基于PLC的工業(yè)機器人實訓平臺設計與研制*

□□ 李 亮，李鵬飛，靳寶強 (.山西職業(yè)技術學院，山西 太原 030006；.晉中市華泰數(shù)控技術有限公司，山西 晉中 030600)

引言

隨著我國制造業(yè)的轉型升級和快速發(fā)展，制造領域大量應用工業(yè)機器人進行生產，企業(yè)急需大量熟悉和掌握工業(yè)機器人應用技術的專業(yè)人才。在這種趨勢下，大多數(shù)職業(yè)院校紛紛開設了與工業(yè)機器人技術相關的專業(yè)或方向。雖然市面上與該專業(yè)教學相配套的工業(yè)機器人實訓平臺有很多種，但是從功能上、質量上、價格上、后期服務上等，都很難完全滿足各職業(yè)院校的教學情況。因此，筆者團隊自主研發(fā)了一種滿足于教學和實訓需求的工業(yè)機器人實訓平臺，既能通過研發(fā)過程有效提升團隊科研創(chuàng)新能力，又能降低整套實訓設備的采購費用。

1 平臺總體設計

1.1 架構設計

工業(yè)機器人實訓平臺架構圖如圖1所示，總體分為設備層、控制層和應用層。設備層由廣數(shù)工業(yè)機器人、小型輸送帶、傳感器、物料臺等組成；控制層由PLC(可編程邏輯控制器)、HMI(人機界面)組成；應用層是工業(yè)機器人實訓平臺的應用體現(xiàn)，能夠實現(xiàn)搬運、碼垛、自動產線等功能。三者關系是控制層向設備層發(fā)送各種信號、指令，控制相應的設備動作，同時設備層向控制層發(fā)送各種反饋信號，最終平臺實現(xiàn)自動搬運或碼垛等應用。

圖1 工業(yè)機器人實訓平臺架構圖

1.2 硬件設計

依據(jù)上述平臺架構設計，工業(yè)機器人實訓平臺硬件采用模塊化設計，主要分為以下幾個模塊：

(1)操作面板模塊：即HMI人機界面，選擇西門子KPT900Basic型號觸摸屏作為實訓平臺操作面板模塊的載體，該模塊主要訓練人機界面設計和編程的能力。在“工業(yè)機器人操作與運維”、“工業(yè)機器人編程應用”和“工業(yè)機器人集成應用”1+X職業(yè)技能等級考核里，都有相關知識點和技能點要求學生掌握。

(2)搬運模塊：本質上是一臺3自由度機器人，如圖2所示。通過PLC編程可以控制該機器人的末端執(zhí)行器沿著X、Y和Z三個方向任意移動，從而實現(xiàn)在一個地方“抓取”工件搬運到另一個地方。該模塊主要訓練學生的PLC編程能力。

圖2 平臺搬運模塊

(3)碼垛及排序模塊：設計了如圖3所示的兩種物料臺(A為臺階型和B為平面型)，圖中一系列的“圓坑”是工件的擺放位置，即“倉位”。通過這兩種臺子擺放位置的不同、再搭配不同的碼垛或排序要求，就可以組合出足夠數(shù)量的“賽題”，滿足和豐富師生教學或實訓的需求。

圖3 平臺碼垛及排序模塊

(4)PLC控制模塊：該模塊選用西門子SIMATIC S7-1200作為整個實訓平臺的控制核心。該種PLC具有緊湊型、模塊化特點，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、觸摸屏和網絡通信等任務，易于設計和實施。

(5)輸送帶模塊：該模塊主要用于模擬實際生產線的工作流程。

(6)物料檢測模塊：通過布置在臺階型和平面型物料臺面上的位置傳感器，可以檢測出每個傳感器前面的倉位中是否有物料(工件)。主要訓練傳感器技術的應用能力。

(7)送料模塊：采用廣數(shù)工業(yè)機器人(型號GSK RB08)作為實訓平臺的送料模塊。該模塊主要完成從指定地方取料并放置于傳送帶上或者在物料臺上面進行碼垛、排序等動作。該模塊主要訓練工業(yè)機器人的操作與編程能力。

