工件裝配自動化生產線控制系統(tǒng)設計*

黃海燕

（浙江廣廈建設職業(yè)技術學院，浙江金華 322100）

0 引言

自動化生產線在無人干預的情況下按規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制[1]，本文依據自動化生產線對機器人關節(jié)工件裝配流程及要求，進行碼垛機控制系統(tǒng)、AGV小車控制系統(tǒng)、視覺控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人自動裝配控制系統(tǒng)進行研究和設計。

1 總體設計

該自動裝配生產線的總體組成如圖1所示。首先碼垛機從立體倉庫中取出工件送達AGV小車，再由AGV小車送至托盤傳送流水線上，智能相機系統(tǒng)對工件的型號和位置信息進行識別，把工件信息送給主控PLC，主控與工業(yè)機器人通信對所送工件進行裝配，工件裝配完成后，再反向入庫。

圖1 自動化生產線系統(tǒng)的總體組成

2 組網設計

自動化生產線控制系統(tǒng)的組成主要包括立體倉庫系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、托盤傳送流水線系統(tǒng)、裝配流水線系統(tǒng)等，具體如圖2所示。

圖2 總體設計框圖

輸送流水線系統(tǒng)與立體倉庫系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)、機器人統(tǒng)通過網線進行連接。而AGV小車與總控的通信根據可選配置，控制系統(tǒng)采用I/O通信方式[2]。各單元系統(tǒng)通信網絡圖如圖3所示，IP地址分配如表1所示。

圖3 各單元的通信網絡圖

表1 IP地址配置表

3 立體倉庫控制系統(tǒng)

3.1 PLC選型和I/O口分配

自動化生產線采用西門子PLC1200系列CPU1215C作為控制器單元[3]，立體倉庫系統(tǒng)本體部分主要由立體倉庫、碼垛機和基礎底板組成[4]，立體倉庫總共有4行7列28個倉位。每個倉位均安裝有微動開關，用于檢測每個倉位狀態(tài)。立體倉庫系統(tǒng)由碼垛機、立體庫和其它執(zhí)行部件組成，實現工件的存儲和自動出入庫功能。其I/O口分配表如表2所示。

表2 立體倉庫系統(tǒng)的I/O分配表

3.2 控制流程

立體倉庫系統(tǒng)的控制主要實現工件的自動出庫和經過裝配完成后的工件的自動入庫，出庫流程如圖4所示，入庫流程如圖5所示。

圖4 碼垛機出庫流程

圖5 碼垛機入庫流程

4 AGV移動機器人單元控制系統(tǒng)

AGV移動機器人系統(tǒng)采用磁導巡線方式，控制系統(tǒng)由可編程控制器PLC1200、循跡傳感器、地標傳感器、步進電機、步進驅動器等組成，完成輸送物品托盤的任務。

4.1 AGV小車尋跡控制

在系統(tǒng)中，AGV小車的作用是將物品托盤從碼垛機運送至流水線，所鋪設的軌道如圖6所示。為保證AGV小車能夠沿著軌道平穩(wěn)運行，在小車底部安裝有2只循跡傳感器[5]，根據行進方向一側的循跡傳感器的反饋，對左右兩側電機的運行速度進行調節(jié)，使小車本體沿著鋪設的軌道運行。為使AGV與碼垛機、流水線對接更平穩(wěn)，更準確，在接近目標位置前設置減速標，目標位設置停止標。系統(tǒng)檢測到減速標后降低運行速度，緩慢運行至目標位置時速度減為0，停止運行。在系統(tǒng)設計中利用地標傳感器來實現。

圖6 場地軌跡圖

4.2 I/O口分配

AGV小車控制系統(tǒng)的I/O口分配如表3所示。

4.3 出庫模式和入庫模式

AGV小車在整個自動化生產線系統(tǒng)中主要有出庫模式和入庫模式[6]。在出庫模式下，AGV小車從碼垛機側進行托盤出庫到托盤流水線；在入庫模式下，主要是從托盤流水線側取托盤送到碼垛機上在進行托盤入庫到貨架上。

AGV小車的出庫模式控制流程如圖7所示。在AGV小車出庫模式下，當碼垛機接收到AGV小車的信號，開始向AGV小車送托盤；當托盤數送滿3個，AGV小車離開碼垛機，向托盤流水線側運行；當到達托盤流水線的停止線位置，AGV小車停下，氣擋下降，向托盤流水線送托盤；當3個托盤送完，AGV小車向碼垛機側運行，進行下一輪的工件出庫流程。

