基于工業(yè)機器人的分揀生產(chǎn)線群控通信系統(tǒng)設(shè)計*

王鴻博　李建東　崔曉暉　王寶平

(①順德職業(yè)技術(shù)學院,廣東 順德 528300 ;②無錫匯聯(lián)自動化系統(tǒng)有限公司,江蘇 無錫 214072;③長春合心機器制造有限公司,吉林 長春 130033;④北京FANUC數(shù)控工程限公司,北京100102)

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基于工業(yè)機器人的分揀生產(chǎn)線群控通信系統(tǒng)設(shè)計*

王鴻博①李建東②崔曉暉③王寶平④

(①順德職業(yè)技術(shù)學院,廣東 順德 528300 ;②無錫匯聯(lián)自動化系統(tǒng)有限公司,江蘇 無錫 214072;③長春合心機器制造有限公司,吉林 長春 130033;④北京FANUC數(shù)控工程限公司,北京100102)

根據(jù)禮品分揀自動化生產(chǎn)線工藝流程和自動化控制的要求，提出基于工業(yè)機器人、機器視覺的自動化解決方案。構(gòu)建以西門子S7-1200為主控PLC(programmablelogiccontroller)、機器人與機器視覺、AGV(automatedguidedvehicle)自動導引小車、碼垛立體倉庫系統(tǒng)、禮品分揀流水線等組成的全自動分揀網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MODBUS-TCP通信協(xié)議，實現(xiàn)了機器人、機器視覺、從屬PLC及主控PLC之間的數(shù)據(jù)與I/O信號交換。系統(tǒng)提高了工廠自動化水平、提高了生產(chǎn)效率，減小勞動強度，降低了人工成本。

工業(yè)機器人；MODBUS-TCP協(xié)議；PLC網(wǎng)絡(luò)；分揀生產(chǎn)線；機器視覺

(①ShundePolytechnic,Shunde528300,CHN; ②WuxiHuilianAutomaticSystemCo.,Ltd.,Wuxi214072,CHN;③ChangchunHexinMachineryManufacturingCo.,Ltd.,Changchun130033,CHN;④Beijing-FANUCNCEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100102,CHN)

工業(yè)機器人在傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級中應用越來越廣泛，諸如包裝物品分揀、碼垛、焊接、噴涂、涂膠、裝配以及數(shù)控機床上下料等行業(yè)逐漸由機器人代替人工進行，但仍存在工業(yè)機器人處于小系統(tǒng)、單機、單功能運行現(xiàn)象[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動化群控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸在小型工廠自動化系統(tǒng)中應用[2]，以網(wǎng)絡(luò)化集成機器人、各類生產(chǎn)線、視覺檢測、上下料裝置、AGV自動導引小車等工廠自動化技術(shù)趨于成熟，大大提升了工廠自動化水平，提高生產(chǎn)效率，減小勞動強度，降低了人工成本。

本文介紹一種基于工業(yè)機器人、西門子S7-1200型PLC網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)、視覺檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)群控技術(shù)在小型工廠包裝自動生產(chǎn)線中的應用。

1　全自動包裝分揀生產(chǎn)線及工藝流程

設(shè)備實物圖如圖1所示，整個系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，機器人禮品分揀系統(tǒng)由立體倉庫、碼垛機、AGV機器人、托盤流水線、視覺系統(tǒng)、工業(yè)機器人、禮品盒生產(chǎn)線和電氣系統(tǒng)組成。

1.1生產(chǎn)線硬件系統(tǒng)

1.1.1立體倉庫與碼垛機

立體倉庫與碼垛機系統(tǒng)用于各類包裝的禮品進行分類與存儲，通過識別禮品包裝盒的條碼或電子標簽(RFID)判斷禮品的存儲位置，便于碼垛機從倉庫進行存取操作。倉庫總高約1 700mm，寬度約2 970mm；每個倉位容積約為310mm×250mm×300mm；包含28個倉位；每一倉位具有空位檢測開關(guān)。碼垛機系統(tǒng)X、Y、Z軸均采用變頻控制，X行程2.5m，Y行程約0.93m，Z行程0.86m，X軸方向的運動采用蝸輪減速裝置，具有一定的自鎖性；X軸、Z軸的驅(qū)動電動機還帶有剎車裝置，保證機器斷電后立即停車；X軸和Y軸運動都帶有防撞裝置。

