基于西門子PLC的智能柔性工作站控制系統(tǒng)的研究

張?zhí)K新 朱哲誠

摘 ?要：文章通過介紹智能柔性工作站的研究背景及內(nèi)容，針對以工業(yè)機(jī)器人為主體的智能裝配、打磨、檢測和分揀放置智能柔性工作站設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了基于西門子PLC的智能柔性工作站控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路。整個(gè)控制系統(tǒng)包含了PLC主控、PLC接線、輸入輸出分線器、加工單元、去毛刺單元和檢測單元等模塊。通過調(diào)試智能柔性工作站實(shí)現(xiàn)了加工、去毛刺、裝配、檢測和分揀等功能。

關(guān)鍵詞：智能柔性;工作站;PLC控制

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）14-0052-05

Abstract： By introducing the research background and content of intelligent flexible workstation， this paper designs the intelligent assembly， grinding， detection， sorting and placement intelligent flexible workstation equipment based on industrial robot， and puts forward the overall design idea of intelligent flexible workstation control system based on Siemens PLC. The whole control system includes PLC main control， PLC wiring， input and output splitter， processing unit， deburring unit， detection unit and other modules. By debugging the intelligent flexible workstation， the functions of machining， deburring， assembly， detection and sorting are realized.

Keywords： intelligent flexibility; workstation; PLC control

0 ?引 ?言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、強(qiáng)國之基。2015年5月8日，國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)了智能制造代表著新的生產(chǎn)力發(fā)展方向，通過對生產(chǎn)的智能制造改革，將為傳統(tǒng)行業(yè)帶來巨大效率的改進(jìn)與升級，使傳統(tǒng)行業(yè)邁向自動(dòng)化和智能化的方向升級與前進(jìn)。

隨著市場的需求在不斷地變化與更新，新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)周期越來越短，激烈的市場競爭又要求穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，這需要在較短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出穩(wěn)定的產(chǎn)品，這為產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的工作站只能完成固定的工作任務(wù)，當(dāng)需要改變工作任務(wù)時(shí)，必須對新的工作站進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這就大大延長了開發(fā)周期，增加了項(xiàng)目的開發(fā)成本，而智能柔性工作站具有高度的柔性，工作時(shí)間長，性能穩(wěn)定可靠，通過降低人工干預(yù)減少人工成本，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用在各種制造行業(yè)中。

研究智能柔性工作站，順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的趨勢，通過工業(yè)機(jī)器人、PLC控制技術(shù)和產(chǎn)品柔性制造的有機(jī)結(jié)合，不僅為企業(yè)來降低產(chǎn)品的工藝開發(fā)的時(shí)間、設(shè)備采購的時(shí)間和人工的成本，還極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率。相比于傳統(tǒng)加工工作站，工業(yè)機(jī)器人與PLC控制技術(shù)為現(xiàn)代工廠的智能制造帶來的新的機(jī)遇，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)加工像全自動(dòng)化、高柔性、智能化的方向前進(jìn)。

1 ?任務(wù)要求

因用戶需求的改變，公司需對一套以工業(yè)機(jī)器人為主體的智能裝配、打磨及檢測分揀放置工作站設(shè)備進(jìn)行改造，根據(jù)任務(wù)和設(shè)備使用要求，完成設(shè)備的機(jī)械、電氣模塊等硬件的布局與安裝，PLC的編程與調(diào)試等工作，并優(yōu)化程序流程及工藝，提高工作效率和工作質(zhì)量。

通過模塊化的設(shè)計(jì)理念，提高智能柔性工作站的柔性，設(shè)計(jì)不同模塊并選擇對應(yīng)模塊并安裝，完成客戶訂單的需求，對加工、去毛刺、裝配、檢測和分揀單元進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，這些單元都可以進(jìn)行獨(dú)立裝卸，同時(shí)根據(jù)訂單需求，選擇不同的模塊并安裝。通過設(shè)計(jì)一組輸入輸出分線器，將輸入、輸出分線器將外部變量與控制器連接起來，可以方便地改變與設(shè)計(jì)輸入與輸出，同樣也提高了工作站的柔性。

完成對一個(gè)智能柔性工作站的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)可以配合工業(yè)機(jī)器人完成對工件的抓取、加工、去毛刺、裝配、檢測與分揀工作。工作流程圖如圖1所示。

該控制系統(tǒng)配合機(jī)器人完成以下任務(wù)，配合工業(yè)機(jī)器人將物件放入三爪卡盤，放入后對物件進(jìn)行加工，加工完后工業(yè)機(jī)器人從三爪卡盤中取出加工好的原件并打開去毛刺電機(jī)配合工業(yè)機(jī)器人完成去毛刺，將工業(yè)機(jī)器人裝配好的原件配合工業(yè)機(jī)器人通過微動(dòng)開關(guān)的檢測，檢測產(chǎn)品的合格性，合格的裝配部件放到合格品托盤，不合格的裝配部件放到次品托盤，完成后再進(jìn)行下一個(gè)原料的加工。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)備由供料托盤模塊、裝配單元模塊、電氣接線模塊、加工單元、去毛刺單元、檢測模塊、次品托盤模塊、合格品托盤模塊、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模塊組成。該智能柔性工作站的控制系統(tǒng)主要由PLC控制器和輸入輸出模塊組成，輸入包含按鍵（啟動(dòng)、停止、復(fù)位）、光柵、微動(dòng)開關(guān)、三爪卡盤位置傳感器，輸出包含三爪卡盤開、三爪指示燈、打磨電機(jī)和三色燈。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，PLC與工業(yè)機(jī)器人通過PROFINET通信協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程IO通信。

