基于PROFINET的KUKA機器人智能上料系統設計

張銘元

(山東能特異能源科技有限公司，山東 淄博 255000)

0 引言

3A分子篩作為中空玻璃專用干燥劑，可以深度吸附中空玻璃間隔層中的水和殘留有機物，有效預防玻璃的結露結霜，解決中空玻璃膨脹或收縮而導致的扭曲破碎問題，延長其使用壽命。在3A分子篩生產過程中，有很多需要人工參與的重復性機械性勞動，隨著工業機器人的逐漸普及應用，機器代替人力工作變得更加容易。本文以分子篩包裝工序中的上料流程為例，闡述機器人智能上料系統的設計方法[1,2]。

1 3A分子篩生產流程

分子篩生產過程中，包裝工序采用全自動包裝機，包含上料和包裝兩個流程，其中上料流程是把生產出的分子篩產品送到料倉里。企業以前的生產工藝是工人用接料桶將分子篩從成品倉接到桶里，再由人工將桶轉移到料倉上料提升機進行上料，完成上料操作至少需要2～3個工人連續工作。進行自動化改造后上料過程可以完全擺脫人工參與，實現上料系統的無人化自動運行。3A分子篩生產現場布置如圖1所示。

1-機器人作業半徑；2-機器人安裝位置；3-板鏈；4-接料桶；5-AGV導航磁條；6-停止位置3；7-停止位置2；8-停止位置1

生產現場共有6臺自動包裝機，包裝3種不同規格產品。其中，1#、2#料倉為一種規格，3#、4#、5#料倉為一種規格，6#料倉為一種規格。如圖1所示，機器人安裝在中間位置，接料桶接滿料后通過板鏈3運送到接料桶4的位置，由機器人抓取后根據觸摸屏選擇的倒料順序進行倒料，倒完料后的空桶由機器人放到AGV智能小車上運回到板鏈。AGV智能小車采用磁條導航，停止位置1為小車進入機器人干涉范圍前等待點，每次行駛到停止位置1后要停止，等待機器人發送允許信號后再前進；小車通過停止位置1前進后會置位一個干涉信號給機器人，機器人通過該信號的有無判斷小車是否在作業半徑內。停止位置2為等待放桶位置，小車行駛到停止位置2后停止并發送到位信號給機器人，機器人倒完料后會將空桶放到小車上并發送完成信號，小車繼續前進，行駛到停止位置3后小車復位干涉信號，機器人進行下一次的倒料流程。

2 硬件設計

工業機器人為本系統的核心關鍵設備[3]，不僅要連續向多個料倉進行倒料作業，還要與AGV智能小車、來料運輸系統進行信號交互。接料桶滿桶重量加夾爪重量約300 kg，考慮到載荷余量及后期可能存在產能升級，機器人型號最終選型為KUKA KR500 R2830，品牌為德國庫卡，額定載荷為500 kg，作業半徑為2 830 mm。為了與機器人信號交互方便，機器人信號控制PLC選用西門子1214C，觸摸屏選用信捷品牌TGA63-ET，帶網口通訊功能。PLC與機器人、觸摸屏采用以太網通訊模式，與來料運輸系統及AGV小車采用IO通訊模式。硬件系統連接結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統結構框圖

3 軟件設計

3.1 PLC程序設計

西門子PLC編程在博圖V15環境下完成，觸摸屏界面設計在TOUCHWIN V2.E版本下完成。觸摸屏可以設置倒料料倉個數、倒料順序，可以顯示各料倉的料位情況。當需要倒料的下一個料倉料位滿時，機器人會等待一定的設置時間，等待時間結束后如果料位還是滿狀態，則自動切換到下一個倒料料倉，整個控制流程如圖3所示。

圖3 PLC控制流程

3.2 觸摸屏界面設計

觸摸屏設計主要用于顯示各料倉料位、放料料倉個數、放料順序、當前放料料倉、自動切換料倉時間。生產時需要根據不同產品選擇放料料倉數量，放料順序輸入框為條件顯示，即放料料倉數量輸入為幾，顯示幾個輸入框。在放料順序輸入框輸入相應料倉編號后，會按照自上向下的順序進行放料。當前放料料倉號為排在第一順位的料倉編號，機器人每次倒完料后會給PLC發送倒料完成信號，將此數字加1。“+”按鈕用于人工切換放料料倉，每按一次當前放料料倉號加1。觸摸屏設計如圖4所示。

圖4 觸摸屏設計

3.3 機器人程序設計

機器人根據觸摸屏設置放料順序進行放料，在程序中定義整數變量A，1～6六個料倉順序對應機器人六個IN輸入點，通過IF命令對A進行賦值，主要代碼如下：

DECL INT A

IF $IN[1]==TURE THEN A=1

ENDIF

...

IF $IN[6]==TURE THEN A=6

ENDIF

這樣A的賦值就對應6個料倉編號，通過SWITCH...CASE命令對倒料料倉進行選擇，主要代碼如下：

SWITCH A

CASE 1

...

CASE 6

...

ENDSWITCH

CASE命令后對應相應編號的料倉倒料動作，用示教器示教完成，通過A賦值的不同執行不同料倉的倒料動作。

4 系統調試

4.1 PLC與機器人通訊

首先進行PLC與機器人的通訊調試[4,5]，KUKA機器人需要預裝PROFINET軟件包。在博圖V15中導入KUKA機器人的GSD文件，將機器人作為PLC的分布式IO進行組態，通過PROFINET協議進行通訊，PLC與機器人的IP地址需要設置在同一網段下。機器人端還需要進行IO設置，在WORIVISUAL 6.0環境下IO MAPPING菜單對PROFINET組件進行地址映射。設置完成后將配置文件下載到機器人柜進行更新，然后對PLC和機器人進行通訊測試。機器人強制輸出信號在博圖中在線看PLC是否接收到，反過來PLC強制輸出信號看機器人端能否接收到，收發測試正常說明組態成功，通訊調試完成。

4.2 觸摸屏及IO通訊設備調試

觸摸屏界面設計好后下載至觸摸屏，將料位計信號及其他設備IO通訊信號接到PLC進行測試，測試正常后調試完成。

4.3 機器人編程

編輯好程序邏輯框架，再用示教器抓空桶對抓取、等待、倒料等各工位逐一示教，示教完成后用低速抓空桶空跑對自動程序進行驗證，測試各信號是否正常、程序示教點是否合理、整個流程是否流暢，并隨時修改不合適的示教點。反復測試無誤后帶料測試，各料倉都帶料測試驗證無誤后調試完成。

經過反復調試，系統投入生產使用。在長期使用過程中，系統高速高效實現了無人化自動上料，現場24 h連續生產，運行穩定，達到了設計要求，系統調試成功。

5 結束語

本文以西門子1214C PLC和KUKA KR500 R2830工業機器人為控制核心，結合觸摸屏與傳感器技術，設計了機器人智能上料系統。該系統實現了連續無人化自動生產，高效穩定，節約了大量的人工成本，滿足了企業用機器人代替人工的自動化改造要求，具有較高推廣價值。