基于PLC和工業機器人的物料輸送智能系統設計*

賴劉生

(廣州南洋理工職業學院，廣東 廣州 510925)

0 引言

隨著“中國制造2025”的提出，工業機器人因其空間姿態靈活、可重復編程、自動化程度高等優勢，在噴涂、焊接、拋光磨削等高強度行業得到廣泛應用[1]。在這些行業中，工廠對自動化生產線的穩定性、高效與易操作等提出了較高要求，但國內制造業生產線仍存在一些不足，比如輸送系統自動化集成度不高、抗干擾性弱等[2]。

考慮PLC的穩定、靈活、抗干擾等特點[3-5]，將PLC與工業機器人集成于物料運輸系統。不同設備間可通過I/O、以太網等技術實現信息交互，在涉及少量信號交互下，選用I/O控制技術可節省額外通信成本，實現高性價比[6]。本文以物料搬運流水線為對象，對其上、下料工藝流程進行分析，設計一種基于匯川PLC與ABB工業機器人的物料輸送智能系統，通過觸摸屏與傳感檢測等技術，實現簡易、高效的智能化運作。

1 控制要求

物料輸送智能系統主要由物料傳動系統、物料檢測系統、電氣控制系統、ABB工業機器人等4部分組成。系統完成物料的輸送與搬運過程，其主要流程為：①單機啟動后，系統開始運轉；②盤型供料口檢測有料后，物料被推送至傳送帶入料口；③皮帶啟動運轉，將物料送至傳送帶末端；④傳送帶末端檢測有料，皮帶停運并等待機器人取料；⑤PLC向機器人發送到位信號，機器人依次對物料進行堆垛。

2 硬件設計

物料輸送鏈系統硬件主要包括PLC、機器人、觸摸屏、皮帶電機、電磁閥線圈與傳感器等，其系統硬件框圖如圖1所示。在整個控制系統中，以PLC和工業機器人為核心，采用觸摸屏與傳感檢測技術，完成輸入信號的采集，實現機器人的自動取料與下料。

圖1 系統硬件結構框圖

物料輸送系統硬件選型如下：

(1) PLC控制器：采用匯川H2U-3624MR，系統中PLC輸入連接的端口為21個，輸出連接的端口為23個，輸入、輸出點數各為36個、24個，繼電器輸出，集成獨立通訊口，性能與使用方法同三菱FX2N系列PLC類似，不過其性價比較高。

(2) 工業機器人：系統選用ABB公司的IRB120機器人本體、IRC5控制柜，其控制柜內部集成DeviceNet總線，它的位置控制技術、虛擬仿真與在線編程等是機器人協同與重復作業的重要保證。

(3) 觸摸屏面板：采用昆侖通態TPC7062K 7寸觸摸屏，可與匯川H2U-3624MR PLC通訊連接，實現對碼垛搬運工藝狀態量的顯示與監控。

(4) 皮帶交流電機：采用宇博公司的41K25GN-Y型25 W交流調速電機，用于驅動傳送帶傳動，輸出功率是25 W。

(5) 電磁閥組模塊：采用亞德客的二位五通電磁閥，型號為4V210-08、4V310-10或4V410-15，可實現對雙作用氣缸的控制。

(6) 傳感器檢測模塊：采用歐姆龍光纖傳感器、光電傳感器，型號分別是E3X-NA11、E3Z-D61，光纖傳感器用于檢測供料口的物料，光電傳感器則用于檢測傳送帶出料口的到位情況。

3 系統的軟件設計

該系統的軟件設計主要包括PLC程序設計、工業機器人程序設計，以匯川PLC程序為控制核心，ABB機器人程序與觸摸屏配合完成整個控制流程。

3.1 PLC程序設計

按系統控制的工藝流程，由匯川PLC編程軟件AutoShop完成編程。當物料被放至供料口后，經電磁閥控制與電機驅動，將物料輸送至皮帶末端；當傳感器檢測到物料到達皮帶末端后，傳送帶停運，并發送給機器人到位信號；當機器人收到物料的到位信號后進行取料動作。為了防止物料大量堆積，整個輸送鏈的控制流程如圖2所示。

圖2 物料輸送鏈控制流程圖

3.2 工業機器人程序設計

根據控制要求，系統需實現對6個物料的搬運，并按規定的位置順序放入指定的物料槽中。

3.2.1 物料放置與堆垛要求

為了使物料穩固地放置于料槽中，物料之間需按一定的規律擺放，如圖3所示。圖3中的數字表示物料的擺放順序，虛線框與實線框邊框分別代表物料、落料槽，每個物料需放入實線框料槽中，且行、列距均保持80 mm。

圖3 物料擺放平面示意圖

3.2.2 機器人程序分析

機器人手爪等待位置在取料點的正上方0.3 m處，當機器人收到物料到位信號，且物料數目N、行間距M小于設定值時，機器人開始執行搬運程序，即抓取物料，搬送至物料槽，返回至等待點。此時，物料數目加1，行間距變量加80。另外，當行間距變量大于80×2時，開始第2行的物料搬運。在完成所有物料的搬運后，機器人發送完成信號，等待物料的移走。物料放置數目與行間距變量清零，重新下一階段搬運過程，具體流程如圖4所示。

圖4 機器人物料搬運流程圖

3.2.3 機器人程序編制

機器人程序由主程序和子程序兩大部分組成。主程序用于把控整體物料的搬運過程，初始化后主程序一直被循環執行。子程序包括初始化變量子程序、移至等待處子程序、取料子程序。初始化變量子程序是將行間距M、物料數目N變量賦0；移至等待處子程序是方便等待后續物料的到來；在調試取料子程序時，僅需示教第1個物料，其余可依據變量偏移所得。

3.3 觸摸屏界面設計

觸摸屏界面主要依據PLC程序設計，界面如圖5所示。首先按啟動按鈕，再按自動運行按鈕，物料輸送系統運轉；按下停止按鈕后，系統立即停止；按復位按鈕后，系統回初始位置。此外，可根據供料口與皮帶末端兩指示燈的變化判定物料是否到位。

圖5 物料輸送人機界面

4 系統的整體調試

(1) 編寫完PLC程序后，對程序調試并編譯，將編譯無誤的程序下載到PLC中，然后下載至觸摸屏，進行物料輸送調試。

(2) 編寫完機器人程序后，先手動單步調試物料搬運過程。在確認調試無誤后，再進行連續自動運行。

(3) 在上述調試過程正常情況下，可開啟氣源，進行PLC與機器人的聯機調試。在調試過程中，應避免干涉等現象，如遇突發情況，應立即按下急停按鈕。

經過反復調試，硬件設備與軟件程序均可達到控制要求，系統調試成功。

5 結束語

本文以匯川H2U-3624MR PLC和ABB工業機器人IRB120為控制核心，結合觸摸屏與傳感檢測等技術，設計了物料輸送智能系統，該系統可自動實現多個物料的送料與下料等功能。實踐證明，該系統整體運行良好，運行效率高，實現過程簡易可行，具有廣闊的應用前景。