基于ABB工业机器人的物料搬运控制系统

摘要：工业机器人大规模代替传统劳动力是大势所趋，本设计为PLC与工业机器人结合的一种物料搬运控制系统。充分利用机电技术、机器人应用技术、PLC控制技术、组态网络技术、气动控制。采用ABB机器人、三菱FR-D720S变频器、西门子PLC、物料检测传感器、夹取位置传感器、气动元件和触摸屏等构成全自动码垛搬运系统，这个系统可以对不同材质工件进行自动分拣和码垛。实验结果表明系统能精准分拣金属工件和白色塑料工件，并在连续工作10个小时后，系统重复定位精度良好。

关键词：ABB机器人；PLC；物料分拣；传感器；变频器

一、前言

工业机器人在获得了接近半个世纪的发展后，在弧焊、点焊、码垛、拆卸、搬运、注塑、冲压、喷漆等越来越多的工业领域得到普遍运用[1]。工业机器人大规模代替传统劳动力也是大势所趋，使用机器人控制系统、PLC控制系统构成的全自动控制的码垛搬运系统替代传统的人工工作，可以有效地提高企业自动化程度，从而提高市场的竞争力。

本设计采用的ABB机器人、三菱FR-D720S变频器、金属物料检测传感器、夹取位置传感器、西门子PLC、气动元件和触摸屏等多个模块，可以对不同物料识别，分类夹取至相应的物料槽[1]。

二、物料搬运控制系统方案

（一）系统功能原理

系统分成分拣部分和码垛部分，分拣部分主要完成对工件的分拣，通过夹取位置处的工件检测传感器检测出工件类型[2]。其工作过程为当入料口光电传感器检测到有工件放置后，反馈给PLC控制变频器启动，变频器驱动电机带动传送带把工件送入夹取位置，夹取位置处的工件检测传感器对金属、塑料工件进行检测，在检测完成后，PLC对机器人发送工件类型反馈，然后机器人把检测的工件根据相应对的类型进行分料入库[2]。机器人把工件夹取到校准夹取物料位置的平台上，两个平台中待抓取工件位置需要机器人事先进行示教标定运动轨迹物料位置的校准，再把物料搬运至旁边的物料槽，且搬运完成后发送反馈信号给PLC[3]。

本设计主要由示教器、气动夹具、传感器、气动元件、变频器、触摸屏、电机与传送带等构成，系统总体框图如图1所示[3]。

（二）系统功能描述

系统就绪后，机器人电机会先上电，然后等PLC收到机器人反馈的电机已上电信号DO1时，机器人会根据有无暂停记忆执行程序，然后PLC也会启动程序，使供料机构把物料放下，变频器驱使传送带把物料传送到夹取位置，在传送带上面[4]，还有一个金属物料检测传感器和一个白色物料检测传感器，PLC可以把工件类型反馈给机器人。

当工件到了夹取位置后，机器人收到信号，便会来夹取工件。同时机器人还会根据反馈来的物料类型信号把工件夹取到相应的物料校准位置进行校准，然后再夹取到入料槽里面，最后回到初始工作原点。这样的流程会一直循环至供料机构没有物料，才会停止[5]。系统功能如图2所示。

三、系统硬软件设计

（一）工业机器人系统

采用ABB的IRB 120型號机器人，物料通过传送带到达末端时，夹取位置检测传感器会发出信号，然后机器人在夹取物料的同时分拣金属物料和白色塑料物料，并根据不同物料夹取到相应的仓储区域[6]。IRB 120机器人各轴的范围如表1所示。

（二）变频器驱动系统

采用了三菱FR-D720S-0.4K-CHT变频器，变频器需要进行设定频率，来控制电机驱动传送带把物料运到传送带的末端（机器人夹取位置）。变频器频率设置为30Hz，加减速时间改为2.0S[6]。