啟動(dòng)按鈕代表開始進(jìn)行加工原料，按下停止按鈕，機(jī)器人與打磨電機(jī)將停止工作，按下復(fù)位按鈕，工作狀態(tài)重置。光柵上有紅外傳感器，當(dāng)有物體經(jīng)過光柵，PLC將讓工業(yè)機(jī)器人停止，以防安全事故的發(fā)生，光柵中間沒有物體時(shí)，則系統(tǒng)正常運(yùn)行，此時(shí)對應(yīng)的PLC的輸入信號為1，反之，PLC的輸入信號將變?yōu)?。微動(dòng)開關(guān)用于對工件的裝配進(jìn)行檢測，裝配完成，會(huì)觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，則有信號輸入。三色燈的綠、紅、黃燈代表工作站的不同工作狀態(tài)。加工指示燈紅燈閃爍代表正在進(jìn)行加工，指示燈綠燈亮起代表加工完成。PLC通過中間繼電器控制打磨電機(jī)用于對于與原料的去毛刺加工。

2.1 ?PLC接線圖

圖3為PLC接線電路圖，圖中虛線框內(nèi)為PLC內(nèi)部電路圖，通過接線圖可知，當(dāng)輸入是低電平時(shí)，在邏輯上，該輸入是0;當(dāng)輸出是高電平時(shí)，在邏輯上，該輸入為1，輸出亦然。左下方為PLC的電源接線，給PLC提供的是24V供電，上方為PLC的輸入端，下方為PLC的輸出端信號?？梢钥闯鲈揚(yáng)LC有16個(gè)輸入和16個(gè)輸出，能夠滿足輸入和輸出要求。

對應(yīng)的輸入包含三爪關(guān)到位、微動(dòng)開關(guān)、啟動(dòng)按鈕、復(fù)位按鈕、急停按鈕、光柵和三爪開到位，分別對應(yīng)的地址為I10.1、I10.2、I10.3、I10.4、I10.5、I11.1、I11.3。輸出信號三爪卡盤開、打磨電機(jī)、指示燈紅、開啟光柵、三色紅燈、三色黃燈、三色綠燈和蜂鳴器，分別對應(yīng)的地址為：Q4.2、Q4.3、Q4.5、Q4.6、Q5.1、Q5.4、Q5.5、Q5.6、Q5.7。

2.2 ?輸入輸出分線器設(shè)計(jì)

通過輸入輸出分線器，可以在平臺(tái)上清楚地看到輸入信號的名稱與地址，為前期的組裝與后期的維護(hù)帶來方便，通過插拔輸入插頭與輸出插頭可以方便地更改對應(yīng)的輸入輸出變量的地址，該分線器的下端是直接集成一根線并連接到PLC的各個(gè)變量對應(yīng)的連接座上。輸入輸出分線器的電氣接線圖如圖4所示。

2.3 ?其他單元

電源電路為工業(yè)機(jī)器人和打磨電機(jī)提供220 V供電，通過交流220 V轉(zhuǎn)換成直流24 V的變壓器，為PLC進(jìn)行直流24 V供電。每一個(gè)支路用電是并聯(lián)在主電路上，總的空氣開關(guān)控制所有用電器的通電，機(jī)器人與PLC的前端分別有兩個(gè)空氣開關(guān)作為分開關(guān)去分別控制這兩個(gè)用電器的電源的通斷，電動(dòng)打磨機(jī)通過220 V的交流電供電，通過中間繼電器來控制他的停止與轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)中間繼電器吸合時(shí)，電動(dòng)打磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，反之，則電動(dòng)打磨機(jī)停止。

加工單元由三爪卡盤、指示紅燈、指示綠燈組成，PLC控制三爪卡盤的開合，控制指示紅、綠燈來模擬加工的進(jìn)行與完成。三爪卡盤上有兩個(gè)限位傳感器，通過限位傳感器可以判別三爪卡盤氣缸運(yùn)動(dòng)到哪個(gè)位置，與機(jī)器人配合時(shí)，減少了碰撞的概率，同時(shí)也可以通過三爪卡盤的限位傳感器作為命令觸發(fā)的條件。當(dāng)機(jī)器人放工件時(shí)，三爪卡盤打開，傳感器檢測到工件放入;當(dāng)三爪卡盤鎖住，機(jī)器人才能松開夾爪;取工件時(shí)，機(jī)器人夾爪夾取到工件，三爪卡盤開到位傳感器檢測到物體時(shí)，機(jī)器人才能夠?qū)⑽矬w取出。

