孟靜靜 郝 睿 王惠卿 張 洋

(長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校電氣工程學(xué)院,吉林 長春130011)

工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動(dòng)化裝備的主流及未來的發(fā)展方向，在國內(nèi)外許多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。

2014-2019年5年時(shí)間里，全球機(jī)器人安裝量增加近85%。2020年，新冠疫情席卷全球，世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)陷入低迷。中國由于控制疫情較為得當(dāng)，率先擺脫困境，成為全球唯一正增長的主要經(jīng)濟(jì)體，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量增速也由負(fù)轉(zhuǎn)正，保持著上漲勢(shì)頭。2020年中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量為23.7萬套，累計(jì)增長19.1%。我國是全球第一大工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)。隨著生產(chǎn)制造智能化改造升級(jí)，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)將持續(xù)旺盛。我國工業(yè)機(jī)器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)巨大，從“中國制造”走向“中國智造”[3]。機(jī)器人技術(shù)發(fā)展勢(shì)不可擋、大勢(shì)所趨，已被列入“中國制造2025”十大重點(diǎn)領(lǐng)域的第二位[4]。工業(yè)機(jī)器人體積龐大，運(yùn)動(dòng)軌跡范圍較大，調(diào)試起來較為復(fù)雜，因此在應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的前期通常借助于機(jī)器人專業(yè)仿真軟件。在軟件環(huán)境中模擬生產(chǎn)線運(yùn)行過程，并進(jìn)行調(diào)試，可有效降低生產(chǎn)成本、安全風(fēng)險(xiǎn)等[5]。ABB工業(yè)機(jī)器人是由瑞典ABB公司生產(chǎn)，同時(shí)他們還開發(fā)了 RobotStudio計(jì)算機(jī)仿真軟件，該軟件功能巨大，可以在線仿真編程示教功能，還有CAD 模型導(dǎo)入、動(dòng)態(tài)仿真和碰撞檢測(cè)等功能。軟件中的參數(shù)跟環(huán)境跟真實(shí)機(jī)器人都相同，以及仿真示教器、控制器以及IO信號(hào)模塊以及指令都同真實(shí)機(jī)器人一樣。因此，可以在仿真軟件中編寫以及調(diào)試程序，就可以模擬真實(shí)環(huán)境，將程序調(diào)試好后導(dǎo)入到真實(shí)工業(yè)機(jī)器人中只需要校正真實(shí)環(huán)境中的軌跡點(diǎn)就可以正常應(yīng)用。

1 智能包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能包裝自動(dòng)化生產(chǎn)線中由上料單元、加蓋擰緊單元、智能分揀單元、工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)單元和智能倉儲(chǔ)單元5個(gè)工作單元組成，實(shí)現(xiàn)空瓶上料、顆粒物料上料、物料分揀、顆粒填裝、加蓋、擰蓋、物料檢測(cè)、瓶蓋檢測(cè)、產(chǎn)品分揀、機(jī)器人搬運(yùn)合格產(chǎn)品入盒、盒蓋包裝、貼標(biāo)及入庫等自動(dòng)生產(chǎn)全過程。本文針對(duì)工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)單元研究機(jī)器人工作布局、運(yùn)動(dòng)軌跡、離線編程實(shí)現(xiàn)控制要求，完成盒蓋包裝以及貼簽工作。本系統(tǒng)采用ABB IRB120機(jī)器人，ABB推出一款迄今最小的多用途工業(yè)機(jī)器人，緊湊、敏捷、輕量的六軸IRB 120，僅重25 kg，荷重3 kg，工作范圍達(dá)580 mm。緊湊的機(jī)型結(jié)合輕量化使IRB120具有卓越的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，具有低投資、高產(chǎn)出的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)通過機(jī)器人與PLC之間的連接實(shí)現(xiàn)智能控制過程，并通過人機(jī)界面MCGS實(shí)現(xiàn)觸摸屏上位機(jī)監(jiān)視與控制。