打开变频器上端盖，把接线端STF接到对应的PLC输出端Y2，变频器STF为电机正转启动信号。同时把变频器公共端SD接入PLC输出公共端COM1。当PLC输出端Y2得电时，三相直流异步电机以30.0HZ的频率正转运行[7]。

（三）PLC和工业机器人I/O配置

三相编码器A、B相为脉冲信号：通过A、B两相正交计数器实现计数和方向判定。Z相为零点位置信号：编码器每转一圈，Z相输出一个零点脉冲[7]。

顶料气缸前限位、顶料气缸后限位、推料气缸前限位、推料气缸后限位、落料检测属于供料机构，由PLC控制。金属检测传感器、白色物料传感器、夹取位置传感器属于传送机构，也由PLC控制[8]。光幕常闭是指当检测区域有物体挡住光线后，会输出信号，设备能进行报警或者停止，也受PLC控制[8]。

ABB机器人DO1、DO2、DO3、DO4、DO5等信号都是机器人当前处于什么状态的信号。DI1是给机器人电机上电，DI2、DI3是根据判断机器人有无暂停记忆时，来决定启动DI2或者DI3[9]。DI6是物料到了夹取位置的时候，由PLC把物料是DI7金属还是DI8白色塑料的物料类型反馈给机器人，使机器人来抓取物料。

（四）机器人程序设计

机器人在空间的运动主要有关节运动（MoveJ）、线性运动（MoveL）、圆弧运动（MoveC）和绝对位置运动（MoveAbsJ）四种方式。本系统主程序主要运用了关节运动指令MoveJ和I/O指令中的WaitTime等，对一些关键点进行示教，使机器人运动到夹取位置夹取物料[10]。

当PLC向机器人发送物料判别信号DI8时，机器人夹取物料的程序如下：

IFTestDI（D652_10_DI8） = TRUE THEN

//如果发送的信号DI8为真，那么（后面为机器人动作）。

MoveJ p40，v1000， z50，tool0;//TCP从当前位置向p40移动，速度是1000mm/s，转弯区数据是50mm，距离P40点还有50mm的时候开始转弯使用的是工具坐标too10。

MoveJ p50， v1000， z50， tool0;

MoveJ p60， v1000， fine， tool0;

WaitTime 1; //在此处等待1秒，再执行后续的程序。

Reset D652_10_DO6;//松开夹具。

WaitTime 1;

MoveJ p70， v1000， fine， tool0;

WaitTime 1;

Set D652_10_DO6;//夹紧夹具。

WaitTime 1;

MoveJ p80， v1000， z50， tool0;

MoveJ p90， v1000， z50， tool0;

MoveJ p100， v1000， fine， tool0;

WaitTime 1;

Reset D652_10_DO6;

WaitTime 1;

MoveJ p110， v1000， z50， tool0;

MoveJ p240， v1000， z50， tool0;

MoveJ p250， v1000， z50， tool0;

PulseDO＼PLength：=2， D652_10_DO4;//数字量输出信号D652_10_DO4输出一个脉宽为2S的脉冲。

（五）机器人运动设计

机器人运行速率设定为35%，最大速度为5000mm/s。然后机器人松开夹具，从初始工作原点向p10移动，速度是1000mm/s，转弯区数据是50mm，距离p10点还有50mm的时候开始转弯使用的是工具坐标too10。等待直到夹取位置信号D652_10_D16为1。从p10向p20移动，速度是1000mm/s，转弯区数据是50mm，距离p10点还有50mm的时候开始转弯使用的是工具坐标too10；再从p20向p230移动，p230向p320移动，等待一秒，抓紧夹具，等待一秒，移至p30点。