去毛刺單元配有一個(gè)打磨電機(jī)，該打磨電機(jī)由220 V交流供電，PLC通過繼電器控制打磨電機(jī)開關(guān)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到打磨頭進(jìn)行對加工好的原料進(jìn)行去毛刺。

檢測單元的主要由一個(gè)微動(dòng)開關(guān)組成，通過機(jī)器人將裝配好的原料上的金屬環(huán)觸碰微動(dòng)開關(guān)來檢測原料是否裝配完成。

本系統(tǒng)采用了PROFINET的通信方式來實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與PLC之間的通訊，從而完整的實(shí)現(xiàn)該工作站的執(zhí)行任務(wù)。PROFINET為自動(dòng)化的通信領(lǐng)域提供了完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)傳輸、高精度運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化（DCS控制系統(tǒng)）、工控安全和網(wǎng)絡(luò)安全。由于PROFINET使用TCP/IP協(xié)議，因此，它會(huì)用到MAC地址和IP地址，但如果設(shè)備更換為其他設(shè)備，其MAC地址會(huì)變動(dòng)，而動(dòng)態(tài)定址下的結(jié)果是IP地址，為了使得網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備擁有穩(wěn)定且合適的名稱，因此該協(xié)議會(huì)使用設(shè)備名稱來進(jìn)行區(qū)分。

3 ?運(yùn)行調(diào)試

設(shè)備完成后的工作目標(biāo)是：把原料（塑料圓柱體）從供料托盤拾取直接送到加工單元完成加工，然后轉(zhuǎn)移到去毛刺單元完成去毛刺工藝成為零件，接著轉(zhuǎn)移到裝配單元模塊完成金屬環(huán)的裝配成為裝配部件，完成裝配后再送到檢測模塊下通過微動(dòng)開關(guān)完成質(zhì)量檢測，合格的裝配部件放到合格品托盤模塊，不合格的裝配部件放到次品（不合格）托盤模塊。

其具體工藝流程為：

（1）按下啟動(dòng)按鈕后，三色燈黃燈熄滅，蜂鳴器響1秒鐘后，綠色燈常亮，工業(yè)機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng)。光柵被阻擋時(shí)，機(jī)器人立即停止運(yùn)動(dòng)，阻擋撤除后，再次依次按下復(fù)位按鈕與啟動(dòng)按鈕，機(jī)器人按照光柵被阻擋前的動(dòng)作繼續(xù)往下運(yùn)行。

（2）工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至原料庫，從原料庫中抓取原料（白色塑料圓柱體），并轉(zhuǎn)移至加工單元，如圖5（a）所示。

（3）工業(yè)機(jī)器人將原料插入加工單元卡盤，加工單元三爪卡盤夾緊原料，加工單元綠色指示燈亮代表正在加工，加工時(shí)間為3秒，如圖5（b）所示。

（4）加工完成后，加工單元紅色指示燈亮，工業(yè)機(jī)器人抓取工件，加工夾手松開，加工單元紅色指示燈滅。機(jī)器人夾住工件轉(zhuǎn)移到去毛刺工位，去毛刺工具啟動(dòng)。

（5）工業(yè)機(jī)器人抓住工件圍繞去毛刺工具先順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈后再逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，完成去毛刺工藝。完成整個(gè)去毛刺時(shí)間在8～12秒，去毛刺過程中，工件應(yīng)能保持與打磨工具距離基本一致且不大于10 mm，運(yùn)動(dòng)軌跡平滑流暢，如圖5（c）所示。

（6）完成去毛刺工藝后，轉(zhuǎn)移到裝配單元區(qū)域，將圓環(huán)套入工件后成為組件（白色塑料工件套上圓環(huán)）。

（7）工業(yè)機(jī)器人將裝配好的組件放在微動(dòng)開關(guān)旁，若是裝配成功，圓環(huán)套將推動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，機(jī)器人接收到檢測OK信號，若是裝配失敗，沒有套上圓環(huán)套，將無法觸發(fā)微動(dòng)開關(guān)，機(jī)器人接收到檢測NG信號，如圖5（d）所示。

（8）抓取下一個(gè)工件，重復(fù)進(jìn)行上述工件。

4 ?結(jié) ?論

本文首先介紹了現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诠ぷ髡疽缶哂锌焖傩院腿嵝?，同時(shí)根據(jù)企業(yè)客戶要求設(shè)計(jì)了一套基于西門子PLC的智能柔性工作站控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包含了PLC控制系統(tǒng)、PLC接線、輸入輸出分線器、加工單元、去毛刺單元和檢測單元等模塊，在此基礎(chǔ)上，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了抓取、加工、去毛刺、裝配、檢測和分揀等工序調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能，并具有較好的穩(wěn)定性。

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作者簡介：張?zhí)K新（1987.02—），男，漢族，江蘇蘇州人，講師，碩士研究生，研究方向：智能控制、電氣控制。