李欣洋

朝陽工程技術(shù)學(xué)校 遼寧 朝陽 122000

引言

當(dāng)前我國智能制造已步入高速發(fā)展階段，工業(yè)機(jī)器人作為貨物搬運(yùn)、碼垛的重要工具被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，促使生產(chǎn)效率與智能化水平得到顯著提升。操作系統(tǒng)作為控制工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行具體作業(yè)的核心，主要承擔(dān)信息獲取與處理、編程設(shè)計(jì)、控制與管理等功能，引入PLC與觸摸屏技術(shù)可有效提升設(shè)備控制效果、優(yōu)化人機(jī)交互性能，輔助工業(yè)機(jī)器人更加智能、穩(wěn)定地完成碼垛任務(wù)要求。

1 碼垛工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求 碼垛工業(yè)機(jī)器人主要用于在流水線上執(zhí)行產(chǎn)品分揀、堆垛作業(yè)，當(dāng)產(chǎn)品或碼垛位置發(fā)生變化時，需調(diào)節(jié)機(jī)器人控制器的運(yùn)行模式，重新完成機(jī)器人程序編寫[1]。在碼垛工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)上，不同種類、不同體積的物件在碼垛方式、放置位置和行進(jìn)距離上均存在一定差異，在單次啟動機(jī)器人控制器后僅能執(zhí)行一次程序，并且當(dāng)操作要求產(chǎn)生變化后，需中斷操作系統(tǒng)運(yùn)行，重新進(jìn)行機(jī)器人程序的編寫與調(diào)試。結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)情況，應(yīng)同時滿足高生產(chǎn)率與靈活控制要求，因此可將PLC引入機(jī)器人控制系統(tǒng)中，利用PLC定位模塊實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的定位控制，聯(lián)合機(jī)器人程序、觸摸屏建立通信交互，以此完成碼垛工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可面向不同碼垛要求，在啟動機(jī)器人控制器后調(diào)用不同機(jī)器人程序，且無需中斷系統(tǒng)運(yùn)行，進(jìn)一步提高流水線上的作業(yè)效率。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，選用三菱RV-F系列垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人、Q系列PLC(含有運(yùn)動控制Q02U CPU和定位模塊QD75P1N)、控制器、示教儀、按鈕盒、氣泵、真空發(fā)生器、伺服放大器MR-J4-20A和觸摸屏。利用RV-F系列機(jī)器人與PLC聯(lián)合執(zhí)行靜止、運(yùn)動兩種狀態(tài)下物件的抓取、碼垛放置操作，PLC的CPU分別用于處理輸入模塊QX40、觸摸屏的輸入信號及操作指令信號，獲取操作信號和物料信息，并將處理結(jié)果反饋至觸摸屏，供操作人員在人機(jī)交互界面查看碼垛位置狀態(tài)信息以及物料進(jìn)給信息；還可將操作指令信號反饋至定位模塊，由定位模塊驅(qū)動伺服放大器、調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和角度；輸出模塊QY10與工業(yè)機(jī)器人I/O端口相連，將處理后的操作指令信號進(jìn)行輸出，控制機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成碼垛任務(wù)[2]。

1.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì) 本文選用三菱GS2110-WTBD觸摸屏作為操作系統(tǒng)的組成部分，電源為DC 24V，內(nèi)置以太網(wǎng)通訊、串口通訊、USB通訊、SD卡槽，支持與多種外圍設(shè)備通訊，可實(shí)現(xiàn)與連接FA設(shè)備的數(shù)據(jù)一元化管理，并且提供FX指令表編輯功能，便于現(xiàn)場進(jìn)行FX-PLC程序修改。觸摸屏可通過以太網(wǎng)、RS232串口與USB端口連接通訊，實(shí)時下載監(jiān)控畫面，通過操作畫面上的按鈕實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場開關(guān)的遠(yuǎn)程控制與動態(tài)監(jiān)控，并且提供報(bào)警功能。

