周永強(qiáng)

（洛陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471000）

0 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人在裝配、搬運(yùn)、碼垛、焊接等方面應(yīng)用日益廣泛，有效節(jié)省了人力成本，保證了精度，提高了生產(chǎn)效率[1]。各職業(yè)院校近年來(lái)為服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，紛紛開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，然而，采購(gòu)工業(yè)生產(chǎn)用機(jī)器人專用設(shè)備，不僅價(jià)格昂貴，功能單一，而且更新?lián)Q代速度快，所以職業(yè)院校大都采購(gòu)工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，使裝配、焊接等多個(gè)功能在一個(gè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)上都能實(shí)訓(xùn)，這其中變位機(jī)模塊起了至關(guān)重要的作用。變位機(jī)若能根據(jù)具體實(shí)訓(xùn)功能自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)至不同位置，再由機(jī)器人借助專用工裝夾具完成裝配、碼垛、焊接等工作，便可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)功能的多樣化，擴(kuò)大學(xué)生實(shí)訓(xùn)廣度，大大減少職業(yè)院校機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備采購(gòu)成本。因此，研究基于變位機(jī)的多功能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)臺(tái)的自動(dòng)控制對(duì)于滿足職業(yè)院校一機(jī)多用的需求和機(jī)器人專業(yè)高質(zhì)量?jī)?nèi)涵發(fā)展具有重要意義。

1 多功能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)概述

本文所述多功能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)臺(tái)按照功能由工業(yè)機(jī)器人模塊、PLC與觸摸屏模塊、變位機(jī)模塊、快換工裝模塊、裝配、碼垛和焊接等功能模塊組合搭建而成，可以完成裝配、碼垛、模擬焊接等典型應(yīng)用實(shí)例的機(jī)器人編程操作與維護(hù)[2]。工業(yè)機(jī)器人采用最小的六軸ABB機(jī)器人IRB 120，配置IRC5C 緊湊型工業(yè)機(jī)器人控制器，PLC 采用S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC，觸摸屏采用MCGS 的MT8102。通用六軸機(jī)器人本身并不帶工具[3]，為了實(shí)現(xiàn)多功能實(shí)訓(xùn)對(duì)機(jī)器人末端夾具的個(gè)性化要求，實(shí)訓(xùn)臺(tái)配置快換工裝模塊，裝配時(shí)取夾爪，分揀和碼垛時(shí)取吸盤(pán)，焊接時(shí)取放工件用夾爪，模擬焊接用畫(huà)筆等等。多功能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)臺(tái)控制系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 實(shí)訓(xùn)臺(tái)控制系統(tǒng)

變位機(jī)初始位置在水平位置，轉(zhuǎn)動(dòng)至位置1，與氣動(dòng)夾具配合可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人裝配和焊接，旋轉(zhuǎn)至位置2，配合工件夾緊裝置可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人打磨功能，旋轉(zhuǎn)至位置3，固定上紙張，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人畫(huà)筆繪畫(huà)功能。變位機(jī)到達(dá)位置1、2、3 由伺服電機(jī)拖動(dòng)，PLC 發(fā)送脈沖信號(hào)給伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器[4]，經(jīng)放大處理后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，位置1、2、3 的檢測(cè)由3個(gè)接近開(kāi)關(guān)完成。

2 裝配功能的實(shí)現(xiàn)原理

2.1 硬件連接

多功能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程實(shí)際上就是觸摸屏、PLC、機(jī)器人3 者之間的信息交換。3 者的硬件連接如圖2所示。觸摸屏與西門(mén)子PLC采用Pro?finet 通信協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)口直接相連。因?yàn)锳BB 機(jī)器人支持的是Devicenet 通訊，而西門(mén)子PLC 支持Profi?net 通訊協(xié)議，多功能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)臺(tái)需要在兩者之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較多，所以通過(guò)HD67609 通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換器，采用總線方式通訊[5]。

圖2 通訊連接圖

裝配功能是機(jī)器人按照要求通過(guò)夾具拾取指定的工件，并把該工件精確裝配到指定的主體工件內(nèi)。裝配工作流程：裝配開(kāi)始前，變位機(jī)在初始的水平位置，啟動(dòng)裝配程序后，變位機(jī)先回到位置1。變位機(jī)到達(dá)位置1后，機(jī)器人取夾爪。機(jī)器人先抓取工件底座，到達(dá)變位機(jī)氣缸夾緊工件底座的位置上方。機(jī)器人氣爪松開(kāi)，變位機(jī)氣缸夾緊。機(jī)器人再將中心部件抓取并放入工件底座中。機(jī)器人最后將工件上蓋抓取并放入工件底座上，機(jī)器人放夾爪，裝配完成。如圖3所示。

圖3 裝配工作流程

分析可知，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人裝配功能需要控制的輸入輸出信號(hào)包括變位機(jī)位置信號(hào)、快換工裝信號(hào)、夾爪松緊信號(hào)、電磁閥、工件固定的夾緊放松信號(hào)等。PLC與機(jī)器人的IO信號(hào)地址分配如表1所示。

