基于PLC与工业机器人的搬运码垛自动化产线控制系统设计

0引言

随着我国智能制造行业自动化的发展,越来越多行业引入了智能制造设备,而物流行业作为我国装备制造业重要的环节也逐步引入了智能设备,其中智能制造领域最关键的技术就是工业机器人替代人工劳动,但是现在我国工业机器人主要应用于汽车和电子物流领域,在医药、食品、饮料等物流领域的应用却很少。目前很多包装、装箱、物料转运输送等仍然是以人力为主,这就造成了物料运输效率低、工人劳动强度高以及生产效率低等问题,而自动化产线设备的改造及工业机器人技术的应用能很好地解决以上问题,因此搬运码垛自动化产线升级改造对于搬运物流行业来说十分必要^[1]。

本文设计了一套搬运码垛自动化产线,以优傲协作机器人为工作主体,以PLC为核心控制器,将机器人与输送单元、码垛单元、安全保护单元、总控单元等外围模块集成在一起,并考虑生产节拍、工作效率等因素,完成自动化生产线总体布局、装备布局,同时对控制系统的各个模块进行功能配置和调试,最终实现了搬运码垛的无人化工作,可以为不同场景的搬运、码垛功能实现提供思路,使搬运码垛自动化产线更加智能化、轻量化和高效化。

1系统构成

搬运码垛自动化产线由6轴工业机器人、自动输送系统、码垛托盘、末端手爪、PLC与控制柜、电脑工作台、大屏显示系统、安全防护装置等外围设备硬件 系统组成。利用机器人实现物料的 自动搬运和码垛任务,系统可以实现多种垛形的码放,还配置了自动称重、贴标签、检测及通信系统,并与生产控制系统相连接,以形成一个完整的集成化自动生产线。根据搬运码垛工作现场的需求, 自动化产线的布局如图1所示。

1.1 工业机器人系统

在搬运码垛自动化产线中,机器人实现了搬运、 码垛、换手爪的操作。通过示教编程、与PLC通信来保证各功能的实现^[2]。

1.2 输送单元

包含两组直线滚筒输送机和两组90O转弯输送机,组成U型输送线,实现单线单垛循环输送拆码垛。整条输送线由4个三相异步电机驱动,每个电机配有一个变频器进行运输速度调节。输送系统配套定位传感器,可对工件位置进行检测和启停控制,输送线上和末端均设置有限位装置,精确控制工件在输送线上的位置和到位检测处理。

1.3 夹具换装单元

由静音气泵、真空发生器、工具快换接头、吸盘抓手、三爪气爪、工具支架等机构组成。工具快换接头可以连接吸盘抓手、三爪气爪两种工具进行功能性操作。吸盘抓手上装有真空吸盘和气动对接装置,真空吸盘的吸放由机器人控制,可以随工业机器人末端手腕移动,吸取机器人末端工作范围内的工件。气爪用来实现圆柱工件的抓取、放置,由机器人信号控制气爪张开与闭合。工具支架安装在工具台上,用于机器人自动放置和取用不同的末端工具^[3]。

1.4电气控制柜

用于控制工作站各单元之间的配合,包含PLC、变频器、电源、数据信号线路、继电器、触摸屏等电气部件,在触摸屏上,可直观监控工作站状况和参数,并随时提取动作记录。对每种工件都可方便地设定工作程序,工作程序可进行储存并被随时调用;工作时按操作者选用的程序完成工件的 自动运行。在运行中,可人为干预,中途因故停止后,智能处理后继续运行。

2控制系统构成

搬运码垛 自动化产线控制系统包括工业机器人、PLC、触摸屏、变频器、继电器、开关电源、光电开关、光栅和电机等,其硬件设计结构如图2所示。

2.1 工业机器人

生产线采用了优傲UR10协作型工业机器人,优傲UR10容易编程,设置快捷,具备协作性与安全性及更高的精确性和可靠性,能自动处理重量达10 kg 的流程和作业。其控制器如图3所示。

2.2 PLC

考虑到电磁兼容性、抗冲击和振动能力以及较强的工业适应性等功能需求,搬运码垛自动化产线选用的PLC为SIMATICS7—1500,具体的CPU型号为CPU1511—1 PN。CPU1511—1 PN带有一个双端口接口,其中PROFINET接口除了PROFINET基本功能,还支持PROFINET IO RT(实时)和IRT(等时同步实时)功能,可以实现与触摸屏和优傲机器人的数据通信。

2.3触摸屏

选用的触摸屏型号为威纶通MT8121iE。MT8121iE人机界面已经通过测试,证明符合欧盟CE电气认证的标准。此外,应保证布线和接地方式正确,以确保该产品的电路设计可抵抗电气噪声的干扰。

2.4变频器

选用的变频器型号为施耐德ATV310。施耐德 ATV310变频器紧凑的结构、超凡的性能特别适用于中国市场通用工业机械设备。

2.5 安全光栅

选用的安全光栅为台禾安全光栅,主要包括发射器、接收器、供电线及对接线。安全光栅是光电传感器的一种,但其检测范围要比简单的传统光电传感器大得多,可以有效避免设备工作过程中的危险,提高安全系数。

2.6 快换装置

选用的快换装置为博泽快换盘。工具自动快换使得机器人在不需要人为干预的情况下,就可自动根据工作需求更换末端工具,更好地完成自动化生产,提高了设备的柔性。快换装置包括固定在机器人手腕末端法兰盘的固定端,以及可以随时更换的工具端,如图4所示,两者的接口是通用的,可以通过气动装置实现工具端的夹紧和松开,从而实现自动更换工具。

