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基于S7-1200PLC的工业机器人自动贴膜控制系统的设计

范文

薛圆庆于国健唐霞

摘要：提出了机器人自动贴膜装置的整体工作方案，设计了撕膜机构，基于S7-1200PLC控制技术，定义其输入输出点，并编写了伺服电机运动、触发视觉相机拍照、撕膜电磁阀等动作的程序。

关键词：机器人;贴膜;撕膜机构;S7-1200PLC编程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.115

0 引言

随着科技的发展，手机已走进千家万户，不仅生活日常需要用到，现在信息化教学课堂也离不开手机，为了防止自己的手机被尖锐物体给划伤，或者手机不小心掉落，很多人买了手机以后都会给自己手机贴一个钢化膜，起到保护手机屏幕的作用，当前，人工贴膜操作者费时费力。随着“中国制造2025”、“互联网+”新概念拉开序幕，如何改变这一现状呢，本文将研究了基于S7-1200PLC的工业机器人自动贴膜装置控制程序开发。

1 总体设计方案

基于x-sight机器视觉三点定位原理的工业机器人自动贴膜装置，三维效果如图1示，主要由手机传送机构、手机膜仓储装置、撕膜机构、视觉定位系统和工业机器人及西门子S7-1200PLC构成的控制系统组成。

作品主要由x-sight视觉定位系统、执行以及控制模块、机器人轨迹规划三部分组成，系统整体流程如图2所示。视觉检测模块包括图像采集与处理和产品的精准定位两部分。产品抓取指工业机器人从仓储货架上吸取钢化膜，等待视觉信号后，将钢化膜放置传送带上合适位置。产品的定位是通过x-sight视觉采集清晰的目标手机图像，利用视觉算法获得目标工件的图像坐标，将此坐标数据传送给PLC，由PLC传送给机器人。

（1）视觉定位单元：根据采集的图像，定位其目标工件中心点坐标位置;机器人获取图像中目标的中心位置，视觉系统通过计算得到来料目标件的实际坐标值，并计算得到位置偏移值。

（2）执行与运动控制模块：以西门子S7-1200PLC为开发平台，结合伺服控制技术对自动贴膜装置进行软件编程。根据视觉定位的坐标，通过机器人擴展板，使得机器人执行端的目标工件2（钢化膜）与传送带上的目标工件1（手机）坐标值一致，最终实现精准定位。

（3）机器人轨迹规划：借助ROS平台，在solidworks中建立机器人及场景的三维模型，模型使得机器人能够知道障碍物的所在;然后将建好的模型转成ros系统下能够识别的格式——urdf（机器人描述文件），可通过rviz（ros的图形化工具）显示优化运动轨迹。

2 工作流程

本作品中，目标产品1为手机工件，目标产品2为手机钢化膜，工作流程如图3所示：由s7-1200PLC控制目标产品1的传送，当目标产品1经传送带运动到相机位置，触发光电开关，发送目标到位信号给PLC，PLC触发相机拍照，视觉模块定位产品的坐标数据，发送给PLC，通过通讯处理，PLC触发工业机器人，机器人控制器接收经过图像处理定位后的坐标;同时，机器人完成从仓储上吸取目标工件2，并在工作台固定位置撕落钢化膜保护膜;机器人将目标产品2送至传送带，与传送带上的目标产品1完成贴膜动作;贴膜过程结束后，机器人归回原位。

3 电气控制设计

PLC控制自身具有较高的可靠性、稳定性、可移植性、能够适应复杂的工作环境和编程相对简单，使其在工业自动化行业中得到了广泛使用。本作品基于s7-1200PLC控制器，控制伺服电机实现直线运动，其目标工件的坐标偏移值通过视觉检测系统反馈给PLC，PLC再与机器人进行数据交互，最后可以在触摸屏上实时显示图像采集画面、保存机器人的参数和标定参数，此外还能做到基本的试教功能以及接收机器人的报警信息。

4 S7-1200PLC程序开发

4.1 S7-1200PLC控制伺服电机

本作品实施时，考虑到桌面机器人运动范围，及运行可靠性，设计了由伺服电机驱动机器人的直线运动，完成机器人抓取目标工件2（钢化膜），运动到合适位置，将目标工件2送至传送带上，与传送带上的工件目标1（手机）实现自动贴膜。其实现步骤如下：

