能通用型工業(yè)設備，近年來在各種工業(yè)領(lǐng)域都得到了快速的推廣和應用，我國已經(jīng)連續(xù)三年成為全球最大的工業(yè)機器人采購國。將各種末端執(zhí)行器：手爪、吸盤、焊槍、噴槍與工業(yè)機器人集成，可以準確而高效地完成搬運、碼垛、裝配、焊接、噴涂、拋光、打磨等工業(yè)現(xiàn)場任務。在工業(yè)機器人的各種應用場合中，待處理毛坯件的準確定位，都將直接影響機器人自動化工作站的加工精度。目前常用的定位方法是采用高精度的液壓/氣動夾具系統(tǒng)，這種方法的缺陷在于整個夾具系統(tǒng)的制造周期長、成本高、柔性化不足。與此同時，在食品、小型機械零部件、電子元器件等輕工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)對象的力學強度較低而生產(chǎn)節(jié)奏快，傳統(tǒng)的夾具系統(tǒng)并不適用。為了解決這一問題，各大產(chǎn)商近年來開發(fā)了各種機器視覺軟/硬件解決方案，如ABB公司的Integrated Vision、FANUC公司的iR-Vision等。將視覺系統(tǒng)與機器人工作站系統(tǒng)集成后，機器人可以根據(jù)相機拍攝到的工件種類、坐標、角度等數(shù)據(jù)準確的捕獲工件，免去了機械定位夾具系統(tǒng)，提升了整個生產(chǎn)線的柔性化程度。然而這些機器人產(chǎn)商集成的視覺系統(tǒng)，往往價格比較昂貴，機器人用戶迫于成本的壓力，限制了這一類視覺解決方案的大范圍推廣和應用。

現(xiàn)場總線作為一種工業(yè)現(xiàn)場使用的數(shù)據(jù)總線，能夠?qū)崿F(xiàn)各種儀器儀表、控制器、執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)信息傳遞。以Profibus、Profinet、cc-Link、Modbus為代表的各種總線協(xié)議在工業(yè)現(xiàn)場設備中都有大量的使用，[1-3]目前的現(xiàn)場總線多用于傳遞DI/DO類信號或者變頻器的控制字等信息。本文利用Modbus-TCP和Profibus-DP兩種協(xié)議實現(xiàn)了第三方視覺系統(tǒng)與ABB機器人之間關(guān)于工件坐標類數(shù)據(jù)的交互，大大降低了機器人視覺系統(tǒng)的集成成本。

1 硬件構(gòu)成

本方案的硬件系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：（1）視覺相機系統(tǒng)、（2）主控PLC系統(tǒng)、（3）機器人系統(tǒng)。

視覺相機系統(tǒng)采用無錫信捷電氣的SV4智能相機和專屬的相機控制器SIC-242，該相機配置了RS485串口和100M以太網(wǎng)接口，能夠支持CAN、Modbus-RTU、Modbus-TCP等多種通訊協(xié)議。

主控PLC系統(tǒng)采用西門子最新的小型機S7-1200 CPU1215C，該機的CPU模塊集成有兩個Profinet接口，可以通過Modbus-TCP協(xié)議實現(xiàn)相機數(shù)據(jù)的傳輸。由于該CPU上沒有Profibus-DP接口，為了實現(xiàn)PLC與機器人端的數(shù)據(jù)通訊，為該PLC配置一個Profibus-DP主站模塊CM 1243-5。

工業(yè)機器人采用ABB 1410型6軸機器人，ABB原廠配置的Profibus-DP從站模塊型號為DSQC 667，描述性文件編號為hms_1811.gsd。

2 通訊與控制程序

2.1 通訊方案與網(wǎng)絡連接

該系統(tǒng)中通信的任務主要有兩個方面：（1）工業(yè)相機與PLC之間數(shù)據(jù)的傳輸；（2）PLC與機器人之間數(shù)據(jù)的傳輸。

工業(yè)相機與PLC之間交互的數(shù)據(jù)包括相機拍照的觸發(fā)信號和拍照完成信號以及拍照所識別到的工件坐標類數(shù)據(jù)。使用以太網(wǎng)線將相機和PLC分別連接到交換機，采用Modbus-TCP協(xié)議實現(xiàn)兩者之間的通訊，其中相機為Modbus Server端，PLC為Modbus Client端。數(shù)據(jù)的讀和寫都由PLC控制。

PLC與1410機器人之間交互的數(shù)據(jù)包括機器人的啟/停類信號以及工件坐標數(shù)據(jù)。使用D型9針插頭將屏蔽電纜線分別連接到CM 1243-5和DSQC 667的對應接口，采用Profibus-DP協(xié)議實現(xiàn)兩者之間的通訊，其中PLC為Profibus-DP主站，機器人為從站，數(shù)據(jù)的讀和寫都由PLC控制。整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡連接拓撲圖如圖1所示。