1.1.2工業(yè)機器人

分揀系統(tǒng)采用國產(chǎn)匯博工業(yè)級工業(yè)機器人(型號:HR20-1700-C10)，交流全伺服電動機驅(qū)動；6自由度；負載能力20kg，重復定位精度：±0.08mm。

1.1.3AGV運料小車

AGV運送小車系統(tǒng)負責將碼垛機械手抓取的禮品托盤輸送至托盤生產(chǎn)線上，每次滿3個托盤時，小車自動運行至托盤輸送線進行輸送；小車由下部車架和上部輸送裝置組成。下部車架由電動機、驅(qū)動輪、輔助輪、電池和框架等零件組成。2臺電動機帶動驅(qū)動輪控制小車沿磁條導向運動，4個輔助輪控制小車的平衡。上部輸送裝置采用皮帶傳動，皮帶離地面高度約為800mm，輸送帶前端有電磁鐵控制的阻擋機構(gòu)。

1.1.4視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)安裝于托盤輸送線中，當托盤中禮品到達視覺檢測工位時，機器視覺系統(tǒng)對托盤內(nèi)的禮品進行視覺識別，并把識別的禮品位置、形狀等特征數(shù)據(jù)送到中央控制器PLC和六關(guān)節(jié)機器人，由工業(yè)機器人根據(jù)目標存放位置執(zhí)行相應的動作。

視覺識別系統(tǒng)由智能相機、光源控制器、光源和鏡頭等硬件組成。光源采用背光方式(光源在工件下面, 光源尺寸(210mm×210mm)，可識別多種不同類型的工件，托盤傳到工件位且符合拍照條件時，給光源控制器輸入端一個觸發(fā)信號，相機拍照，拍照完成后，光源控制器給出一個輸出信號，系統(tǒng)執(zhí)行下一步操作。

1.1.5托盤輸送線及禮品盒流水線

托盤輸送線主要用于托盤的輸送與配合視覺系統(tǒng)進行檢測的自動傳輸功能。系統(tǒng)采用倍速鏈結(jié)構(gòu)，側(cè)面流利條導向，喇叭口流利條導向，托盤回收處(可回收托盤10個)具有6個工位，第2、4工位阻擋氣缸，型材槽(內(nèi)槽)安裝功能型傳感器分別用在1、2、4、5、6工位。物品盒輸送線由異步電動機變頻控制。

禮品盒流水線主要用于將機器人分揀的禮品進行歸類放置于禮品盒中，并輸送歸類完成的禮品盒至指定位置。系統(tǒng)由步進電動機控制，采用脈沖定位控制的方式，也可采用傳感器定位的控制方式。運送的禮品盒尺寸為435mm×315mm×100mm；物品輸送線高度為：774mm，可微調(diào)輸送速度最大200mm/s；禮品盒流水線為5工位，禮品盒占用3個工位，其余兩個工位為上下料用。

1.2分揀生產(chǎn)線工藝流程

全自動禮品分揀系統(tǒng)旨在根據(jù)禮品包裝形式的分類要求，通過碼垛機器人系統(tǒng)從倉庫取出待分揀的禮品放置托盤，自動傳遞至AGV小車，并經(jīng)過AGV小車輸送到托盤流水線，視覺系統(tǒng)根據(jù)流水線各托盤禮品的種類、形狀或其他特征進行視覺分析，由機器人系統(tǒng)根據(jù)指定類型進行分揀并將禮品放置在禮品盒流水線各指定的禮品盒中進行分類存儲。整個系統(tǒng)通過MODBUS-TCP協(xié)議，由主控PLC協(xié)調(diào)機器人、倉儲系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、AGV小車及禮品盒生產(chǎn)線進行全自動運行，實現(xiàn)分揀自動化。詳細工藝流程如圖3所示。

