基于PLC控制系统的智能机器人自动生产线设计
2021-12-26杨旭东
杨旭东
广州数控设备有限公司 广东 广州 510530
1 基于PLC控制的工业机器人系统与控制原理
PLC在现代工业中扮演着重要角色，与工业机器人的融合一同成为工业生产线的重要组成部分。在大型PLC控制系统与工业机器人控制系统的联合生产应用中，均是以PLC系统为主、机器人控制系统为辅。将PLC控制技术应用到机器人的自动化控制系统中，可有效改善系统操作性能、强化系统控制能力、增强网络通信功能。此外，工业生产线中的多个工业机器人，可通过PLC控制技术连接在一起，实现对工业机器人的集成控制，便形成了自动化的工业生产线，极大地提高了完成生产任务的质量与效率，加快机电一体化的发展进程。
工业机器人需要完成一系列复杂的生产线工作，如货物搬运、抓取、检测等，利用适应性、稳定性强的PLC技术可有效提高系统整体性能。集成控制系统主要原理是：将PLC作为工业机器人的核心控制器，借助传感器、操纵界面、油压机完成相关工作指令的输入，对控制面板各类指令的输入进行具体设计，再在传感器的作用下，实现对设备运行状态以及工作状态的有效控制。主要利用的是PLC对气缸的驱动功能，电磁阀在接受PLC传输的指令后，通过吸合与释放等运动实现对机器人功能的控制。PLC传递或接收信号实现对机器人动作的控制，进而完成工业生产的装配与检测。
2 自动化生产线总体方案与系统控制思路
下面以适应多品种小批量生产的生产线为例，完成产品生产装配和装盒入库作业，产品机器完整的过程都包含以下6个工艺步骤，分别为：打磨，前期装配，中期装配，后期装配，成品装盒，加盖入库。现具体以打磨手机底壳+安装手机键盘+安装手机屏幕+安装手机上盖+手机成品入盒+手机成品盒加盖工艺为例。
整个系统由6个子单元（工业机器人打磨单元、工业机器人前期装配单元、工业机器人中期装配单元、工业机器人后期装配单元、工业机器人成品装盒单元、工业机器人成品盒加盖入库单元）和1个系统信息总控单元组成，按照工艺流程，每个子单元完成一个独立的工艺步骤。每个子单元既能单独运行，也能在系统信息总控单元发出总控指令的情况下6个子单元联机按顺序自动运行。系统信息总控单元通过工业以太网与总线进行各单元集成作业，系统通过工业总线和TCP/IP协议让总控单元与各子单元联网。
该系统能实现双系统工作模式：单机模式/联机模式。在单机模式下，可以通过示教盒或触摸屏等独立操纵机器人或变位机或传送带运动。联机模式下，由总控单元发出指令，6个工艺子单元协同顺序动作，连续完成整个装配装盒工艺过程[1]。
3 系统软件设计
根据工艺流程，整个PLC项目由6个PLC程序和6个HMI程序组成，每个单元由一个独立的PLC控制。单元PLC程序设计有3个全局数据块，分别为总控数据块、流程数据块和工作站数据块。总控数据块是信息系统总控单元与PLC使用ModbusTCP协议进行数据通信的数据区，是联机模式的命令和状态数据。工作站数据块里包含了联机模式和单机模式下的机器人、传送带和变位机三个执行器详细的命令和状态数据。流程数据块是联机模式下，机器人，传送带，变位机3个执行器接收到的命令信号。单元PLC主程序中依次调用总控通信FB、传送带FB、变位机FB、机器人FB、系统报警FB5个功能块。
其中“总控通信”FB实现是使用服务器指令接收并处理“信息系统总控单元”客户端的连接请求，并将全局数据块中的“通信数据块”作为服务器和客户机通信的数据区。“传送带”FB实现是将“流程数据块中”的联机模式命令和单机模式下来自HMI面板的命令传送给工作站数据块中的传送带部分。“变位机”FB实现是将“流程数据块中”的联机模式命令和单机模式下来自HMI面板的命令传送给工作站数据块中的变位机部分。“机器人”FB实现是将“流程数据块中”的联机模式命令和单机模式下来自HMI面板的命令传送给工作站数据块中的机器人部分。“系统报警”FB实现是通过急停、变位机伺服报警，传送带变频器报警等报警显示、报警喇叭和报警指示灯处理[2]。
4 系统测试
系统功能测试按单机模式和联机模式2种模式分别进行。单机模式下测试可使用示教盒和触摸屏实现独立工作站监控。联机模式下测试需总控单元和6个子单元一起配合。首先各单元立体仓库中的工件应按要求摆放，快换工具均放置在工具库中指定位置，同时，各单元PLC信号均处于复位状态，工业机器人均处于自动运行模式，然后运行总控计算机上的总控软件。通过测试结果表明，该生产线整体调试结果符合预期效果，实现产品加工的自动化生产，且运行可靠、效率高，该产线方案有较强的通用性，对于柔性自动化生产线的研制、应用和推广具有一定的借鉴意义。
5 结束语
工业机器人是一种机电一体化的高技术产品，在众多生产领域广泛应用。近年来，随着PLC技术的不断进步，将PLC技术应用到工业机器人控制系统的情况已非常普遍，并且工业机器人控制过程中所强调的柔性以及拓展性正可以通过基于PLC的工业机器人控制系统完美地体现出来，这也大大提高了机器人控制系统的安全性及可靠性。基于此，本文结合自身工作实际，以PLC与机器人联合控制自动生产线设计为案例，完成硬件系统构造设计，并做出控制特点、思路设计与分析。软件测试结果表明，整条产线能在单机和联机模式下适应多种典型产品的生产工艺，有效地提高了设备利用率。