（1）创建新项目，添加PLC。点击“创建新项目”，更改名称与生成路径。点击“项目视图”→“添加新设备”，添加需要的PLC。添加PLC的子网与IP地址，勾上“系统和时钟存储器”。

（2）添加、设置轴的参数。点击“工艺对象”→双击“新增对象”→“TO_PositioningAxis”。更改数据。“驱动器”→“脉冲发生器”：Pulse_1;“使能输出”：Q0.3;“就绪输入”：I0.4;“机械”→“电机每转的脉冲数”：1310;“位置限制”→“启动硬限位开关”、“硬件下限位开关”：I0.2、“硬件上限位开关”：I0.0;“常规”→“速度限值的单位”：mm/s、“最大转速”：<=25;两个“加速时间”：1.0;“急停”→“急停减速时间”：0.1;“主动”→“输入原点开关”：I0.1、勾上“允许硬限位开关自动反转”、“逼近/回原点方向”：负方向、“参考点开关一侧”：上侧、“逼近速度”与“回原点速度”：20。如图4所示。

（3）添加、设置伺服块。双击“添加新块”，选择FB块。点击“工艺”→“Motion Control”，添加“MC_Power、MC_Reset、MC_Home、MC_MoveAbsolute、MC_MoveJog”指令。“Axis”选择“轴_1”，“Execute”添加在Input里面自定义Bool类型的名称。“MC_Power”的“Enable”为“1”。“Home”的“Mode”为“3”（主动回原点）。“MC_MoveAbsolute”的“Position”为一个Real类型的数据名称。“Velocity”为速度：20左右;“JogForward”为正方向点动，“JogBackward”为负方向点动。正、负方向点动都添加BOOl类型的数据名称。将设置好的伺服块添加到Main程序里面。在每一个“false”前面添加M中间变量，例如M100.0。“MC_MoveAbsolute”前面添加“M0.5”每0.5秒通断一次。“Power”可以一直让它为通的状态。“pos”先不添加。

（4）机器人数据转换为伺服移动数据。在Main中编写转换程序。添加“MOVE”移动值指令，将伺服发送的IB8、I9.0、I9.1地址用PLCD的MB50地址接受，在用转换值指令，将接受的Int数据转换为Real数据类型，能让伺服识别的数据用MD10接受转换的数据。前面的“pos”添加这边的MD10。如图5所示。

4.2 S7-1200PLC触发相机拍照

目标工件1由传送带送至视觉拍照，由传感器检测手机到位后发出信号给PLC，PLC触发相机拍照，该程序按照流程步执行。当满足“MW500=1”（第一个流程步）、拍照传感器检测到手机的条件时，等待500MS传送带停止，同时等待1S后触发相机拍照，进行第二步流程。

4.3 PLC控制撕摸的电磁阀

当机器人发送“16#31”（十六进制的“31”）信号给PLC时，PLC接受到信号，让撕膜夹爪的电磁阀得电换向，使得撕膜夹爪闭合，夹住膜上的撕膜部分。当机器人发送“16#32”（十六进制的“32”）信号给PLC时，PLC接受到信号，让撕膜夹爪的电磁阀失电换向（复位），使得撕膜夹爪张开，松开已被撕掉的膜，程序如图6。

5 结束语

本文设计的自动贴膜装置，可现场操作可通过设备上的按钮实行启动与停止;系统的控制器选择S7-1200PLC进行程序的自动化控制;采用人机交互界面触摸屏进行控制，可接收前端设备的实时信息，同时也负责发送业务管理远程平台端的指令。同时增加了手机端的远程控制模块，可在任何时刻控制设备运行，也融合云平台，现场展示设备运行状态，可推广至相关生产厂家，其提到的机器视觉三点标定原理为相关视觉定位项目提供借鉴！

参考文献：

[1]廖长初.PLC编程与应用[M].机械工业出版社，2011.

[2]虞小明.中国新技术新产品[M].2019（01）.

[3]杨艳等.煤矿机械[M].2018（12）.

作者简介：薛圆庆（1999-），男，江苏淮安人，大专在读，研究方向：机电一体化技术。

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