基于ABB工業機器人的物料搬運控制系統

摘要：工業機器人大規模代替傳統勞動力是大勢所趨，本設計為PLC與工業機器人結合的一種物料搬運控制系統。充分利用機電技術、機器人應用技術、PLC控制技術、組態網絡技術、氣動控制。采用ABB機器人、三菱FR-D720S變頻器、西門子PLC、物料檢測傳感器、夾取位置傳感器、氣動元件和觸摸屏等構成全自動碼垛搬運系統，這個系統可以對不同材質工件進行自動分揀和碼垛。實驗結果表明系統能精準分揀金屬工件和白色塑料工件，并在連續工作10個小時后，系統重復定位精度良好。

關鍵詞：ABB機器人；PLC；物料分揀；傳感器；變頻器

一、前言

工業機器人在獲得了接近半個世紀的發展后，在弧焊、點焊、碼垛、拆卸、搬運、注塑、沖壓、噴漆等越來越多的工業領域得到普遍運用[1]。工業機器人大規模代替傳統勞動力也是大勢所趨，使用機器人控制系統、PLC控制系統構成的全自動控制的碼垛搬運系統替代傳統的人工工作，可以有效地提高企業自動化程度，從而提高市場的競爭力。

本設計采用的ABB機器人、三菱FR-D720S變頻器、金屬物料檢測傳感器、夾取位置傳感器、西門子PLC、氣動元件和觸摸屏等多個模塊，可以對不同物料識別，分類夾取至相應的物料槽[1]。

二、物料搬運控制系統方案

（一）系統功能原理

系統分成分揀部分和碼垛部分，分揀部分主要完成對工件的分揀，通過夾取位置處的工件檢測傳感器檢測出工件類型[2]。其工作過程為當入料口光電傳感器檢測到有工件放置后，反饋給PLC控制變頻器啟動，變頻器驅動電機帶動傳送帶把工件送入夾取位置，夾取位置處的工件檢測傳感器對金屬、塑料工件進行檢測，在檢測完成后，PLC對機器人發送工件類型反饋，然后機器人把檢測的工件根據相應對的類型進行分料入庫[2]。機器人把工件夾取到校準夾取物料位置的平臺上，兩個平臺中待抓取工件位置需要機器人事先進行示教標定運動軌跡物料位置的校準，再把物料搬運至旁邊的物料槽，且搬運完成后發送反饋信號給PLC[3]。

本設計主要由示教器、氣動夾具、傳感器、氣動元件、變頻器、觸摸屏、電機與傳送帶等構成，系統總體框圖如圖1所示[3]。

（二）系統功能描述

系統就緒后，機器人電機會先上電，然后等PLC收到機器人反饋的電機已上電信號DO1時，機器人會根據有無暫停記憶執行程序，然后PLC也會啟動程序，使供料機構把物料放下，變頻器驅使傳送帶把物料傳送到夾取位置，在傳送帶上面[4]，還有一個金屬物料檢測傳感器和一個白色物料檢測傳感器，PLC可以把工件類型反饋給機器人。

當工件到了夾取位置后，機器人收到信號，便會來夾取工件。同時機器人還會根據反饋來的物料類型信號把工件夾取到相應的物料校準位置進行校準，然后再夾取到入料槽里面，最后回到初始工作原點。這樣的流程會一直循環至供料機構沒有物料，才會停止[5]。系統功能如圖2所示。

三、系統硬軟件設計

（一）工業機器人系統

采用ABB的IRB 120型號機器人，物料通過傳送帶到達末端時，夾取位置檢測傳感器會發出信號，然后機器人在夾取物料的同時分揀金屬物料和白色塑料物料，并根據不同物料夾取到相應的倉儲區域[6]。IRB 120機器人各軸的范圍如表1所示。

（二）變頻器驅動系統

采用了三菱FR-D720S-0.4K-CHT變頻器，變頻器需要進行設定頻率，來控制電機驅動傳送帶把物料運到傳送帶的末端（機器人夾取位置）。變頻器頻率設置為30Hz，加減速時間改為2.0S[6]。

打開變頻器上端蓋，把接線端STF接到對應的PLC輸出端Y2，變頻器STF為電機正轉啟動信號。同時把變頻器公共端SD接入PLC輸出公共端COM1。當PLC輸出端Y2得電時，三相直流異步電機以30.0HZ的頻率正轉運行[7]。

（三）PLC和工業機器人I/O配置

三相編碼器A、B相為脈沖信號：通過A、B兩相正交計數器實現計數和方向判定。Z相為零點位置信號：編碼器每轉一圈，Z相輸出一個零點脈沖[7]。

頂料氣缸前限位、頂料氣缸后限位、推料氣缸前限位、推料氣缸后限位、落料檢測屬于供料機構，由PLC控制。金屬檢測傳感器、白色物料傳感器、夾取位置傳感器屬于傳送機構，也由PLC控制[8]。光幕常閉是指當檢測區域有物體擋住光線后，會輸出信號，設備能進行報警或者停止，也受PLC控制[8]。