2　電氣控制與通信系統(tǒng)設(shè)計

2.1電氣系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用西門子s7-1200系列PLC，SIMATICS7-1200系列PLC是西門子推出的新一代集成了自動化控制、人機界面和網(wǎng)絡(luò)控制功能于一體的新型PLC，廣泛用于各類包裝生產(chǎn)線、物流生產(chǎn)線、小型生產(chǎn)自動化群控等高性能離散工業(yè)領(lǐng)域。

本系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)如圖4所示，主控PLC采用S7-1200CPU1215C型，主控PLC除控制托盤輸送系統(tǒng)及禮品盒流水線外，還控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)其他各子系統(tǒng)；倉庫及碼垛系統(tǒng)采用SIMATICS7-1200 (CPU1215C型)1個,擴展模塊3個,西門子G120變頻器3個；視覺檢測系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)均采用MODBUS-TCP協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)控制方式與主控PLC交互通信。由主控PLC協(xié)同控制各子系統(tǒng)運行。各子系統(tǒng)配備西門子TP700型觸摸屏，用于數(shù)據(jù)交換設(shè)置與狀態(tài)檢測顯示。

2.2通信系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)總線將工業(yè)機器人、主控PLC(禮品盒流水線)、碼垛機及立體倉庫系統(tǒng)PLC、碼垛機立體倉庫系統(tǒng)觸摸屏、主控觸摸屏(禮品盒流水線)、視覺系統(tǒng)、變頻器以及編程開發(fā)計算機等均通過以太網(wǎng)連接。編程開發(fā)計算機負責開發(fā)調(diào)試程序、視覺系統(tǒng)特征識別開發(fā)、機器人示教編程。碼垛立體倉庫系統(tǒng)和主控觸摸屏負責管理碼垛立庫系統(tǒng)、禮品盒流水線的運行參數(shù)以及系統(tǒng)報警和提示信息等。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖5所示。

2.2.1系統(tǒng)中的PLC與MODBUS-TCP通信協(xié)議地址分配

MODBUS-TCP協(xié)議是廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域的通信協(xié)議，通過此協(xié)議，控制器相互之間、或控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng))可以和其他設(shè)備之間進行通信[3]。S7-1200CPU具有一個集成的以太網(wǎng)接口，支持面向連接的以太網(wǎng)傳輸層協(xié)議，可通過MODBUS-TCP協(xié)議將S7-1200與工業(yè)機器人、視覺系統(tǒng)、其他S7-1200PLC通過以太網(wǎng)絡(luò)連接起來。為保障各設(shè)備之間通信正常，MODBUS協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸開始之前建立各設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，并在MODBUS與PLC之間建立對應地址，本系統(tǒng)中相應的各數(shù)據(jù)量傳輸?shù)刂啡绫?所示。

表1數(shù)據(jù)量傳輸?shù)刂?/p>

MODBUSS7-1200MB-地址PLC地址數(shù)據(jù)區(qū)域數(shù)據(jù)區(qū)域1-8192 A0.0-A1023.7輸出數(shù)字量輸出10001-18192I0.0-I1023.7輸入數(shù)字量輸入3000130512IW0-IW1022輸入模擬量輸入40001-49999DBW0-DBW19998保持存儲器數(shù)據(jù)塊

2.2.2主控PLC與視覺系統(tǒng)的通信

(1)智能相機與PLC通信流程

系統(tǒng)中的視覺主要對包裝制品的分類識別與標定作用，采用信捷SV4-30ML型智能相機作為視覺識別系統(tǒng)。智能相機與主控PLC之間采用MODBUS-TCP協(xié)議通信，其中智能相機為服務(wù)器端，PLC為客戶端，即PLC主動讀取智能相機的數(shù)據(jù)；智能相機與PLC通信流程如圖6所示。

