PLC在工业机器人控制系统中的应用

赵 勇 ， 李 洋

（1.河北科技工程职业技术大学，河北 邢台 054000；2.河北省中小型非标装备技术创新中心，河北 邢台 054000）

目前，工业机器人已经在不同生产领域中得到了普及，成为提升企业内部生产质量和效率的关键构成部分。但考虑到当前市场中不同消费者的需求更加地多元化，因此，工业生产的整体功能和生产的产品也开始朝着更加复杂多样的方向发展。为了能够适应我国工业建设和发展的新需求，需要通过进一步优化工业机器人的性能，不断提高工业机器人的整体应用质量。而可编程逻辑控制器是工业机器人中核心的控制部件，通过优化其设计方案，能够推动我国工业机器人系统的前行与发展。

1 总体布局

在现代信息技术以及通信技术迅猛发展的时代背景下，越来越多的前沿科学技术被应用到了我国工业生产过程中，并彻底转变了人们的工业生产方式。尤其是在人工智能技术跨越性发展的条件下，工业机器人系统应运而生，该项系统在工业生产过程中的实践应用，能够有效地提升生产全过程的效率和整体质量。其中，可编程逻辑控制器是控制工业机器人系统最有效的核心点。在整个工业机器人系统的整体结构组织框架上，主要是基于PLC控制模式展开设计工作，系统的硬件构架以及设计方法极为复杂，涵盖的内容也较为细致。该系统在运作过程中，主要包含监控模块、PLC核心控制模块、工业机器人控制模块以及上位机控制模块等。

这些模块之间通过以太网作为衔接的重要平台，能够确保不同模块之间信息的快捷交互。在整个系统框架中，上位机的任务主要是将节点监视的视觉信息传递到PLC编程器中，然后再借助相关的控制系统，针对工业机器人运转过程中的各类型数据参数进行动态化的监督。而通过PLC控制模块，就可以向上位机发送相应的生产指令，并且判断该生产信息在发出之后是否获得了节点机器人给出的反馈。工业机器人模块在运作过程中需要与专业的控制系统进行相互衔接，通过以太网展开信息交互工作。从总体上来看，工业机器人可以在PLC的总控制背景下实现机器链条上不同环节的伺服控制功能以及抓手控制功能等。此外，该系统内部还专门设计了关于视觉检测的功能模块，该功能模块所配备的传感器设备能够区分工业机器人系统中的不同物料或放置的不同位置，在接收到上位机下达的指令之后，视觉系统就需要根据其中给出的关键信息，将数据上传到检测系统进行进一步的挖掘，最终将分析出的数据结果再传回到上位机系统。

2 PLC模块硬件设计及应用

2.1 硬件的选择

考虑到PLC作为机器人系统的核心控制点，功能模块的设置和选择需要以工厂的生产需求为目标，因此，在硬件选择方面应当着重关注以下三个方面的因素。一是对于中央处理器的选择。在中央处理器选择的过程中，该系统主要运用了S7-1200系列的处理器。二是输入模块以及输出模块的选择。进一步考虑到PLC输入以及输出系统在运转过程中所接收的数据信息量规模相对较为庞大，并且通常情况下，PLC系统自身携带的输入以及输出转接口在工作过程中无法满足工业机器人的数据信息传输需求，因此，需要额外衔接外接输入以及输出的模块，同时还需要考虑到在系统设计环节中CPU核心的供电电压需要保持在24 V。为了能够确保CPU系统的整体匹配运作效果，在输入模块也需要同样增加一个24 V的输入电压系统。还需要以输入过程中需求的点数作为输入模块参数的判决标准，可以根据10%~15%的余量设计要求，最终认定输入以及输出模块可允许通过的节点数为45个，还可以通过一定的增容方式更好地满足未来一段时间内系统在扩容以及升级方面的需求。三是传感器型号的选择。在整个系统运转的过程中，传感器可以判断物料是否能够被输送到指定的核心位置，并且将物料的传递信息上传到PLC控制中心。因此，根据整个系统控制和运转的实际要求，系统中可以选择设置21个传感器的位置。其中，有16个传感器可以判断物料是否能够被输送到指定的位置，有2个传感器主要判断机器人对于物料抓取的动作是否正确，剩下的3个传感器可以上传物料是否被推出到指定位置的相关数据参数。在传感器的型号选择方面，也需要贴合工厂生产的实际要求。

2.2 上料机部分的设计和应用

上料机部分的设计主要包含了限位开关、局部传感器、储料仓、传送带四大模块。其中，限位开关主要是用来控制物料被推出以及收回所限制的空间位置。传感器能够实时地监测物料在整个运输过程中的位置变化情况。储料仓分别对应着规格以及形状不同的物料，比如很多物料的形状差异性极大，在生产过程中有圆形物料，也有正方形或长方形的物料。因此，储料仓的选择需要与物料的形状之间相互对应。而传送系统主要负责针对这些物料的传送，将这些物料送达到指定的位置[1]。