ABB機器人DO1、DO2、DO3、DO4、DO5等信號都是機器人當前處于什么狀態的信號。DI1是給機器人電機上電，DI2、DI3是根據判斷機器人有無暫停記憶時，來決定啟動DI2或者DI3[9]。DI6是物料到了夾取位置的時候，由PLC把物料是DI7金屬還是DI8白色塑料的物料類型反饋給機器人，使機器人來抓取物料。

（四）機器人程序設計

機器人在空間的運動主要有關節運動（MoveJ）、線性運動（MoveL）、圓弧運動（MoveC）和絕對位置運動（MoveAbsJ）四種方式。本系統主程序主要運用了關節運動指令MoveJ和I/O指令中的WaitTime等，對一些關鍵點進行示教，使機器人運動到夾取位置夾取物料[10]。

當PLC向機器人發送物料判別信號DI8時，機器人夾取物料的程序如下：

IFTestDI（D652_10_DI8） = TRUE THEN

//如果發送的信號DI8為真，那么（后面為機器人動作）。

MoveJ p40，v1000， z50，tool0;//TCP從當前位置向p40移動，速度是1000mm/s，轉彎區數據是50mm，距離P40點還有50mm的時候開始轉彎使用的是工具坐標too10。

MoveJ p50， v1000， z50， tool0;

MoveJ p60， v1000， fine， tool0;

WaitTime 1; //在此處等待1秒，再執行后續的程序。

Reset D652_10_DO6;//松開夾具。

WaitTime 1;

MoveJ p70， v1000， fine， tool0;

WaitTime 1;

Set D652_10_DO6;//夾緊夾具。

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;//數字量輸出信號D652_10_DO4輸出一個脈寬為2S的脈沖。

（五）機器人運動設計

機器人運行速率設定為35%，最大速度為5000mm/s。然后機器人松開夾具，從初始工作原點向p10移動，速度是1000mm/s，轉彎區數據是50mm，距離p10點還有50mm的時候開始轉彎使用的是工具坐標too10。等待直到夾取位置信號D652_10_D16為1。從p10向p20移動，速度是1000mm/s，轉彎區數據是50mm，距離p10點還有50mm的時候開始轉彎使用的是工具坐標too10；再從p20向p230移動，p230向p320移動，等待一秒，抓緊夾具，等待一秒，移至p30點。

然后機器人需要判斷PLC反饋的物料類型，對物料進行分揀入庫。如果白色塑料物料信號DI8為真（置一），移動至p40點，然后到p50點，再到p60點[9]。等待一秒后，松開夾具，等待一秒，對物料位置進行校準，移動至p70點。等待一秒，夾緊夾具，移動到p80點，然后到p90點，再到p100點。等待一秒后，松開夾具，把夾具放進入料槽中，等待一秒后，移動到p110點，然后到p240點，再到p250點。然后數字量輸出信號D652_10_DO4輸出一個脈寬為2S的脈沖，代表機器人搬運完成。而金屬物料信號置一，機器人運動流程除了不同入料槽外，別的一模一樣。當供料機構中沒有物料后，機器人調用DB模塊，機器人移動到工作原點。機器人動作狀態流程如圖3所示。

四、系統調試運行

機器人會判斷夾取位置有無工件，當物料抵達夾取位置的時候，PLC會向機器人發送夾料信號，機器人就會移動至夾取位置，等待一秒后，抓取物料；再等待一秒，判斷物料信號，如果物料是金屬物料，機器人會移動至金屬校準臺；等待一秒后，放開金屬物料，校準位置；等待一秒后，再抓取金屬物料；等待一秒后，再把物料夾取進金屬放料槽；等待一秒后，機器人回歸至初始工作原點，同時會反饋搬運完成信號給PLC。如果供料機構里面還有物料，系統會和之前的運動流程一樣循環動作，當供料機構里沒有物料時系統停止[11]。系統試驗調試如圖4所示。

五、結語

本項目為PLC與工業機器人結合的控制系統，充分利用機電技術、機器人應用技術、PLC控制技術、組態網絡技術、氣動控制、工業機器人搬運系統，采用主流ABB小型機器人作為示教編程對象，選用常見的西門子S7-200 PLC和MCGS觸摸屏[11]。物料分揀搬運系統主要從工業機器人運動控制、PLC變頻調速這兩個方面重點進行設計，這個系統可以對白色塑料工件和金屬工件兩種工件進行自動化分揀和碼垛。實驗結果表明：系統能精準分揀金屬工件和白色塑料工件，可以使用觸摸屏實現系統的操縱和監控；在系統連續工作10個小時后，重復定位精度良好。

參考文獻

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[11]張寧菊，俞張勇.基于ABB機器人的I/O模塊與信號配置[J].機電工程技術，2020，49（01）： 13-15+91.

基金項目：1.2021年江蘇省高?！扒嗨{工程”優秀教學團隊項目（智能制造自動化技術教學團隊）；2.2022年江陰職業技術學院教改研究課題“以崗課賽證融合育人課程教學改革促進工業機器人專業技術技能人才培養”；3.2022年江陰職業技術學院高水平專業“工業機器人技術”

作者單位：江陰職業技術學院

責任編輯：張津平