表1 PLC與機(jī)器人的IO信號(hào)地址分配

2.2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于表中PLC 與機(jī)器人之間的交互信號(hào)，如I256.4 對(duì)應(yīng)機(jī)器人信號(hào)BWJWeiZhi1，是機(jī)器人傳送給PLC 的信號(hào)，表示請(qǐng)求變位機(jī)到位置1；又如Q259.0對(duì)應(yīng)機(jī)器人信號(hào)BWJ1DaoWei，是PLC傳送給機(jī)器人的信號(hào)，表示變位機(jī)位置1到達(dá)信號(hào)。這些信號(hào)是通過(guò)總線傳輸?shù)?，必須先進(jìn)行通訊設(shè)置。需要先在西門(mén)子PLC 的編程軟件中進(jìn)行通訊設(shè)置，打開(kāi)博途軟件，安裝ABB 機(jī)器人的GSD 文件，然后在Profinet 網(wǎng)絡(luò)配置中把出現(xiàn)的ABB 機(jī)器人設(shè)備拖拽到網(wǎng)絡(luò)視圖中[6]，并設(shè)置好各自的IP 地址，特別注意PLC 與機(jī)器人的IP 地址在同一網(wǎng)段內(nèi)。然后，進(jìn)入設(shè)備視圖，為機(jī)器人配置IO 點(diǎn)，IO 地址可以選擇默認(rèn)或者根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修改，機(jī)器人輸入給PLC的總線通訊輸入點(diǎn)和PLC 輸出給機(jī)器人的輸出點(diǎn)就在此設(shè)置。

完成了在PLC 側(cè)的設(shè)置后，還需要在機(jī)器人側(cè)進(jìn)行設(shè)置，打開(kāi)ABB 機(jī)器人編程軟件Robotstudio，并連接到機(jī)器人，先配置“Unit Type”，與PLC端輸入輸出相對(duì)應(yīng)，配置好“Unit”選項(xiàng)，最后配置“Bus”單元，選擇Lan Port口，設(shè)置總線通訊的IP地址，注意不能與機(jī)器人編程調(diào)試的地址沖突[7]。最后在“Station name”選項(xiàng)處，設(shè)置與PLC通訊時(shí)的Profi?net I/O子站的名稱，與PLC側(cè)保持一致即可。重啟機(jī)器人系統(tǒng)后，PLC與機(jī)器人即可通過(guò)總線實(shí)時(shí)通訊[8]。

2.3 實(shí)現(xiàn)原理

多功能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)臺(tái)一般設(shè)置演示和練習(xí)2種模式，通過(guò)觸摸屏操作。為了程序邏輯清晰，可讀性強(qiáng)，機(jī)器人程序建立很多任務(wù)模塊，分別建立若干的例行程序，在main主程序中進(jìn)行調(diào)用。本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)把各個(gè)功能模塊以功能代碼進(jìn)行區(qū)分，如表2所示。

表2 實(shí)訓(xùn)模塊對(duì)應(yīng)功能代碼一覽表

以裝配功能演示為例，自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)的過(guò)程如下。

在觸摸屏上選擇“我要演示”，通過(guò)中間變量M，PLC 程序運(yùn)行，進(jìn)入功能演示界面，機(jī)器人Rap?id主程序開(kāi)始運(yùn)行，選擇“裝配功能”，就選中了功能代碼1，即調(diào)用裝配功能子程序開(kāi)始運(yùn)行。裝配子程序部分程序及注釋如下：

工業(yè)機(jī)器人裝配前，要求變位機(jī)轉(zhuǎn)至位置1。確認(rèn)變位機(jī)到達(dá)位置1，才能執(zhí)行機(jī)器人取夾爪進(jìn)行后續(xù)的裝配任務(wù)。

PulseDOPLength:=0.2,BWJWeiZhi1;即機(jī)器人輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，請(qǐng)求變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到位置1，對(duì)應(yīng)PLC 的輸入信號(hào)I256.4，即變位機(jī)到位置1 信號(hào)，在PLC 梯形圖中，當(dāng)I256.4 為1 時(shí)，會(huì)將發(fā)送給觸摸屏M地址的信號(hào)置位，表明變位機(jī)處于啟動(dòng)位置到1的狀態(tài)。

WaitDI BWJ1DaoWei,1;即變位機(jī)到達(dá)位置1，PLC通過(guò)程序給機(jī)器人發(fā)信號(hào)置位Q259.0，表明變位機(jī)位置1到達(dá)，下一步就可以調(diào)用取夾爪子程序了。

若在規(guī)定時(shí)間變位機(jī)未達(dá)位置1，則復(fù)位變位機(jī)到達(dá)位置1 信號(hào)Q259.0，將不執(zhí)行調(diào)用取夾爪子程序。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)臺(tái)控制系統(tǒng)，利用變位機(jī)模塊，采用總線通訊，可以實(shí)現(xiàn)裝配、碼垛、分揀、模擬焊接等多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)功能，能有效降低職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)設(shè)備購(gòu)買成本，提高學(xué)生實(shí)訓(xùn)效果。