2.3 物料定点分类放置的设计及应用

在整个系统运转过程中，假设该工厂生产过程中的物料共有圆形、正方形以及长方形三种形状，那么物料定点分类的放置就可以选择三层构架，其中，最底层的第一层构架可以放置圆形的物料，中间一层为正方形物料的存放区域，最顶层为长方形物料的存放区域。每一层物料的存放点都需要额外设置光电传感设备，在分类放置的设计环节中，最为常见的设计方案主要包括两种类型。第一种类型是通过采用机械手臂直接针对物料当前所处的空间位置进行识别，然后将具体的数据上传到后台控制中心，并且针对该坐标进行存储。第二种设计方案就是通过定位点以及偏移量相互协调的设计方案，计算物料所在的坐标位置。第二种方法可以通过在物料架的第一层获得首尾两端物料摆放的具体位置，在第二层以及第三层也分别获得首尾两端物料摆放的具体位置，然后再利用空间坐标信息识别这几层物料摆放位置纵向以及横向的位置偏移量。而这两种方法在应用的过程中，前者相对来说对于空间抓取的精确度相对较高，但是在前期的测量和收集阶段，需要针对大量的坐标数据信息进行存储，会导致PLC系统中的空间被大量占用，这也在一定程度上增加了相应的空间成本。后者相对来说，在计算过程中的精确度偏低，但是在空间中存储的坐标量相对较少[2]。

3 工业机器人模块硬件设计及应用

3.1 机器人型号的选择

考虑到PLC控制系统整体的应用功能和模块较为多元，因此在机器人型号的选择方面并不需要配合过多的功能，只需要满足机器人在应用过程中的性能以及工厂的生产需求即可，最好可以选择一些结构层级较为简洁、经济适用性相对较强的机器人。在本次的研究工作中，就选择了HSR-IR605型号的机器人，该机器人在运转过程中的最大负载量能够达到5 kg，其自身的重量大约为55 kg，在生产过程中最大的功能半径达到了746 mm，工作过程中对于物料输送的位置精确度不超过0.02 mm的范围，该规格基本能够满足该工厂生产的性能需求[3]。

3.2 机器人控制器的选择

为了确保机器人系统在运转过程中的整体性能，通常情况下，控制设备可以选择专用的控制器，针对系统运作点进行精准控制。专用控制器能够协调机器人系统不同传输系统的运动速度和范围，同时还能够强化机器人以及PLC控制系统之间的信息交流，基本能够满足机器人系统在运作过程中对于一些高精确度位置、空间控制以及其他行为的性能要求。因此，本次的系统设计过程中采用了工业控制计算机，也被称为IPC。IPC是目前工业生产过程中最为常见的计算机系统，该系统具有体积较为微小的特性，在具体的运作过程中功能也相对较为强大。IPC目前可以被分为可识别数据传输以及控制指令两大工作情况，还可以为传感器以及执行机构提供数据衔接和传输的通道，对于一些较为复杂的工作器具有极为强大的适应能力。在设计框架中，可以借助IPC控制器实现与机器人系统以及PLC系统之间的信息交互，并且在信息交换的过程中，还能够在短时间内抓取其中的逻辑。该装置采用的是开放式的系统构架，控制系统为Linux，可以共同提供视频图形列阵、RS232总线接口列阵、局域网络构架等接口，具有良好的普适性[4]。

3.3 机器人抓手设计方案及其应用

抓手设计环节是考验机器人应用性能最为关键的环节之一，抓手的顶端位置需要与法兰接口之间衔接。在设计环节中，抓手功能的输出需要由机器人控制气缸完成运行。当工业机器人在接收到PLC控制系统发出的指令之后，就需要进行物料输送，并且确定当前物料的空间位置以及抓取位置的坐标信息，在抓手已经运动到当下位置时，气缸就会快速地补充气体并通过吸盘吸取物料，此时，传感器设备会读取物料是否已经被吸入的信息。在确定物料已经被吸入之后，抓手就会携带物料抵达到指定的位置坐标，此时，控制系统就会为气缸发出松气指令，吸盘松动之后可以将物料放下，然后再进行第二次的识别和操作。在放置工作结束之后，传感器就会将信号发送到控制器系统中，然后由控制器系统将整个信息反馈到PLC系统，在操作完毕之后，机器人抓手回归到指定位置，等待下一次指令的到来[5]。

3.4 伺服控制器的选择

机器人的不同运动关节都可以采用伺服电机进行驱动，并且为其提供相应的运动电力。通常情况下，电机驱动模式在运动过程中具有精准度相对较高、效率较高等优势。因此，电机控制也在工业生产过程中得到了普及，在设计过程中，需要采用伺服控制系统控制电动机驱动整个机器人的运动过程，为机器人的运动提供充足的电力能源。在本次系统设计中，采用了RC6伺服电机，该伺服电机的型号基本可以满足以太网数据传输的性能要求，同时在工作现场还具有开放式的协议接入功能，能够与多种编码器之间相互协作，共同完成数据接口的搭建[6]。