在操作方式上，該觸摸屏設(shè)有觸覺反饋系統(tǒng)，當(dāng)操作人員用手指點(diǎn)擊屏幕時，由觸覺反饋系統(tǒng)自動判斷、定位所選的圖形按鈕，調(diào)用預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序驅(qū)動相應(yīng)的連接裝置，執(zhí)行具體操作。通過觀察人機(jī)交互界面，在界面左、右兩側(cè)分別設(shè)有堆垛操作、物料進(jìn)給兩個按鈕，其中點(diǎn)擊堆垛操作按鈕后進(jìn)入控制界面，包含啟/停、復(fù)位、轉(zhuǎn)動放物/復(fù)位、靜態(tài)/動態(tài)監(jiān)視等按鈕；點(diǎn)擊物料進(jìn)給操作按鈕后進(jìn)入控制界面，包含啟/停、復(fù)位、原點(diǎn)回歸按鈕以及物料進(jìn)給速度監(jiān)視模塊。借助觸摸屏可控制機(jī)器人執(zhí)行物料取放、堆垛等具體操作，并在人機(jī)界面顯示工作臺實(shí)際狀態(tài)。

2 基于PLC與觸摸屏的操作系統(tǒng)在碼垛工業(yè)機(jī)器人控制中的應(yīng)用

2.1 碼垛指令設(shè)計(jì) 基于三菱工業(yè)機(jī)器人Melfa-Basic V語言進(jìn)行堆垛指令設(shè)計(jì)，該編程語言可提供多種詞匯和函數(shù)，適應(yīng)不同編程指令要求，可提高工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)精度。同時，在碼垛工業(yè)機(jī)器人控制器外圍設(shè)有多個接口，分別與示教器和安全開關(guān)相連，實(shí)現(xiàn)控制信號的傳遞，用于控制機(jī)器人的運(yùn)動位置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體操作，保證機(jī)器人控制系統(tǒng)滿足實(shí)際作業(yè)要求。在堆垛指令Plt(Pallet)設(shè)計(jì)上，采用DefPlt＜托盤號＞＜起點(diǎn)＞＜終點(diǎn)A＞＜終點(diǎn)B＞[＜對角點(diǎn)＞]＜列數(shù)A＞＜行數(shù)B＞＜托盤類型＞格式，結(jié)合碼垛要求進(jìn)行托盤類型的選擇，控制物件從物料盤移動至目標(biāo)盤、完成碼垛流程(其中托盤定義與類型如圖1所示)。

圖1 托盤定義和類型示意圖

在機(jī)器人程序流程設(shè)計(jì)上，在啟動程序后先回原位，設(shè)置物料位m1=1、m2=0，搬運(yùn)m1號位置的物料至待定位置，反饋1，設(shè)置物料位m1=m1+1，判斷m1是否等于9；當(dāng)m1=9時，設(shè)置物料位m2=m2+1，至待定位置，反饋1，抓取信號，反饋0，圓弧插補(bǔ)，抓取物料放置在m2號位置，判斷m2是否等于8，回原位；當(dāng)m1≠9時，放置信號，反饋0，圓弧插補(bǔ)，放下物料，重新搬運(yùn)m1號位置物料，執(zhí)行后續(xù)流程。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與程序設(shè)計(jì) 在碼垛工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)上，主要依靠工業(yè)機(jī)器人控制器CR751-D、Q系列PLC與GS2110-WTBD觸摸屏聯(lián)合實(shí)現(xiàn)。其中機(jī)器人控制器可支持200個以上機(jī)器人程序的存儲要求，但單次啟動程序的最多數(shù)量為1個，當(dāng)需要啟動其他程序時，需重新完成機(jī)器人程序的讀寫。將PLC與機(jī)器人擴(kuò)展I/O口接線進(jìn)行連接，分別完成PLC選擇碼垛模式與PLC控制進(jìn)料分析流程的編寫:其中在碼垛模式選擇上，控制機(jī)器人選擇自動模式，啟動PLC程序，結(jié)合實(shí)際碼垛要求在觸摸屏上執(zhí)行按鈕操作，由物料盤啟動復(fù)位，同時分別運(yùn)行碼垛程序A/B/C，結(jié)束程序運(yùn)行，完成碼垛操作[3]。

