基于S7-1200PLC的工業機器人自動貼膜控制系統的設計

薛圓慶 于國健 唐霞

摘 要：提出了機器人自動貼膜裝置的整體工作方案，設計了撕膜機構，基于S7-1200PLC控制技術，定義其輸入輸出點，并編寫了伺服電機運動、觸發視覺相機拍照、撕膜電磁閥等動作的程序。

關鍵詞：機器人;貼膜;撕膜機構;S7-1200PLC編程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.115

0 引言

隨著科技的發展，手機已走進千家萬戶，不僅生活日常需要用到，現在信息化教學課堂也離不開手機，為了防止自己的手機被尖銳物體給劃傷，或者手機不小心掉落，很多人買了手機以后都會給自己手機貼一個鋼化膜，起到保護手機屏幕的作用，當前，人工貼膜操作者費時費力。隨著“中國制造2025”、“互聯網+”新概念拉開序幕，如何改變這一現狀呢，本文將研究了基于S7-1200PLC的工業機器人自動貼膜裝置控制程序開發。

1 總體設計方案

基于x-sight機器視覺三點定位原理的工業機器人自動貼膜裝置，三維效果如圖1示，主要由手機傳送機構、手機膜倉儲裝置、撕膜機構、視覺定位系統和工業機器人及西門子S7-1200PLC構成的控制系統組成。

作品主要由x-sight視覺定位系統、執行以及控制模塊、機器人軌跡規劃三部分組成，系統整體流程如圖2所示。視覺檢測模塊包括圖像采集與處理和產品的精準定位兩部分。產品抓取指工業機器人從倉儲貨架上吸取鋼化膜，等待視覺信號后，將鋼化膜放置傳送帶上合適位置。產品的定位是通過x-sight視覺采集清晰的目標手機圖像，利用視覺算法獲得目標工件的圖像坐標，將此坐標數據傳送給PLC，由PLC傳送給機器人。

（1）視覺定位單元：根據采集的圖像，定位其目標工件中心點坐標位置;機器人獲取圖像中目標的中心位置，視覺系統通過計算得到來料目標件的實際坐標值，并計算得到位置偏移值。

（2）執行與運動控制模塊：以西門子S7-1200PLC為開發平臺，結合伺服控制技術對自動貼膜裝置進行軟件編程。根據視覺定位的坐標，通過機器人擴展板，使得機器人執行端的目標工件2（鋼化膜）與傳送帶上的目標工件1（手機）坐標值一致，最終實現精準定位。

（3）機器人軌跡規劃：借助ROS平臺，在solidworks中建立機器人及場景的三維模型，模型使得機器人能夠知道障礙物的所在;然后將建好的模型轉成ros系統下能夠識別的格式——urdf（機器人描述文件），可通過rviz（ros的圖形化工具）顯示優化運動軌跡。

2 工作流程

本作品中，目標產品1為手機工件，目標產品2為手機鋼化膜，工作流程如圖3所示：由s7-1200PLC控制目標產品1的傳送，當目標產品1經傳送帶運動到相機位置，觸發光電開關，發送目標到位信號給PLC，PLC觸發相機拍照，視覺模塊定位產品的坐標數據，發送給PLC，通過通訊處理，PLC觸發工業機器人，機器人控制器接收經過圖像處理定位后的坐標;同時，機器人完成從倉儲上吸取目標工件2，并在工作臺固定位置撕落鋼化膜保護膜;機器人將目標產品2送至傳送帶，與傳送帶上的目標產品1完成貼膜動作;貼膜過程結束后，機器人歸回原位。

3 電氣控制設計

PLC控制自身具有較高的可靠性、穩定性、可移植性、能夠適應復雜的工作環境和編程相對簡單，使其在工業自動化行業中得到了廣泛使用。本作品基于s7-1200PLC控制器，控制伺服電機實現直線運動，其目標工件的坐標偏移值通過視覺檢測系統反饋給PLC，PLC再與機器人進行數據交互，最后可以在觸摸屏上實時顯示圖像采集畫面、保存機器人的參數和標定參數，此外還能做到基本的試教功能以及接收機器人的報警信息。

4 S7-1200PLC程序開發

4.1 S7-1200PLC控制伺服電機

本作品實施時，考慮到桌面機器人運動范圍，及運行可靠性，設計了由伺服電機驅動機器人的直線運動，完成機器人抓取目標工件2（鋼化膜），運動到合適位置，將目標工件2送至傳送帶上，與傳送帶上的工件目標1（手機）實現自動貼膜。其實現步驟如下：