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)智能包裝自動(dòng)生產(chǎn)線控制要求，結(jié)合ABB工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)制造中的應(yīng)用，前序分揀單元完成后合格的瓶裝物料放入待包裝區(qū)，工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)單元有兩個(gè)升降臺(tái)機(jī)構(gòu)存儲(chǔ)包裝盒和包裝盒蓋；升降臺(tái)A將包裝盒推向物料臺(tái)上；6軸機(jī)器人將物料瓶抓取放入物料臺(tái)上的包裝盒內(nèi)；包裝盒4個(gè)工位放滿物料瓶，如圖1所示。

物料放滿之后6軸機(jī)器人從升降臺(tái)B上吸取盒蓋，蓋在包裝盒上；6軸機(jī)器人根據(jù)瓶蓋的顏色對(duì)盒蓋上標(biāo)簽位進(jìn)行分別貼標(biāo)，貼完4個(gè)標(biāo)簽后通知智能倉儲(chǔ)單元入庫。貼標(biāo)簽如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

通過PLC編程實(shí)現(xiàn)總體編程，PLC與機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，配置好IO點(diǎn)，關(guān)聯(lián)PLC與機(jī)器人的輸入輸出點(diǎn)。最終實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(2)工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)單元底盒升降機(jī)構(gòu)的推料氣缸將物料底盒推出到包裝工作臺(tái)上，同時(shí)定位氣缸伸出，物料臺(tái)檢測(cè)傳感器動(dòng)作，該單元上的機(jī)器人開始自動(dòng)執(zhí)行瓶子搬運(yùn)功能，其運(yùn)行軌跡如圖4。

(3)當(dāng)盒子中裝滿4個(gè)瓶子后，機(jī)器人開始自動(dòng)執(zhí)行盒蓋搬運(yùn)功能，其運(yùn)行軌跡如圖5。

(4)機(jī)器人蓋好盒蓋后，開始自動(dòng)執(zhí)行標(biāo)簽搬運(yùn)功能，標(biāo)簽的粘貼與物料裝到盒子中盒蓋的顏色對(duì)應(yīng)。其運(yùn)行軌跡如圖6。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制器使用三菱FX2N系列PLC進(jìn)行編程。在PLC中軟件編程實(shí)現(xiàn)推料氣缸動(dòng)作及檢測(cè)，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)升降臺(tái)A、升降臺(tái)B的動(dòng)作運(yùn)行，檢測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖數(shù)，對(duì)升降臺(tái)的升降位置進(jìn)行精確定位。通過機(jī)器人仿真軟件RobotStudio在工作站中編輯機(jī)器人程序，機(jī)器人完成瓶的搬運(yùn)、蓋瓶蓋以及貼標(biāo)簽的動(dòng)作。RobotStudio 自帶機(jī)器人庫、模型庫等模型，可根據(jù)要求選用相應(yīng)型號(hào)的機(jī)器人并直接加載到工作站中[6]。實(shí)現(xiàn)工作站的運(yùn)行動(dòng)態(tài)效果，在軟件中建立機(jī)器人工作站，創(chuàng)建好工具坐標(biāo)工件坐標(biāo)以及有限載荷等參數(shù)。真實(shí)的工作環(huán)境中以 PLC 作為中央控制系統(tǒng)，將PLC 與機(jī)器人等設(shè)備 I/O 板進(jìn)行連接，接收現(xiàn)場(chǎng)傳感器和工業(yè)機(jī)器人等發(fā)送來的信號(hào)[7]。在機(jī)器人工作站中配置機(jī)器人IO信號(hào)板，信號(hào)板選擇DSQC652板，配置端子DeviceNet 中Address地址為10。Singal信號(hào)中添加機(jī)器人的IO信號(hào)，定義使用的IO信號(hào)[8]。表1為機(jī)器人需要配置的系統(tǒng)IO。機(jī)器人與PLC之間的IO信號(hào)通信，直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接完成。其中表2為兩者之間的信號(hào)關(guān)系。

表1 機(jī)器人系統(tǒng)IO

表2 機(jī)器人與PLC信號(hào)對(duì)應(yīng)表

3 機(jī)器人工作站軟件系統(tǒng)編程

3.1 PLC編程實(shí)現(xiàn)升降臺(tái)A、B動(dòng)作要求

驅(qū)動(dòng)部分使用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，連接PLC的I/O信號(hào)，在PLC中編程完成脈沖設(shè)置。設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的撥碼為01110111，設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的鎖機(jī)電流大小為1.04 A，設(shè)置細(xì)分表為400，主要用于位移脈沖控制。在PLC中通過尋找原點(diǎn)，絕對(duì)位移以及相對(duì)位移完成升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)距離，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)定每一個(gè)物料盒上升的脈沖數(shù)為從原點(diǎn)位置往上運(yùn)動(dòng)脈沖為2 500，此數(shù)據(jù)根據(jù)多次測(cè)量所得的理想脈沖數(shù)。其中位移脈沖主要程序如圖7。

