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摘要：根据码垛生产线控制系统的工艺和控制要求，设计了一种以西门子PLC和ABB工业机器人为核心的物料码垛工作站，介绍了码垛工作站的相应控制情况，设计了满足控制要求的梯形图程序和工业机器人程序设计，从而实现该工作站的运行，为同类控制的设计提供了技术借鉴以及推广依据。
Abstract： According to the process and control requirements of the palletizing production line control system， a material palletizing workstation with Siemens PLC and ABB industrial robots as the core is designed， the corresponding control situation of the palletizing workstation is introduced， and the ladder diagram program that meets the control requirements is designed. And industrial robot program design， so as to realize the operation of the workstation， provide technical reference and promotion basis for the design of similar control.
关键词：可编程逻辑控制器;系统运行;程序;工业机器人
Key words： PLC;system operation;program;industrial robot
中圖分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0030-02
0 引言
针对于金属制造行业，金属制品的生产和输送以及人工码垛效率低下的问题，而引入 PLC与工业机器人到传统的生产线，实现生产线全自动化的现代化改造，保证高效、稳定的生产，减少人力成本的投入。要较好地实现对生产线的自动控制，则对相应的设备电气控制就提出了较高的、较新的控制要求。
1 控制系统方案
本文以方棒码垛生产线为例，该生产线最主要的是码垛工作站，完成将输送辊上的物料送到成品输送链上进行码垛，系统硬件组成如图1所示。该工作站是要以ABB工业机器人和西门子PLC为核心，其中工业机器人选用的是IRB460，实现物料的码垛。而PLC选用S7-1200系列，主要完成该控制系统的物料传送和物料对正，以及成品输出链上的码垛和步进传动，另一方面PLC还要与工业机器人进行通讯，通知机器人完成取料等任务，再进行码垛。而触摸屏作为整个系统的人机界面窗口，时刻监控整个系统的运行当前状态，还可在组态界面设定和修改相应码垛工位的相关参数，例如夹取根数、码垛层数等等。
整个系统的控制都围绕着PLC，通过工业以太网或Profinet通讯来实现PLC与触摸屏或其他设备的信号交互，实现与各远程I/O站、机器人的信号交互以及来实现控制。通过相互建立通信，使得PLC可以接收外部的物料信息，依据物料信息和传感器的信号，自动完成相应物料的码垛工作，并实时将码垛相关信息反馈给PLC。
2 系统工作流程
整个系统的运行流程可以概括为：当工作站的安全门闭合、物料辊的物料根数大于或等于9根且完成物料的对正、成品输送链上的码垛盘无物料等前提下，这些信号通过PLC与工业机器人的通讯，收到这些信号后，工业机器人可以完成首次取料并完成码垛功能。系统的工作流程如图2所示。
3 程序设计
3.1 PLC程序设计
在本工作站中，PLC 要控制系统进行自动送料和物料的对正。系统启动后，机器人回到Home点，当第2输送辊的整列电机工作、安全门闭合、步进链电机工作等条件下，机器人回到Home点，PLC通过输送辊传送的物料根数，检测大于或等于设定根数，此时，PLC控制气动回路的电磁换向阀，2个对正气缸完成物料的对正，根据机器人的设定工作程序，2s后机械手的夹爪移动到指定物料所在的坐标位置，2s后夹紧且到达后限位，此时机械臂将物料搬运到成品链上的堆垛位指定坐标，PLC控制气动回路的电磁换向阀，夹爪放松物料且到达前限位，就这样始终循环程序，完成物料的码垛且到达设定的物料层高，此时控制成品链的步进电机向前移动。
根据系统的控制要求，设计了控制系统的部分PLC程序，如图3所示为工业机器人堆垛基本条件的PLC程序。
3.2 工业机器人的程序设计
当满足启动堆垛的基本条件，收到这些信号后，则工业机器人开始执行设定的程序，完成码垛任务。其中该码垛的程序主要分为这几个部分，分别为主程序、初始化函数、取料函数、放料函数等等。由此，设计了几个主要部分的工业机器人的程序。
①PROC main（ ）为主程序部分，程序如下：
PROC main（ ） 声明主程序 rInitAII; 初始化
WHILE TRUE DO 循环结构，重复执行
IF DiBoxInPos = 1 THEN 判断工位条件，满足执行
rPick; 调用堆垛取料程序
rPlace; 调用堆垛放置程序
rPosition; 调用堆垛层位置程序
ENDIF
ENDWHILE
ENDPROC
