基于變位機的多功能機器人實訓臺的自動控制

周永強

（洛陽職業技術學院，河南洛陽 471000）

0 引言

隨著自動化技術的進步，工業機器人在裝配、搬運、碼垛、焊接等方面應用日益廣泛，有效節省了人力成本，保證了精度，提高了生產效率[1]。各職業院校近年來為服務產業發展，紛紛開設工業機器人應用技術專業，然而，采購工業生產用機器人專用設備，不僅價格昂貴，功能單一，而且更新換代速度快，所以職業院校大都采購工業機器人綜合實訓平臺，使裝配、焊接等多個功能在一個實訓臺上都能實訓，這其中變位機模塊起了至關重要的作用。變位機若能根據具體實訓功能自動運轉至不同位置，再由機器人借助專用工裝夾具完成裝配、碼垛、焊接等工作，便可實現機器人實訓功能的多樣化，擴大學生實訓廣度，大大減少職業院校機器人實訓設備采購成本。因此，研究基于變位機的多功能機器人實訓臺的自動控制對于滿足職業院校一機多用的需求和機器人專業高質量內涵發展具有重要意義。

1 多功能機器人實訓平臺概述

本文所述多功能機器人實訓臺按照功能由工業機器人模塊、PLC與觸摸屏模塊、變位機模塊、快換工裝模塊、裝配、碼垛和焊接等功能模塊組合搭建而成，可以完成裝配、碼垛、模擬焊接等典型應用實例的機器人編程操作與維護[2]。工業機器人采用最小的六軸ABB機器人IRB 120，配置IRC5C 緊湊型工業機器人控制器，PLC 采用S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC，觸摸屏采用MCGS 的MT8102。通用六軸機器人本身并不帶工具[3]，為了實現多功能實訓對機器人末端夾具的個性化要求，實訓臺配置快換工裝模塊，裝配時取夾爪，分揀和碼垛時取吸盤，焊接時取放工件用夾爪，模擬焊接用畫筆等等。多功能機器人實訓臺控制系統框架如圖1所示。

圖1 實訓臺控制系統

變位機初始位置在水平位置，轉動至位置1，與氣動夾具配合可以實現機器人裝配和焊接，旋轉至位置2，配合工件夾緊裝置可實現機器人打磨功能，旋轉至位置3，固定上紙張，可實現機器人畫筆繪畫功能。變位機到達位置1、2、3 由伺服電機拖動，PLC 發送脈沖信號給伺服電動機驅動器[4]，經放大處理后，驅動伺服電機運轉，位置1、2、3 的檢測由3個接近開關完成。

2 裝配功能的實現原理

2.1 硬件連接

多功能機器人實訓平臺的實現過程實際上就是觸摸屏、PLC、機器人3 者之間的信息交換。3 者的硬件連接如圖2所示。觸摸屏與西門子PLC采用Pro?finet 通信協議，通過網口直接相連。因為ABB 機器人支持的是Devicenet 通訊，而西門子PLC 支持Profi?net 通訊協議，多功能機器人實訓臺需要在兩者之間傳輸的數據較多，所以通過HD67609 通訊協議轉換器，采用總線方式通訊[5]。

圖2 通訊連接圖

裝配功能是機器人按照要求通過夾具拾取指定的工件，并把該工件精確裝配到指定的主體工件內。裝配工作流程：裝配開始前，變位機在初始的水平位置，啟動裝配程序后，變位機先回到位置1。變位機到達位置1后，機器人取夾爪。機器人先抓取工件底座，到達變位機氣缸夾緊工件底座的位置上方。機器人氣爪松開，變位機氣缸夾緊。機器人再將中心部件抓取并放入工件底座中。機器人最后將工件上蓋抓取并放入工件底座上，機器人放夾爪，裝配完成。如圖3所示。

圖3 裝配工作流程

分析可知，要實現機器人裝配功能需要控制的輸入輸出信號包括變位機位置信號、快換工裝信號、夾爪松緊信號、電磁閥、工件固定的夾緊放松信號等。PLC與機器人的IO信號地址分配如表1所示。

表1 PLC與機器人的IO信號地址分配

2.2 軟件設計

對于表中PLC 與機器人之間的交互信號，如I256.4 對應機器人信號BWJWeiZhi1，是機器人傳送給PLC 的信號，表示請求變位機到位置1；又如Q259.0對應機器人信號BWJ1DaoWei，是PLC傳送給機器人的信號，表示變位機位置1到達信號。這些信號是通過總線傳輸的，必須先進行通訊設置。需要先在西門子PLC 的編程軟件中進行通訊設置，打開博途軟件，安裝ABB 機器人的GSD 文件，然后在Profinet 網絡配置中把出現的ABB 機器人設備拖拽到網絡視圖中[6]，并設置好各自的IP 地址，特別注意PLC 與機器人的IP 地址在同一網段內。然后，進入設備視圖，為機器人配置IO 點，IO 地址可以選擇默認或者根據實際需要進行修改，機器人輸入給PLC的總線通訊輸入點和PLC 輸出給機器人的輸出點就在此設置。

完成了在PLC 側的設置后，還需要在機器人側進行設置，打開ABB 機器人編程軟件Robotstudio，并連接到機器人，先配置“Unit Type”，與PLC端輸入輸出相對應，配置好“Unit”選項，最后配置“Bus”單元，選擇Lan Port口，設置總線通訊的IP地址，注意不能與機器人編程調試的地址沖突[7]。最后在“Station name”選項處，設置與PLC通訊時的Profi?net I/O子站的名稱，與PLC側保持一致即可。重啟機器人系統后，PLC與機器人即可通過總線實時通訊[8]。

2.3 實現原理

多功能機器人實訓臺一般設置演示和練習2種模式，通過觸摸屏操作。為了程序邏輯清晰，可讀性強，機器人程序建立很多任務模塊，分別建立若干的例行程序，在main主程序中進行調用。本實訓平臺把各個功能模塊以功能代碼進行區分，如表2所示。

表2 實訓模塊對應功能代碼一覽表

以裝配功能演示為例，自動控制實現的過程如下。

在觸摸屏上選擇“我要演示”，通過中間變量M，PLC 程序運行，進入功能演示界面，機器人Rap?id主程序開始運行，選擇“裝配功能”，就選中了功能代碼1，即調用裝配功能子程序開始運行。裝配子程序部分程序及注釋如下：

工業機器人裝配前，要求變位機轉至位置1。確認變位機到達位置1，才能執行機器人取夾爪進行后續的裝配任務。

PulseDOPLength:=0.2,BWJWeiZhi1;即機器人輸出數字脈沖信號，請求變位機轉動到位置1，對應PLC 的輸入信號I256.4，即變位機到位置1 信號，在PLC 梯形圖中，當I256.4 為1 時，會將發送給觸摸屏M地址的信號置位，表明變位機處于啟動位置到1的狀態。

WaitDI BWJ1DaoWei,1;即變位機到達位置1，PLC通過程序給機器人發信號置位Q259.0，表明變位機位置1到達，下一步就可以調用取夾爪子程序了。

若在規定時間變位機未達位置1，則復位變位機到達位置1 信號Q259.0，將不執行調用取夾爪子程序。

3 結束語

經過試驗，所設計機器人實訓臺控制系統，利用變位機模塊，采用總線通訊，可以實現裝配、碼垛、分揀、模擬焊接等多個項目的實訓功能，能有效降低職業院校實訓設備購買成本，提高學生實訓效果。