基于PLC控制的机器人无人车间系统设计

王燕 林党养

摘 要：本课题研究和解决将工业机器人结合自动化技术应用在生产实际中，提高各个生产加工环节的模块化、智能化，取代工人从事复杂、重复的操作，帮助企业做到产业升级，技术改进，提高产品竞争力、保证产品质量，提高工作效率，从根本上解决当前部分企业的技术困境和技术升级。

关键词：工业机器人；PLC技术；AGV技术；视觉系统；无人车间

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

0 引言

在我国机器人的使用已经接近二十余年，基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。随着我国改革开放的逐渐深入，国内的机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击。因此，掌握国内机器人市场的实际情况，把握我国机器人的相关技术与研究进展，显得尤为重要。

1 工业机器人技术

从亚马逊仓库中自动装卸货物的机器人、富士康生产线装配零件的机器人、执行特殊危险任务的特种机器人及以智能化军用无人机，各类用途机器人正在被广泛地应用于丰富的场景之中。而工业机器人是最先产业化的机器人技术，综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能 、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域，适应制造业规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业[1]。

工业机器人是一种仿人操作自动控制，由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感器装置构成，可重复编程，能在三维空间完成各种作业，特别适合于多品种、变批量柔性生产。对稳定和提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件的快速更新换代起着十分重要作用。工业机器人可逐步改善劳动条件，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代。提高生产效率和保证产品质量，消除枯燥无味的工作，节约劳动力，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险，提高机床工作效率、减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存，提高企业综合竞争力[2]。

2 无人车间系统设计

本课题研究和解决的问题是在生产实际中将工业机器人结合自动化技术，广泛应用于各个生产加工环节，取代工人从事复杂、重复的操作，帮助企业做到产业升级，技术改进，提高产品竞争力、保证产品质量，提高工作效率，从根本上解决当前部分企业的技术困境和技术升级。方案实施后，预计可节省15-20名工人，节省生产成本近120万/年。

为实现企业的技术升级，本次系统设计主要解决企业生产中“机器换工”问题，设计一套实用性强，更新简易，操作方便的工业机器人综合应用系统，基于西门子S7 1200 PLC编程，结合自动化控制技术，实现柔性化的“无人工厂”。

根据企业具体需求，在原有的生产设备的基础上，改造和增加自动控制功能，开发一套基于西门子S7 1200 PLC控制的机器人无人车间系统设计，可完成企业所需的所有功能要求。系统基本运行流程描述如图1所示：