②PROC rInitAII （ ）为初始化程序，主要是让机器人复位以及回原点，程序如下：
PROC rInitAII （ ） 初始化程序
Reset DoGrip; 复位夹爪
MoveJ phome，v500，z30，Tool0; 回预设的原点
nCount：=1; 初始化物料计数的值为1
ENDPROC
③PROC Pick （ ）为取料函数程序，完成机器人移动到设定位置将物料夹取，程序如下：
PROC Pick （ ） 取料函數
MoveJ Offs （pPick， 0， 0， 200） ， v500， fine， Tool0; 移动到取料位置上方 200mm 处
MoveL pPick，v500，fine，Tool0; 移动到取料位置
Set DoGrip; 夹爪夹紧
WaitTime 2.0; 延时2.0s
MoveJ Offs（pPick， 0， 0， 300）， v500， fine，Tool0;
退出物料夹取的位置
ENDPROC
④PROC Place （ ）为物料放置函数程序，机器人完成将夹取的物料设定的物料放置位置，程序如下：
PROC Place （ ） 物料放置函数
MoveJ Offs （pPlace， 0， 0， 300）， v500， fine，Tool0; TCP的tool0移动到放置位置上方200mm处
MoveL pPlace，v500，fine，tool0; 移动到设定的放置位置
Reset DoGrip; 夹爪放松
WaitTime 1.0; 延时1.0s
MoveJ Offs （pPlace， 0， 0， 300）， v500， fine， Tool0; 退出码垛位置
nCount ：= nCount + 1; 物料计数加1
ENDPROC
4 结语
在该方棒码垛自动化生产线中，以码垛工作站为核心的控制系统，在目前的方棒铝合金生产线上已经投入使用，整个系统运行安全且可靠。由此，非常好的解决了在还未设计该工作站之前人工搬运码垛的费时费力的工作情况，极大的改善了金属制造行业在生产过程中所面临的效率低下的问题。通过当前大量的投入使用，实践证明，设计的码垛工作站，可以充分满足当前2条生产线同时进行码垛作业，发挥出了机器人码垛的最大性能，极大的提高了生产效率和产能，而且相比较人工码垛，更加的可靠且性价比更高。由此，在人工成本更加昂贵的今天，码垛工作站的使用具有更加广阔的市场前景。
参考文献：
[1]韩桂荣.基于工业机器人和PLC的多垛型全自动码垛搬运系统研究[D].武汉：武汉工程大学，2017：1-5.
[2]邓三鹏，周旺发.ABB工业机器人编程与操作[M].机械工业出版社，2019.
[3]张业鹏，张明.基于PLC与工业机器人的全自动化码垛系统设计[J].制造业自动化，2015，37（22）：108-110.
[4]陈锐鸿.基于PLC控制的多工位码垛系统设计与实现[J]. 包装工程，2018，39（17）：159-164.
Abstract： According to the process and control requirements of the palletizing production line control system， a material palletizing workstation with Siemens PLC and ABB industrial robots as the core is designed， the corresponding control situation of the palletizing workstation is introduced， and the ladder diagram program that meets the control requirements is designed. And industrial robot program design， so as to realize the operation of the workstation， provide technical reference and promotion basis for the design of similar control.
关键词：可编程逻辑控制器;系统运行;程序;工业机器人
Key words： PLC;system operation;program;industrial robot
中圖分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0030-02
0 引言
针对于金属制造行业，金属制品的生产和输送以及人工码垛效率低下的问题，而引入 PLC与工业机器人到传统的生产线，实现生产线全自动化的现代化改造，保证高效、稳定的生产，减少人力成本的投入。要较好地实现对生产线的自动控制，则对相应的设备电气控制就提出了较高的、较新的控制要求。
1 控制系统方案
本文以方棒码垛生产线为例，该生产线最主要的是码垛工作站，完成将输送辊上的物料送到成品输送链上进行码垛，系统硬件组成如图1所示。该工作站是要以ABB工业机器人和西门子PLC为核心，其中工业机器人选用的是IRB460，实现物料的码垛。而PLC选用S7-1200系列，主要完成该控制系统的物料传送和物料对正，以及成品输出链上的码垛和步进传动，另一方面PLC还要与工业机器人进行通讯，通知机器人完成取料等任务，再进行码垛。而触摸屏作为整个系统的人机界面窗口，时刻监控整个系统的运行当前状态，还可在组态界面设定和修改相应码垛工位的相关参数，例如夹取根数、码垛层数等等。