（1）創建新項目，添加PLC。點擊“創建新項目”，更改名稱與生成路徑。點擊“項目視圖”→“添加新設備”，添加需要的PLC。添加PLC的子網與IP地址，勾上“系統和時鐘存儲器”。

（2）添加、設置軸的參數。點擊“工藝對象”→雙擊“新增對象”→“TO_PositioningAxis”。更改數據。“驅動器”→“脈沖發生器”：Pulse_1;“使能輸出”：Q0.3;“就緒輸入”：I0.4;“機械”→“電機每轉的脈沖數”：1310;“位置限制”→“啟動硬限位開關”、“硬件下限位開關”：I0.2、“硬件上限位開關”：I0.0;“常規”→“速度限值的單位”：mm/s、“最大轉速”：<=25;兩個“加速時間”：1.0;“急停”→“急停減速時間”：0.1;“主動”→“輸入原點開關”：I0.1、勾上“允許硬限位開關自動反轉”、“逼近/回原點方向”：負方向、“參考點開關一側”：上側、“逼近速度”與“回原點速度”：20。如圖4所示。

（3）添加、設置伺服塊。雙擊“添加新塊”，選擇FB塊。點擊“工藝”→“Motion Control”，添加“MC_Power、MC_Reset、MC_Home、MC_MoveAbsolute、MC_MoveJog”指令。“Axis”選擇“軸_1”，“Execute”添加在Input里面自定義Bool類型的名稱。“MC_Power”的“Enable”為“1”。“Home”的“Mode”為“3”（主動回原點）。“MC_MoveAbsolute”的“Position”為一個Real類型的數據名稱。“Velocity”為速度：20左右;“JogForward”為正方向點動，“JogBackward”為負方向點動。正、負方向點動都添加BOOl類型的數據名稱。將設置好的伺服塊添加到Main程序里面。在每一個“false”前面添加M中間變量，例如M100.0。“MC_MoveAbsolute”前面添加“M0.5”每0.5秒通斷一次。“Power”可以一直讓它為通的狀態。“pos”先不添加。

（4）機器人數據轉換為伺服移動數據。在Main中編寫轉換程序。添加“MOVE”移動值指令，將伺服發送的IB8、I9.0、I9.1地址用PLCD的MB50地址接受，在用轉換值指令，將接受的Int數據轉換為Real數據類型，能讓伺服識別的數據用MD10接受轉換的數據。前面的“pos”添加這邊的MD10。如圖5所示。

4.2 S7-1200PLC觸發相機拍照

目標工件1由傳送帶送至視覺拍照，由傳感器檢測手機到位后發出信號給PLC，PLC觸發相機拍照，該程序按照流程步執行。當滿足“MW500=1”（第一個流程步）、拍照傳感器檢測到手機的條件時，等待500MS傳送帶停止，同時等待1S后觸發相機拍照，進行第二步流程。

4.3 PLC控制撕摸的電磁閥

當機器人發送“16#31”（十六進制的“31”）信號給PLC時，PLC接受到信號，讓撕膜夾爪的電磁閥得電換向，使得撕膜夾爪閉合，夾住膜上的撕膜部分。當機器人發送“16#32”（十六進制的“32”）信號給PLC時，PLC接受到信號，讓撕膜夾爪的電磁閥失電換向（復位），使得撕膜夾爪張開，松開已被撕掉的膜，程序如圖6。

5 結束語

本文設計的自動貼膜裝置，可現場操作可通過設備上的按鈕實行啟動與停止;系統的控制器選擇S7-1200PLC進行程序的自動化控制;采用人機交互界面觸摸屏進行控制，可接收前端設備的實時信息，同時也負責發送業務管理遠程平臺端的指令。同時增加了手機端的遠程控制模塊，可在任何時刻控制設備運行，也融合云平臺，現場展示設備運行狀態，可推廣至相關生產廠家，其提到的機器視覺三點標定原理為相關視覺定位項目提供借鑒！

參考文獻：

[1]廖長初.PLC編程與應用[M].機械工業出版社，2011.

[2]虞小明.中國新技術新產品[M].2019（01）.

[3]楊艷等.煤礦機械[M].2018（12）.

作者簡介：薛圓慶（1999-），男，江蘇淮安人，大專在讀，研究方向：機電一體化技術。