（1）数控车床部分功能改造。

（2）直角坐标机械手臂完成工件的装卸。

（3）搬运机器人完成零件搬运及装配。

（4）工业机器人完成焊接。

（5）工业机器人完成包装。

（6）AGV完成成品搬运至仓储单元。

3 关键技术

此次设计根据企业的具体需求，从以下六部分进行改造升级：

3.1 数控车床部分功能改造

原数控车床的卡盘为普通三爪卡盘，装卸工件时费时费力，且因力度完全凭工人的操作感觉，用力过度破坏工件表面质量的情况时有发生，影响产品的合格率。

此次改造的目的为将普通三爪卡盘更换成气动卡盘，通过程序控制启动回路，实现卡盘的自动张开、夹紧，进而实现无人操作。

关键技术：气动卡盘的硬件设计、气动回路控制、自动控制技术

3.2 直角坐标机械手臂（装卸工件）

原有的数控车床的上下装卸工件都由人工操作，属于机械式的重复劳动，劳动强度大、技术含量低。为实现无人操作，设计一种机械手臂，完成工件的自动上、下料。

关键技术：机械臂结构设计、传感器技术、单片机程序设计、APC220无线数据传输技术。

3.3 搬运机器人

车间有多台数控机床同时加工零件，需要将已加工的工件搬运至指定位置，完成相应的装配任务，保证装配精度。

关键技术：结构设计、传感器技术、高能效移动电源、单片机编程技术、APC220无线数据传输技术等。

3.4 视觉系统、工业机器人焊接单元

关键技术：智能视觉识别系统、视觉编程、PLC控制系统、Profinet总线控制、以太网总线modbus、精确焊缝轨迹跟踪技术等。

3.5 包装单元

六自由度工业机器人根据放置位置的XYZ坐标偏移和旋转角度把物品放入箱中（部分偏移运算由主控系统计算，整合到Z轴偏移中给六自由度工业机器人），并自动打包封箱。

3.6 自动仓储单元的系统控制设计

关键技术：AGV移动机器人自移动、自动导航、多传感器控制技术，立体仓库的控制技术、PLC控制技术等。

基于PLC控制的工业机器人系统由焊接单元、包装单元、仓储单元等功能主要由产品流水線、视觉系统、工业机器人（焊接）、包装流水线、工业机器人（包装）、AGV智能搬运机器人、立体仓库和码垛机器人组成，如下图2所示。

①产品流水线，将搬运机器人装配好的产品传送给下一环节；

②智能视觉系统，对流水线上的产品进行识别，通过智能相机识别物品数量、类型、相对于标定原点的位置、相对于标定姿态的旋转角度并把识别结果传输至主控系统PLC；

③焊接工业机器人系统，根据主控系统PLC发送的数据，对流水线上的产品进行焊接；

④托盘流水线，负责把货品托盘输送到视觉检测工位，经视觉定位识别输送到抓取工位；

⑤包装机器人识别产品的合格与否，将合格产品放置于包装流水线上的指定包装盒中，不合格产品将被放置于废品库中；

⑥AGV智能搬运机器人，将已包装的产品与码垛机立库系统对接，沿铺设的磁条运行，将产品搬运到立体仓库；

⑦立体仓库和码垛机器人，码垛机器人可以按需要，将成品放置立体仓库中。

该部分系统通过工业以太网总线，把工业机器人、主控流水线PLC、码垛机立库系统PLC、码垛机立库系统触摸屏、主控流水线触摸屏、视觉系统、变频器、AGV机器人以及编程开发计算机等均通过以太网连接。编程开发计算机负责开发调试程序、视觉系统特征识别开发以及机器人示教等编程。码垛立库系统和主控流水线触摸屏负责管理码垛立库系统、主控流水线的运行参数，以及系统报警和提示信息等。本系统采用国际上先进的控制理念和最新的控制产品，采用网络化控制模式，系统主要控制框图如图3所示。

4 系统设计特色

（1）本系统设计采用国际上先进的控制理念和最新的控制产品，采用网络化控制模式，各种现场总线以及控制方式，为工业现场常用方式，有着很强的实用性。

主控流水线由西门子S7 1200主控制器负责管理整个系统的联动运行。通过Profinet总线控制流水线的运动，通过高速脉冲输出控制步进系统的运行，通过以太网总线modbus TCP协议和工业机器人系统和视觉识别系统进行数据交互，并保留有通过RS232串口通讯模块扩展模块，可对位置传感器的位置信息进行读取。同时通过profinet总线和码垛立库系统进行通讯，通过无线网络和AGV智能搬运机器人进行数据交互。

（2）解决工业企业“机器换工”的迫切需求，加速工业企业智能化进程，实现提质增效的同时，也使企业技术订制成为可能；制造业向制造服务业转变，为传统制造业升级提供整体解决方案，可拓展服务领域，对企业自身转型和带动行业提升具有现实意义。

参考文献：

[1]王一.工业机器人视觉测量系统的在线校准技术[D].机器人，2011.

[2]刘海涛.工业机器人的高速高精度控制方法研究[D].华南理工大学，2012（01）.

[3]邢继生，甘亚辉，戴先中.基于工件模型的工业机器人自动编程系统[D].机器人，2017（02）.

[4]王光祥，曹应明.浅析基于PLC的机械手自动控制系统编程思路[J].新课程（下），2013（03）.

[5]常慶凯.带操作臂的小型移动机器人系统[D].哈尔滨工业大学，2016（03）.

作者简介：王燕（1983-），女，讲师，从事机电技术研究。