(2)S7-1200PLC中編程實現(xiàn)與智能相機MODBUS-TCP通信

系統(tǒng)采用西門子博途(TIA)V13版本平臺內(nèi)嵌的S7-1200MODBUS-TCP庫函數(shù)實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，PLC以客戶機的身份通過MODBUS-TCP協(xié)議讀取相機的數(shù)據(jù)[4]；在博途(TIA)V13平臺設(shè)備組態(tài)中添加設(shè)備組態(tài)并修改PLC的IP地址與相機IP地址在同一網(wǎng)段內(nèi)，本系統(tǒng)統(tǒng)一在8網(wǎng)段；在V13平臺內(nèi)添加MODBUS-TCP客戶端通信模塊(MB_CLIENT_DB)功能塊。配置通信模塊參數(shù)，如圖7所示，連接ID地址(CONNECT_ID)設(shè)為相機的站號3；IP地址是相機的地址，設(shè)為：192.168.8.3。IP端口(IP_PORT)是默認為502；工作模式(MB_MODE)1 表示“寫”，0 表示“讀”；數(shù)據(jù)地址(MB_DATA_ADDR)是相機存放數(shù)據(jù)的起始地址，41001；(MB_DATA_LEN)是讀取數(shù)據(jù)的長度；(MB_DATA_PTR)是PLC存放讀入的數(shù)據(jù)的緩存區(qū)，本系統(tǒng)從MW400數(shù)據(jù)地址開始。

在相機與主控PLC通信中，要求PLC和機器人的讀寫寄存器地址與MODBUS地址相對應，通信數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位在寄存器中存儲，以字為單位傳輸，以位為單位尋址。主控PLC中相機主模塊中打包了相機通信模塊、相機拍照使能模塊、相機中物品類型與姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸模塊、相機拍照完成模塊等。相機主模塊如圖8所示。

2.2.3主控PLC與工業(yè)機器人的通信

系統(tǒng)中工業(yè)機器人與主控PLC之間也采用的是MODBUS-TCP通信協(xié)議，其中工業(yè)機器人是服務(wù)端，PLC是客戶端，即PLC主動讀取和寫入數(shù)據(jù)；系統(tǒng)中約定工業(yè)機器人的IP地址為192.168.8.103，在博途(TIA)V13平臺中通信模塊的建立方法同相機模塊一樣。工業(yè)機器人與PLC的通信流程如圖9所示。

系統(tǒng)中的工業(yè)機器人具有兩種功能，一是根據(jù)智能相機中的物品類型與姿態(tài)數(shù)據(jù)進行分類抓取，接受主控PLC傳輸?shù)奈锲奉愋秃妥鴺诵畔?此數(shù)據(jù)由智能相機傳輸給主控PLC)，在工業(yè)機器人系統(tǒng)中進行坐標信息的計算與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)物品類型按照將物品放置在禮品流水線指定位置；二是根據(jù)抓取物品數(shù)量判斷托盤是否為空，并將空托盤放置在托盤堆棧里面。因此主控PLC與工業(yè)機器人之間的信號數(shù)據(jù)交換模塊包括：機器人主控模塊、機器人I/O控制模塊、機器人回初始位功能模塊、機器人通信模塊及機器人數(shù)據(jù)傳遞模塊。

PLC與機器人通信程序模塊如圖10所示，該模塊主要完成和機器人通信，傳遞控制命令和坐標信息。PLC與工業(yè)機器人通信緩存區(qū)以數(shù)組方式定義為：

RobotEthComReadBuffer:BufferARRAY[1...32]ofINT;(從機器人讀取數(shù)據(jù)的專用函數(shù))

RobotEthComWriteBuffer:BufferARRAY[1...32]ofINT;(發(fā)送給機器人數(shù)據(jù)的專用函數(shù))

當PLC從機器人側(cè)讀取數(shù)據(jù)時，RobotEthComReadBuffer.Buffer[17]對應“機器人狀態(tài)字”，可將機器人內(nèi)變量SYSTEMioOUT[0],對應MODBUS地址為40017中的狀態(tài)賦值到變量giRobotStauWord中；giRobotStauWord中的數(shù)值表示機器人的工作狀態(tài)，其中“100”為機器人處于待機狀態(tài)；“200”表示機器人處于運行中；“300”表示抓取時沒有吸到物體;“400”表示抓取完成后物體丟失。