在PLC程序設(shè)計(jì)上，(1)通訊設(shè)置:采用Ether Net/IP網(wǎng)絡(luò)作為聯(lián)網(wǎng)工具，建立碼垛工業(yè)機(jī)器人與PLC控制系統(tǒng)間的硬件連接(如圖2所示)。利用工業(yè)總線適配器分別定義輸入信號和輸出信號，將其安裝在控制柜內(nèi)部的主計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)通訊聯(lián)網(wǎng)，并基于編程軟件添加工業(yè)總線適配器的EDS文件，借助MOV指令完成信號傳遞。(2)信號交互:PLC通過判斷生產(chǎn)線工作狀態(tài)向工業(yè)機(jī)器人控制器發(fā)送信號，控制機(jī)器人執(zhí)行具體工作，并將工作情況反饋至PLC，借助狀態(tài)顯示、過程控制、貨物搬運(yùn)軌跡控制等信號的往復(fù)交互完成產(chǎn)品輸送、碼垛任務(wù)。以某生產(chǎn)線BP上的產(chǎn)品配置程序設(shè)計(jì)為例，在選定產(chǎn)品類型后，地址為BPGH_LINE_ROBOT:I:DATA[10]的標(biāo)簽BPGH_ROBOT_BPRecipeCheck置位為1，同時通過MOV指令將數(shù)值傳向標(biāo)簽BPRecipeFORMEN108，利用EQU指令接收參數(shù)并傳遞至碼垛機(jī)器人處，完成產(chǎn)品配置過程。(3)軟件設(shè)計(jì):結(jié)合碼垛工業(yè)機(jī)器人仿真搬運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)動軌跡，通過現(xiàn)場調(diào)試獲取搬運(yùn)軌跡中的關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)值，完成碼垛機(jī)器人主模塊程序設(shè)計(jì)。例如當(dāng)判斷哪一邊在執(zhí)行碼垛操作時，程序?yàn)?

VAR clock Timer_GH；

PERS bool bPalletFull_BP:=FALSE；

PERS bool bPalletFull_GH:=FALSE；

圖2 PLC控制系統(tǒng)與碼垛工業(yè)機(jī)器人的硬件連接簡圖

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用 結(jié)合某工廠車間實(shí)際生產(chǎn)要求進(jìn)行碼垛工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與應(yīng)用，將垛型設(shè)計(jì)為每垛8層、每層5包，各層中對應(yīng)的各包在XY平面上位置保持一致；隨后建立輸送線三維模型，利用坐標(biāo)表示各包的具體空間位置，將物料包的長定義為L、寬為W、高為H、方位角為A，各包在X、Y軸上的間距分別為Xp和Yp，并選取第一包物料作為原點(diǎn)，確立其余包物料的坐標(biāo)；在現(xiàn)有坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合每包物料在各層間的位置，沿Z軸進(jìn)行累加，即可生成每一包物料的空間坐標(biāo)。在切換至機(jī)器人自動生產(chǎn)模式時，首先確認(rèn)機(jī)器人零點(diǎn)位置校準(zhǔn)完畢，隨后將模式開關(guān)置于自動，在觸摸屏窗口選擇自動操作，系統(tǒng)自動切換至100%運(yùn)行速度，點(diǎn)擊操作指針后即可使程序復(fù)位，便于結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況選擇產(chǎn)品種類、點(diǎn)擊連續(xù)運(yùn)行、選擇各工位碼垛數(shù)量與層數(shù)、與托盤數(shù)量比較，在相同情況下點(diǎn)擊確認(rèn)、輸入當(dāng)前碼垛數(shù)量，機(jī)器人進(jìn)入正常待機(jī)狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上將碼垛算法輸入軟件中進(jìn)行編程，通過模擬仿真檢驗(yàn)算法可行性與軌跡精度，再利用示教器進(jìn)行關(guān)鍵位置示教和調(diào)整，最后與PLC完成信號交換、聯(lián)調(diào)聯(lián)試，即可完成機(jī)器人程序運(yùn)行并投入使用。

結(jié)論

在工業(yè)自動化生產(chǎn)背景下，引入機(jī)器人技術(shù)能夠使工業(yè)生產(chǎn)力與生產(chǎn)效率得到顯著提升，但相應(yīng)對于工業(yè)機(jī)器人的操作精度、作業(yè)布局以及產(chǎn)品質(zhì)量提出更高要求。本文基于PLC與觸摸屏進(jìn)行一款碼垛工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，建立PLC、觸摸屏與機(jī)器人控制器間的通信連接，可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)碼垛操作的精確控制，有效提升碼垛工程的智能化水平，也為同類型工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供參考價(jià)值。