然后机器人需要判断PLC反馈的物料类型，对物料进行分拣入库。如果白色塑料物料信号DI8为真（置一），移动至p40点，然后到p50点，再到p60点[9]。等待一秒后，松开夹具，等待一秒，对物料位置进行校准，移动至p70点。等待一秒，夹紧夹具，移动到p80点，然后到p90点，再到p100点。等待一秒后，松开夹具，把夹具放进入料槽中，等待一秒后，移动到p110点，然后到p240点，再到p250点。然后数字量输出信号D652_10_DO4输出一个脉宽为2S的脉冲，代表机器人搬运完成。而金属物料信号置一，机器人运动流程除了不同入料槽外，别的一模一样。当供料机构中没有物料后，机器人调用DB模块，机器人移动到工作原点。机器人动作状态流程如图3所示。

四、系统调试运行

机器人会判断夹取位置有无工件，当物料抵达夹取位置的时候，PLC会向机器人发送夹料信号，机器人就会移动至夹取位置，等待一秒后，抓取物料；再等待一秒，判断物料信号，如果物料是金属物料，机器人会移动至金属校准台；等待一秒后，放开金属物料，校准位置；等待一秒后，再抓取金属物料；等待一秒后，再把物料夹取进金属放料槽；等待一秒后，机器人回归至初始工作原点，同時会反馈搬运完成信号给PLC。如果供料机构里面还有物料，系统会和之前的运动流程一样循环动作，当供料机构里没有物料时系统停止[11]。系统试验调试如图4所示。

五、结语

本项目为PLC与工业机器人结合的控制系统，充分利用机电技术、机器人应用技术、PLC控制技术、组态网络技术、气动控制、工业机器人搬运系统，采用主流ABB小型机器人作为示教编程对象，选用常见的西门子S7-200 PLC和MCGS触摸屏[11]。物料分拣搬运系统主要从工业机器人运动控制、PLC变频调速这两个方面重点进行设计，这个系统可以对白色塑料工件和金属工件两种工件进行自动化分拣和码垛。实验结果表明：系统能精准分拣金属工件和白色塑料工件，可以使用触摸屏实现系统的操纵和监控；在系统连续工作10个小时后，重复定位精度良好。

参考文献

[1]沈灿钢.基于ABB机器人的搬运分拣教学实验台的开发与设计[J].物联网技术，2022，12（12）： 36-138.

[2]唐云鹏，崔媛媛.机械制造中智能机器人数控技术的应用[J].现代制造技术与装备.2023，59（04）：197-199.

[3]汤晓华，吕景泉.全国职业院校技能大赛赛项设计及其立体化教学资源开发[J].中国职业技术教育，2012（35）： 81-84+88.

[4]沈灿钢，孙晓明.西门子全集成工业网络实训室设计与实现[J].实验技术与管理，2015（02）：170-172.

[5]赵升吨，贾先.智能制造及其核心信息设备的研究进展及趋势[J].机械科学与技术，2017，36（01）：1-16.

[6]党媚，刘爱云.基于MCGS触摸屏与S7-200的以太网小型自动化系统[J].自动化技术与应用，2018，37（03）：76-79.

[7]沈灿钢.利用S7-1200PLC和HMI设计智能混凝土搅拌站控制系统[J].公路，2020（05）：11-15.

[8]沈灿钢.一种SMART PLC控制的气动爬杆机器人的设计[J].机电工程技术，2019（10）：13-16.

[9]李汉超，高燕，黄昕.基于工业机器人控制系统的软PLC设计[J].机床与液压，2021，49（05）：60-63.

[10]赵祯祥，吕文博，安海宁，等.智能自动绘图写字机器人[J].物联网技术，2020，10（03）：7-8.

[11]张宁菊，俞张勇.基于ABB机器人的I/O模块与信号配置[J].机电工程技术，2020，49（01）： 13-15+91.

基金项目：1.2021年江苏省高校“青蓝工程”优秀教学团队项目（智能制造自动化技术教学团队）；2.2022年江阴职业技术学院教改研究课题“以岗课赛证融合育人课程教学改革促进工业机器人专业技术技能人才培养”；3.2022年江阴职业技术学院高水平专业“工业机器人技术”

作者单位：江阴职业技术学院

责任编辑：张津平