當PLC發(fā)送給機器人數(shù)據(jù)時，RobotEthComWriteBuffer.Buffer[1]對應“機器人控制字”，可被變量giRobotCtrlWord賦值，機器人內(nèi)變量SYSTEMioIN[0],相對應MODBUS地址為4001。giRobotCtrlWord中數(shù)值表示機器人控制狀態(tài)字，其中“103”為抓取動作啟動命令；“203”為中途停止后再啟動命令；“104”為復位回初始狀態(tài)命令。除機器人控制字外，主控PLC發(fā)送給機器人的數(shù)據(jù)還包括機器人抓取點X、Y、Z坐標和抓取點的角度；機器人碼放點的X、Y、Z坐標和碼放點的角度；機器人工具編號等，這些數(shù)據(jù)信息均通過RobotEthComWriteBuffer.Buffer[]數(shù)組進行分類賦值，并通過定義變量經(jīng)過MODBUS相應地址發(fā)送給機器人側(cè)。

3　結(jié)語

(1)根據(jù)包裝自動線的工藝流程與自動化要求，建立了基于視覺分揀、工業(yè)機器人、自動生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)化電氣控制方案。

(2)構(gòu)建了以西門子S7-1200為主控PLC的自動化控制網(wǎng)絡(luò)，介紹了基于MODBUS-TCP協(xié)議的PLC與工業(yè)機器人、PLC與智能機器視覺網(wǎng)絡(luò)通信自動化解決程序，并利用西門子博途(TIUA)V13版軟件平臺設(shè)計了PLC控制程序與觸摸屏監(jiān)控畫面。

(3)基于工業(yè)機器人及視覺檢測的包裝自動生產(chǎn)線系統(tǒng)適用于全自動各類包裝制品生產(chǎn)線，也可作為西門子PLC群控系統(tǒng)學習、工業(yè)機器人網(wǎng)絡(luò)控制學習的載體。

[1]王田苗,陶永.我國工業(yè)機器人現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機械工程學報,2014,50(9):1-13.

[2]張愛民,王倩.基于總線模式的工業(yè)機器人系統(tǒng)[J].制造技術(shù)與機床,2010(11):40-42.

[3]李秀鐘,鐘造勝.基于S7-1200PLC的弱磁性鐵礦石磁選機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)應用,2015(7):56-61.

[4]李方園.西門子S7-1200的設(shè)計與應用[J].自動化博覽,2011(5):50-54.

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Design of group communication control system for sorting production line based on industrial robot

WANG Hongbo①, LI Jiandong②, CUI Xiaohui③, WANG Baoping④

Accordingtotherequirementsoftheautomaticproductionlineandautomaticcontrolofthesortingforgiftproductionline,anautomaticsolutionfortheindustrialrobotandmachinevisionisproposed.TheautomaticsortingnetworkcontrolsystemisconstructedbySIEMENSS7-1200PLC(programmablelogiccontroller),roboticsandmachinevision,AGV(automatedguidedvehicle)automaticguidedcar,stackingwarehousesystemandgiftssortinglines.TheMODBUS-TCPcommunicationprotocolisadoptedtorealizethedataexchangebetweentherobot,machinevision,slavePLCandmasterPLC.Thesystemcanimprovethefactoryautomationlevel,improvetheproductionefficiency,reducelaborintensity,andreducelaborcosts.

industrialrobot;MODBUS-TCPprotocol;PLCnetwork;sortingproductionline;machinevision

TP273

B

王鴻博 ，男 ，1973年生，工學碩士，副教授，從事機電一體化科研與教學，發(fā)表論文15篇。

(編輯李靜)(2015-09-07)

160323

*廣東省科技計劃項目(2013B011303007)；順德學院創(chuàng)新強校立項(2015-KJZX049)；順德學院教學團隊立項(ZX03240302)