2.2 組態(tài)過程

相機的組態(tài)采用X-SIGHT STUDIO軟件完成，在軟件中將相機的地址配置為192.168.8.1，同時根據(jù)實際需要為拍照類數(shù)據(jù)和坐標類數(shù)據(jù)配置對應的Modbus偏移地址，配置完成后將相機轉(zhuǎn)換為運行模式。相機配置的數(shù)據(jù)如圖2所示。

PLC和機器人的通訊組態(tài)在西門子TIA PORTAL軟件中完成。在PORTAL軟件中首先安裝機器人Profibus-DP的描述性文件hms_1811.gsd，然后在網(wǎng)絡視圖中依次組態(tài)CPU 1215C和通信模塊CM 1243-5，將CM 1243-5接口屬性組態(tài)為“PROFIBUS”的主站，站地址為2。機器人從站模塊DSQC667在PORTAL中的路徑為：“硬件目錄”-“其他現(xiàn)場設備”-“PROFIBUS-DP”-“常規(guī)”-“HMS industrial Networks”-“Anybus-CC”，將從站地址配置為3。組態(tài)從站模塊的同時，需要設置主站對應的通訊寄存區(qū)，本次通訊為1200PLC配置了5個字的輸出和1個字的輸入地址，其中前四個字的輸出用于將工件的四種坐標數(shù)據(jù)：X軸坐標、Y軸坐標、Z軸坐標、角度坐標傳送給機器人，最后一個字為機器人控制字，用于控制機器人啟動/停止，以上數(shù)據(jù)對應的PLC輸出映像寄存區(qū)地址為：QW68-QW76。輸入寄存區(qū)IW68用于實時讀取機器人的運行狀態(tài)字。機器人從站的組態(tài)參數(shù)如圖3所示。

2.3 機器人端信號配置與處理

由于坐標類數(shù)據(jù)的特殊性，可能出現(xiàn)正負數(shù)和浮點數(shù)的情況。機器人端的信號配置無法使用常見的DI/DO類數(shù)據(jù)與PLC的發(fā)送數(shù)據(jù)對接，需要使用機器人的模擬量輸入信號（AI）或者組輸入信號（GI）來對接，但是GI無法表示浮點數(shù)，所以本次通訊采用AI信號來對接工件的坐標數(shù)據(jù)，信號的配置過程分為兩步：（1）從站端參數(shù)設定；（2）數(shù)據(jù)類信號的設定。

由于DSQC 667板沒有DIP地址開關(guān)，站地址和通訊容量都是在機器人示教器上通過系統(tǒng)參數(shù)來設定的。設置路徑為：控制面板-配置-I/O System-Industrial Network（PROFIBUS Internal Anybus Devices），其中通訊容量的輸入/輸出范圍上限為64字節(jié)。

機器人端的4個AI信號需要分別與PLC內(nèi)部4種工件坐標數(shù)據(jù)對接，其設置路徑為：控制面板-配置-I/O System-Signal。以新建一個X軸坐標數(shù)據(jù)Xdata為例，需要設置的參數(shù)見表1。

2.4 程序處理

PLC作為整個系統(tǒng)的主控制器，其觸發(fā)相機拍照之后，相機可能識別到工件也可能未識別到工件，如果未識別到工件，則PLC將從相機端讀取到全部為0的數(shù)據(jù)（代表沒有任何工件在相機檢測范圍之內(nèi)）。因此PLC與相機通訊完畢后，必須對其讀取到的數(shù)據(jù)進行提取和處理，如果能提取到非0的有效數(shù)據(jù)，則表示相機檢測到了工件，PLC程序流程如圖4所示。

機器人作為執(zhí)行機構(gòu)，定義對應的全局變量X、Y、Z來對接模擬量中暫存的坐標數(shù)據(jù)，并且在收到PLC發(fā)送的啟動字（啟動字=1）后，開始抓取工件，抓取完成后，將狀態(tài)字置為0（停止狀態(tài)），PLC讀取到機器人的狀態(tài)字為0，將自動開啟下一次觸發(fā)拍照的流程。機器人程序段示例如圖5所示。

3結(jié)語

本文中所描述的配置和通信方案，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人對于非機械定位工件的正確捕獲，該系統(tǒng)具有以下特點：

（1）在現(xiàn)有設備的基礎上，混合采用Modbus和Profibus兩種總線協(xié)議，以較低的成本實現(xiàn)了坐標類數(shù)據(jù)在相機-PLC-機器人之間的實時傳送。

（2）可以配置相機程序和PLC程序和算法，實現(xiàn)一條產(chǎn)線對于多種貨物的分揀和生產(chǎn)，整個系統(tǒng)具有較高的柔性。

（3）由于Profibus通訊協(xié)議為定周期通訊，如果工件運動速度過高，需要為機器人端配置Multi Tasking功能，將工件數(shù)據(jù)的傳送與賦值類程序放置于后臺實時運行。

參考文獻

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