3.2 機(jī)器人離線編程

ABB工業(yè)機(jī)器人的程序包括系統(tǒng)模塊和用戶建立的模塊，在用戶模塊中創(chuàng)建模塊完成多個(gè)控制要求編，通過創(chuàng)建模塊構(gòu)建機(jī)器人的程序[9]。工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)器人很多的場(chǎng)合用于物品的搬運(yùn)。主要包括水平搬運(yùn)和水質(zhì)搬運(yùn)，本系統(tǒng)中的搬運(yùn)屬于水平搬運(yùn)范疇，機(jī)器人從物料臺(tái)中取出物料放入到指定的物料盒里，將物料盒裝滿后將物料盒蓋上盒蓋，之后對(duì)所放入的物料進(jìn)行貼標(biāo)簽動(dòng)作，貼完所有標(biāo)簽，一個(gè)動(dòng)作流程完成。實(shí)現(xiàn)的搬運(yùn)過程比較復(fù)雜。通過離線編程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)作要求，在RobotStudio軟件軟中創(chuàng)建機(jī)器人工作站，并創(chuàng)建系統(tǒng)，在編程模塊通過使用偏移指令完成物料移動(dòng)的動(dòng)作，完成機(jī)器人將物料放入物料盒，并貼入標(biāo)簽的動(dòng)作。并在實(shí)際工作中校驗(yàn)機(jī)器人點(diǎn)位即可實(shí)現(xiàn)上述搬運(yùn)過程控制。圖8為搬運(yùn)瓶動(dòng)作的流程圖。

3.3 上位機(jī)觸摸屏實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用了MCGS觸摸屏實(shí)現(xiàn)了上位監(jiān)控功能，在觸摸屏畫面監(jiān)控到機(jī)器人工作站各個(gè)位置到位信號(hào)。

整個(gè)系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了上料工作站、加蓋擰緊工作站、智能分揀工作站、工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工作站、智能倉儲(chǔ)工作站，根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)全部自動(dòng)化運(yùn)行，將所有的工作站建立通信連接，采用RS485進(jìn)行通信。

物料在多個(gè)工作站之間完成不同的工序，通過各個(gè)工作站之間的通信完成信號(hào)互通，在上料工作站中將物料裝入瓶中完成裝瓶工作，裝好瓶后將信號(hào)發(fā)送到加蓋擰緊工作站，可以進(jìn)行加蓋擰緊工作，擰緊完成信號(hào)通知智能分揀工作站可以進(jìn)行分揀工作，分揀完成后合格的物料可以包裝，通知機(jī)器人工作站，在機(jī)器人工作站完成瓶裝入包裝盒、蓋包裝盒蓋、貼標(biāo)簽工序，標(biāo)簽貼完后推到物料臺(tái)以備倉儲(chǔ)，通知智能倉儲(chǔ)工作站進(jìn)行智能碼垛完成最終倉儲(chǔ)工作。通過工作站之間互聯(lián)完成互聯(lián)互通，整個(gè)系統(tǒng)完成全自動(dòng)運(yùn)行。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合的方式，完成工作站之間的通信，利用PLC與機(jī)器人等外圍設(shè)備的I/O板進(jìn)行連接，接受各個(gè)工作站發(fā)送來的信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的操作。在RobotStudio中通過離線編程完成機(jī)器人站的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡編程實(shí)現(xiàn)整體自動(dòng)生產(chǎn)線的規(guī)劃。根據(jù)ABB-IRB120工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)制造中的應(yīng)用設(shè)計(jì)自動(dòng)生產(chǎn)智能包裝系統(tǒng)的建模，并建立相應(yīng)的控制系統(tǒng)和I/O信號(hào)，同時(shí)可以通過軟件的仿真功能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作。并通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)上位監(jiān)控功能。