3控制系统的编程与调试

根据产线的工作要求,完成控制系统的设计与开发,实现工作流程控制,其控制原理为:工作人员在触摸屏上选择码垛方式,PLC结合触摸屏的码垛方式及称重传感器传回的物重信息,自行判断垛形及位置,当传送带起始端传感器检测到物料信息后,启动传送带运送物料,传送带各个位置的传感器可以实时监测物料的位置并在触摸屏上进行实时显示。同时,机器人根据PLC给的信号抓取所需工具,当传感器检测到物料到达指定位置时,机器人到达预设位置拾取物料,根据判断的垛形进行码垛或装箱等工作,码垛完成后机器人给PLC发送一个完成信号,为下一轮工作任务做好准备。

整个控制系统的开发包括PLC程序设计、机器人程序的设计及触摸屏界面的编写。三种程序都采用模块化设计,每个模块实现一个单独的小功能,再编写总程序将各个模块整合串接,最终实现整体的控制。

3.1 PLC控制程序

PLC控制程序包括系统初始化子程序、通信子程序、手动调试子程序、自动运行子程序及I/O映射子程序。

初始化程序:当系统开机或第一次上电时,所有气缸复位,机器人回到home点,送料机构停止送料,码垛或拆垛方式选择复位清零,报警信息清零。

通信子程序:实现机器人与PLC之间信号的传递,包括运输到位、搬运完成、急停、码垛程序选择等信号。实现触摸屏和PLC之间的信号传递,包括码垛方式的选择、垛形的选择、物料运动的位置等信号。

手动调试子程序:单独实现各个模块的功能,传送带的正反转,点动控制,传送带完整运输一个物料的程序,机器人更换工具的程序;单独实现某种垛形的码垛程序,系统急停、暂定、继续运行的程序,为整个系统的自动运行和测试打好基础。

自动运行子程序:PLC根据触摸屏的选择及传感器传回的信号进行判断选择,告诉机器人执行哪个子程序,同时在运行过程中实时监测外部信号,控制系统的运行状态。

I/O映射子程序:将传感器、机器人等信号进行映射,最终在触摸屏上以指示灯、报警信息等方式显示出来。

3.2机器人控制程序

程序主要针对机器人搬运码垛应用。程序主要分为两个部分:一是实现物料装箱及不同垛形的码放,二是通过机器人工具末端工具的更换实现对两种不同类型物料的码放。主要流程如图5所示。

机器人程序主要包括初始化程序、更换手爪子程序、取料子程序、放料子程序,及能够实现两种不同码垛功能的子程序。

初始化程序中,机器人先读取当前位置信息与home位置进行比较(若机器人已在home位置,则继续执行后面的程序,并输出信号复位指令;若机器人不在 home位置,机器人工具点先向上移动至安全高度,然后回到home位置)。机器人回到home位置后,对机器人末端是否安装手爪进行判断,若装有手爪则需要自动放下,保证工作站的初始状态,避免与后续程序发生干涉。

机器人主程序启动通过外部控制柜旋钮开关的信号输入控制,根据触摸屏的参数选择判断将要调用的子程序。子程序1代表单独对矩形物料的搬运码垛过程,无工具更换部分,根据重量传感器判断两种垛形的变换。子程序2代表对两种不同类型物料的装箱码垛过程,先完成箱体的码垛,更换工具完成装箱后,再继续更换工具完成第二个箱体的码垛,再完成装箱,依此类推,直至完成所有箱体的码垛及装箱工作。

3.3触摸屏界面设计

如图6所示, 自动化产线程序控制界面主要分为四个窗口:码垛主窗口、手动调试窗口、产线运动窗口和报警信息窗口。其中码垛主窗口可以进行产线运行、停止、暂停及待命状态的监视,也可以实现手动控制手爪开合及快换接口的开合。手动调试窗口可以实现4台三相异步电动机手动测试,以及8路输入/输出的显示及控制。产线运动窗口可以实现自动运行过程中各个电机运行状态以及物料运行位置的监视。报警信息窗口在产线运行出现故障时或按下急停按钮后,可以显示具体的报警信息,操作员可以根据报警信息解决故障。

4产线应用与分析

搬运码垛 自动化产线控制系统采用西 门子S7-1500作为控制器,将优傲机器人、自动输送系统、快换单元以及仓储单元等集成在一起,调试完成后在某物流公司进行了码垛测试。该公司原来采用人工搬运码垛,一天能码垛1 350~1 500盒,同时,由于工人连续工作身体疲劳,码垛出错率达3%~5%。而采用自动化产线替代人工后,工作过程稳定,不仅可以减少人工数量,提高码垛准确率到99%,工作效率也能提高40%左右。

5 结束语

为了解决我国目前物流行业智能化、自动化程度不高等问题,本文以优傲协作型工业机器人为主体,西门子S7-1500为核心控制器,通过以太网通信将工业机器人、自动输送系统、码垛托盘、快换单元、安全防护装置等集成在一起,完成了搬运码垛自动化产线控制系统的设计与调试,能够完成不同物料的装箱及码垛工作,准确率达99%。经过企业实际测试,搬运码垛自动化产线控制系统整体运行良好,工作速度快且稳定,降低了人员的劳动强度,提高了生产效率。同时,该产线可通过自行编程实现多种垛形的编程,且外围设备丰富,可控性、柔性较高,可以为企业设备升级改造提供后续支持。

[参考文献]

[1]马阳.工业机器人在我国的应用现状和发展趋势分析[J].南方农机,2020,51(17):194-196.

[2] 陈凤华.基于S7-1200 PLC的工件装配自动化生产线控制 系统设计[J].韶关学院学报,2019,40(3):35-39.

[3]任燕.全钢型防护网的焊接作业 自动化改造方案设计[J].河北能源职业技术学院学报,2016,16(3):65-67.

2024年第19期第4篇