將上述(1)～(7)模塊集成到工作臺上，構成了工業(yè)機器人實訓平臺，既可以在教學中進行綜合訓練，又可以單獨訓練某些模塊。

1.3 軟件設計

平臺軟件設計包括PLC編程、工業(yè)機器人編程、觸摸屏人機界面設計和編程等。根據(jù)不同的實訓內容，編程內容一般也不同。如圖4所示，為實訓平臺實現(xiàn)的一種基礎流程。

圖4 平臺基礎流程

首先對觸摸屏進行界面設計和編程，實現(xiàn)在觸摸屏上點擊“開始”按鈕，實訓平臺自動運行圖4所示的基礎流程。RB表示工業(yè)機器人，從平面型物料臺上抓取工件放置于輸送帶指定位置，這一過程是通過工業(yè)機器人示教器編程實現(xiàn)的，之后機器人發(fā)送完成信號給PLC；輸送帶起始位置處通過位置傳感器檢測到有工件存在時開始工作，當工件到達下一個位置傳感器時，輸送帶停止工作，這一過程的實現(xiàn)通過PLC編寫程序接收來自位置傳感器發(fā)送的信號來控制輸送帶的啟動和停止；3自由度機器人從輸送帶上吸取工件放置于臺階型物料臺上指定的位置，這一過程通過PLC編程實現(xiàn)；搬運結束后，PLC程序判斷平面型物料臺上是否仍有工件，如果有，則重復上述過程，沒有則結束該流程。

2 平臺搭建及試驗

筆者團隊搭建的工業(yè)機器人實訓平臺全貌如圖5所示。圖6至圖10為實訓平臺主要模塊展示。圖6所示的HMI人機界面利用博途WinCC軟件設計；圖7所示為搬運模塊(即3自由度機器人)，依靠步進電機的驅動最終實現(xiàn)X、Y、Z三個方向的直線運動，末端執(zhí)行器依靠氣壓系統(tǒng)產生真空使吸盤能夠吸取工件，依靠行程開關傳感器發(fā)送信號使工件能夠準確到達指定位置；圖8所示為碼垛及排序模塊，(a)圖為臺階型物料臺，通常作為“成品庫”，(b)圖為平面型物料臺，通常作為“原料庫”，每一個倉位前都有位置傳感器來檢測當前倉位是否有工件；圖9所示為PLC控制模塊，是整個平臺的電氣控制系統(tǒng)；圖10為輸送帶模塊實物。

平臺硬件搭建好后，通過編寫圖4所示基礎流程的程序，經過調試，平臺能夠自動實現(xiàn)該流程。

圖5 平臺全貌

圖6 操作面板模塊(HMI人機界面)

圖7 搬運模塊(3自由度機器人)

3 平臺實現(xiàn)的關鍵技術

在工業(yè)機器人實訓平臺研制過程中，應用的關鍵技術如下：

(1)PLC控制技術。實訓平臺采用西門子PLC作為主控。PLC技術是依托于數(shù)字化技術與其他存儲系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)信息采集、分析、存儲等過程的手段。PLC技術主要的工作任務是進行數(shù)據(jù)信息分析和存儲，在遇到相關性問題之后，可以及時通過系統(tǒng)來獲取到所需要的相關信息，從而起到輔助工程順利推進的作用。

圖8 碼垛及排序模塊

圖9 PLC控制模塊

圖10 輸送帶模塊

(2)傳感器檢測技術。在工業(yè)機器人技術應用中，機器人和其他機電設備對自身狀態(tài)、工作對象、工作環(huán)境實施數(shù)據(jù)采集與信息整理，然后再對所收集到的數(shù)據(jù)信息進行處理，并及時調整機器人和其他機電設備，從而實現(xiàn)機器人和其他機電設備的正確控制。

(3)電機驅動技術。在實訓平臺中，3自由度機器人的動作是靠步進電機驅動完成的。步進電機是用電脈沖信號來控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的執(zhí)行機構。由于受脈沖的控制，其轉子的角位移量和速度嚴格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的；通過改變通電順序，從而改變電機旋轉方向。

4 結語

團隊利用PLC控制、傳感器檢測和電機驅動等技術構建了工業(yè)機器人實訓平臺，在實踐中應用后，能夠滿足教學要求，同時也可以為相關企業(yè)研制工業(yè)機器人系統(tǒng)集成提供借鑒。