整个系统的控制都围绕着PLC，通过工业以太网或Profinet通讯来实现PLC与触摸屏或其他设备的信号交互，实现与各远程I/O站、机器人的信号交互以及来实现控制。通过相互建立通信，使得PLC可以接收外部的物料信息，依据物料信息和传感器的信号，自动完成相应物料的码垛工作，并实时将码垛相关信息反馈给PLC。
2 系统工作流程
整个系统的运行流程可以概括为：当工作站的安全门闭合、物料辊的物料根数大于或等于9根且完成物料的对正、成品输送链上的码垛盘无物料等前提下，这些信号通过PLC与工业机器人的通讯，收到这些信号后，工业机器人可以完成首次取料并完成码垛功能。系统的工作流程如图2所示。
3 程序设计
3.1 PLC程序设计
在本工作站中，PLC 要控制系统进行自动送料和物料的对正。系统启动后，机器人回到Home点，当第2输送辊的整列电机工作、安全门闭合、步进链电机工作等条件下，机器人回到Home点，PLC通过输送辊传送的物料根数，检测大于或等于设定根数，此时，PLC控制气动回路的电磁换向阀，2个对正气缸完成物料的对正，根据机器人的设定工作程序，2s后机械手的夹爪移动到指定物料所在的坐标位置，2s后夹紧且到达后限位，此时机械臂将物料搬运到成品链上的堆垛位指定坐标，PLC控制气动回路的电磁换向阀，夹爪放松物料且到达前限位，就这样始终循环程序，完成物料的码垛且到达设定的物料层高，此时控制成品链的步进电机向前移动。
根据系统的控制要求，设计了控制系统的部分PLC程序，如图3所示为工业机器人堆垛基本条件的PLC程序。
3.2 工业机器人的程序设计
当满足启动堆垛的基本条件，收到这些信号后，则工业机器人开始执行设定的程序，完成码垛任务。其中该码垛的程序主要分为这几个部分，分别为主程序、初始化函数、取料函数、放料函数等等。由此，设计了几个主要部分的工业机器人的程序。
①PROC main（ ）为主程序部分，程序如下：
PROC main（ ） 声明主程序 rInitAII; 初始化
WHILE TRUE DO 循环结构，重复执行
IF DiBoxInPos = 1 THEN 判断工位条件，满足执行
rPick; 调用堆垛取料程序
rPlace; 调用堆垛放置程序
rPosition; 调用堆垛层位置程序
ENDIF
ENDWHILE
ENDPROC
②PROC rInitAII （ ）为初始化程序，主要是让机器人复位以及回原点，程序如下：
PROC rInitAII （ ） 初始化程序
Reset DoGrip; 复位夹爪
MoveJ phome，v500，z30，Tool0; 回预设的原点
nCount：=1; 初始化物料计数的值为1
ENDPROC
③PROC Pick （ ）为取料函数程序，完成机器人移动到设定位置将物料夹取，程序如下：
PROC Pick （ ） 取料函數
MoveJ Offs （pPick， 0， 0， 200） ， v500， fine， Tool0; 移动到取料位置上方 200mm 处
MoveL pPick，v500，fine，Tool0; 移动到取料位置
Set DoGrip; 夹爪夹紧
WaitTime 2.0; 延时2.0s
MoveJ Offs（pPick， 0， 0， 300）， v500， fine，Tool0;
退出物料夹取的位置
ENDPROC
④PROC Place （ ）为物料放置函数程序，机器人完成将夹取的物料设定的物料放置位置，程序如下：
PROC Place （ ） 物料放置函数
MoveJ Offs （pPlace， 0， 0， 300）， v500， fine，Tool0; TCP的tool0移动到放置位置上方200mm处
MoveL pPlace，v500，fine，tool0; 移动到设定的放置位置
Reset DoGrip; 夹爪放松
WaitTime 1.0; 延时1.0s
MoveJ Offs （pPlace， 0， 0， 300）， v500， fine， Tool0; 退出码垛位置
nCount ：= nCount + 1; 物料计数加1
ENDPROC
4 结语
在该方棒码垛自动化生产线中，以码垛工作站为核心的控制系统，在目前的方棒铝合金生产线上已经投入使用，整个系统运行安全且可靠。由此，非常好的解决了在还未设计该工作站之前人工搬运码垛的费时费力的工作情况，极大的改善了金属制造行业在生产过程中所面临的效率低下的问题。通过当前大量的投入使用，实践证明，设计的码垛工作站，可以充分满足当前2条生产线同时进行码垛作业，发挥出了机器人码垛的最大性能，极大的提高了生产效率和产能，而且相比较人工码垛，更加的可靠且性价比更高。由此，在人工成本更加昂贵的今天，码垛工作站的使用具有更加广阔的市场前景。
参考文献：
[1]韩桂荣.基于工业机器人和PLC的多垛型全自动码垛搬运系统研究[D].武汉：武汉工程大学，2017：1-5.
[2]邓三鹏，周旺发.ABB工业机器人编程与操作[M].机械工业出版社，2019.
[3]张业鹏，张明.基于PLC与工业机器人的全自动化码垛系统设计[J].制造业自动化，2015，37（22）：108-110.
[4]陈锐鸿.基于PLC控制的多工位码垛系统设计与实现[J]. 包装工程，2018，39（17）：159-164.