4 视觉检测模块硬件设计及应用

视觉检测模块是机器人针对物料展开分类存储和位置控制的关键节点，在系统设计过程中，视觉模块的识别功能对于机器人的运作性能会产生直接影响。

4.1 相机的选择

考虑到不同底片的材质之间具有一定的差异，在拍摄后所显示的视觉效果也有所不同。目前，可以将相机大致分为互补金属氧化物半导体相机以及电荷耦合器件相机两大类型[7]。其中，电荷耦合器件相机也被称为CCD相机，这种相机的反应速度相对较快，并且在拍摄的一瞬间还能够规避噪声，在持续的运转过程中，所需要的能源支持量相对较少，可以在复杂的环境中长时间地操作。相比较而言，互补金属氧化物半导体相机的集成化水平相对较高，运动过程中的速度极快，还具有光学自动检测的功能，可以对机器人视觉的局部空间进行拍摄访问，尤其是对于工作过程中场景速度要求较高、分辨率和精确度要求较高的情况极为适用。但是，考虑到这类型相机的成本投入相对较高，因此，大多数工厂的工业机器人还是希望能够选择一些运行性能稳定且可以长期应用的相机类型。本次系统中就选择采用了CCD相机，着重考虑CCD相机的能源消耗量小以及运行时间较长的优势[8]。

4.2 相机光源的设定

通常情况下，相机光源设定会采用LED光源，这类型光源的使用寿命相对较长，并且在应用过程中的反应速度极快，在运行期间，基本上不会产生任何的热量。本次系统就选择采用了LED光源，还响应了国家节能减排的号召[9]。

4.3 视觉检测模块

在视觉信息传递的过程中，当相机捕捉到拍摄物料之后，就会将视觉图片上传到信息采集系统，而针对数据展开处理之后，后台控制中心就可以得到相对精确的物料信息，并将信息发送到非上位机的视觉检测软件中，最终测定检测的结果以及相关的信号，再由PLC控制系统控制机器人运动，从而完成整个视觉信息的采集及融合应用过程。在系统运作的期间，视觉系统会直接接收到上位机所发送的启动信号，当信号被系统完全识别之后，相机系统就可以将采集到的各类型图像信息进行传递。然后视觉控制器就可以直接提取物料的型号以及大小规格等相关数据并将其上传到主控上位机，主控上位机再将搜集到的资料信息传递给PLC系统，通过系统之间的信息交互就能够完成物料信息的传递[10]。

5 软件设计及应用

5.1 主控制系统的软件设计及应用

为了能够有效地实现PLC控制工业机器人的多方面功能，在软件设计环节中，操作设计人员可以选择自动控制物料传递以及手动控制物料传递两种工作模式。其中，在自动控制的物料传递模式下，需要从第一个料仓开始上料，直到完成最后一个物料的推送环节之后，才能进行第二轮的上料工作。而在手动操作程序中，操作人员可以通过在系统上自行设置选择需要上料的料仓[11]。

5.2 机器人的程序设计

5.2.1 机器人寄存器的软件设计

从功能上来看，寄存器在应用过程中，必须要具备强大的数据存储能力以及逻辑运算能力，这样才能够有效地识别相关的空间位置数据信息，从而完成对于机械手臂正确的轨道指引工作。因此，在设计环节中应当选择连接寄存器中的存储工业机器人位置数据[12]。

5.2.2 机器人程序的设计

机器人程序的设计又可以被分为主程序设计以及执行程序设计两大模块。其中，主程序设计大致可以分为两大步骤，通过与对应的服务机器人实现信号绑定，将机器人的手臂按照位置回归原点，然后再获取吸盘吸取或解锁的命令。除此之外，还需要列出每一个子程序的编码存储位置，当程序在执行任务完成之后，需要返回到机器人原点展开解绑工作才能结束整个操作程序[13]。机器人的执行程序主要是指工业机器人在工作过程中需要完成的具体情景任务，比方说将物料运送到具体的位置然后放下。在执行整个操作的过程中，首先需要PLC控制系统发出相关的指令，然后机械手臂才能够抵达取料点并产生延时，做好充分吸取物料的准备。当物料吸取结束之后，传感器需要判断物料是否已经被机械手臂夹紧，然后原路返回。当机械手臂返回到预备放料点后，需要延迟1 s~2 s之后轻轻放下物料。最后，检查物料是否符合放置位置的要求[14]。

6 结语

综上所述，PLC在我国工业机器人控制领域中具有极为广阔的应用前景[15-16]。在PLC可编程控制器的助力下，机器人系统在运作过程中能够实现精准运输和传达等功能[17-18]。因此，在可编程控制器的设计过程中，需要通过了解工厂在生产过程中的具体需求，才能结合相应的软件以及硬件设计方案，通过不断优化设计环节，强化工业机器人的整体操作以及控制性能，进一步提升操作以及控制的效率和精确性，为提升我国工业生产的整体质量提供助力。