表3 AGV小車系統(tǒng)的I/O分配表

圖7 AGV小車的出庫模式控制流程

AGV小車的入庫控制流程如圖8所示。在入庫模式下，AGV小車向托盤流水線側運行，到地標停止線位置停止；托盤流水線接收到AGV小車到達的信息，向AGV小車運送托盤；當托盤流水線上的托盤送到AGV小車上，AGV小車向碼垛機側運行，到達地標停止線停止，等待碼垛機從AGV小車上取完托盤后進入下一輪的入庫流程。

圖8 AGV小車的入庫模式控制流程

5 視覺檢測系統(tǒng)

視覺檢測安裝于托盤傳送流水線中，當裝有工件的托盤到達智能相機下面，智能相機通過編寫相機腳本程序對工件的信息進行采集，對工件進行識別，并將識別出工件的位置、形狀等特征數據提供給主控PLC和工業(yè)機器人。工業(yè)機器人根據目標的存儲位置執(zhí)行相應的動作。相機和主控PLC通訊是通過RS-485進行通信，實現檢測結果和測試數據的傳輸[7]。

6 主控控制系統(tǒng)

主控PLC主要實現將碼垛機控制系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)、托盤傳送流水線、裝配流水線和工業(yè)機器人系統(tǒng)組網通信完成自動化系統(tǒng)的聯(lián)調[8]。其組態(tài)圖如圖9所示。主控PLC的I/O口分配表如表4所示。

圖9 主控PLC組態(tài)圖

6.1 托盤傳送流水線單元

托盤傳送流水線主要由工件對接工位、工件托盤視覺檢測緩沖工位、視覺檢測工位、工件托盤裝配緩沖工位及工件抓取工位組成。在托盤傳送流水線輸入端、檢測工位及輸出工位各有一傳感器，用于物品托盤的檢測。在檢測工位和待抓取工位，各有一氣擋，用于托盤的定位及對前端緩沖工位托盤的阻擋。

6.2 裝配流水線單元

裝配流水線采用板鏈結構，負責工件的裝配及傳送運行，通過步進驅動器驅動步進電機進行工位調整，使流水線向左或向右移動1個工位，或者保持不動作，與工業(yè)機器人配合，根據裝配要求完成工件裝配。

表4 主控PLC I/O口分配表

7 綜合任務流程調試

通過主控觸摸屏操作界面完成整體工件裝配自動化生產線系統(tǒng)工作流程調試，完成工件出庫、工件識別、工件分類、缺陷工件檢測、工件搬運、工件裝配以及裝配完成后成品入庫等任務。工作流程如圖10所示，具體調試流程如下。

（1）實現工件的出庫和裝配

首先，AGV小車在立體倉庫端，碼垛機從立體庫中取出工件托盤，把工件托盤送給AGV小車。立體倉庫的觸摸屏調試界面設計如圖11所示。當碼垛機從立體倉庫中取出3個托盤送給AGV小車后，AGV小車離開立體倉庫，向托盤流水線運行，當AGV小車到達托盤流水線，AGV小車將車上的托盤送到托盤流水線上。然后重復以上動作，直到托盤輸送完成。

圖10 自動化生產線完整工作流程

圖11 立體倉庫觸摸屏調試界面

接著，在托盤傳送流水線上，利用相機對工件進行識別，編寫主控PLC中視覺系統(tǒng)調試模塊任務，利用相機自動識別工位中托盤中工件，并將工件信息包括位置、角度和工件編號等顯示在人機界面中。視覺調試界面參考示例如圖12所示。在抓取工位，六軸工業(yè)機器人根據相機識別結果進行抓取，并根據要求放置相應位置，工件放置完后，抓取并放置空托盤于托盤庫中；機器人調試界面如圖13所示。

對整個機器人關節(jié)進行裝配，裝配完成后將成品擺放至成品庫；完成所有成套機器人關節(jié)裝配、不成套配件和缺陷工件擺放任務后，裝配流程結束。

圖12 視覺調試界面

圖13 機器人調試界面

（2）入庫流程調試

在主控界面和AGV界面設置入庫模式，啟動入庫流程；反向入庫時倍速鏈反向進行運動。機器人從空托盤庫收集處取空托盤托盤流水線上，從裝配流水線上每次抓取一個物品放到空托盤中；然后通過托盤流水線輸送至AGV傳送帶；AGV將托盤輸送至碼垛機端后自動停止，碼垛機對該托盤進行入庫操作，并放到立體倉庫指定區(qū)域；循環(huán)完成所有物品的入庫操作。

8 結束語

本文采用西門子PLC1200作為控制核心，實現機器人關節(jié)工件裝配自動化生產線自動化立體倉庫單元、AGV小車運輸單元、視覺檢測系統(tǒng)單元、托盤流水線單元、工業(yè)機器人運輸和裝配單元的控制系統(tǒng)設計，最終實現工件自動裝配的自動化生產線設計。