基于ABB工业机器人的轮毂立体仓库方案设计.pdf

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1、 摘 要 近年来，随着工业机器人技术的不断发展，其在各个领域都取得了不错的反响。此次就工业机器人在立体仓库中的的应用做出相关的方案设计。本文主要以“CHL-DS-11”平台为研究对象，主要研究基于 ABB 工业机器人的轮毂立体仓库方案，本方案是根据自动化立体仓库运行的基本原理而设计的。此次方案涉及总控、执行和仓储三个单元，主要的工作如下：ABB IRB 120 型六自由度机器人通过伺服电机转动在平移滑台上运动并且使用夹持工具在立体仓库货仓中进行轮毂的拿取或放置。整个系统采用 S7-1200 PLC 进行控制和组网，在 PC 端通过 TIA Portal 软件对 PLC控制器进行编程。执行单元的

2、流程控制信号、仓储单元的气缸动作和传感器信号，两者都由远程 I/O 模块通过工业以太网与总控单元实现数据交互。键词：工业机器人；键词：工业机器人；PLCPLC；自动化；立体仓库；自动化；立体仓库 目录目录 1.设计背景及意义.-1-1.1 设计背景.-1-1.2 设计意义.-1-2.设计思路.-1-3.设备介绍.-2-3.1 ABB 工业机器人介绍.-2-3.1.1 ABB 工业机器人主体.-2-3.1.2 ABB 示教器.-2-3.2 伺服系统介绍.-3-3.2.1 SIMATIC S7-1200.-3-3.2.2 伺服驱动器 MR-JE-40A.-3-3.2.3 伺服电动机.-3-3.3

3、仓储单元介绍.-4-4.设备配置.-4-4.1 ABB 工业机器人机器人模块配置.-4-4.1.1 配置 DeviceNet 远程 I/O 模块.-4-4.1.2 配置标准 I/O 板.-6-4.1.3 配置执行单元 I/O 信号.-6-4.2 PLC 与远程 I/O 模块组态.-8-5.程序编写.-9-5.1 PLC 与机器人通信程序编写.-9-5.2 伺服控制程序编写.-11-5.3 机器人程序编写.-13-6.方案实操.-14-7.结论.-15-参考文献.-16-1-1.设计背景及意义 1.1 设计背景 自 2008 年经济危机后，为了进一步的经济发展，世界各国都在制造业上下了足够的砝码

4、，将之视为立国、强国之根本，并且纷纷围绕着制造业出台相关措施，只为在全球范围内占据制造业高端领域的有利位置。美国提出“工业互联网”战略，德国提出“工业 4.0”战略，我国则提出了中国制造 2025。“中国制造 2025”提出：制造业是国民经济的主体。11自十八世纪六十年代第一次工业革命以来，世界各国的衰亡兴起以及中国近代的血泪史警示着我们，制造业是立国之本，是国家和民族的强盛的基石。随着我国制造业的发展水平不断提高，我国的综合国力也会稳固提升，国家安全能得到保障，一步步迈向世界强国之列。1.2 设计意义 传统意义下的库房管理作业，其主要依靠的是人工对货物进行存取放，并且在搬运大型货物的作业时，

5、效率非常的低下，又消耗了大量的人工以及物力，同时在安全方面存在着巨大的隐患，且大量的库房面积被占用。然而立体仓库的投入以及工业机器人的应用，便在很大程度上解决了这一难题。2.设计思路 图 2.1 方案流程图 设计思路如图 2.1 所示。首先，ABB 机器人通过末端夹持器夹住一个轮毂，随后伺服电机得到信号开始转动，滑台带动 ABB 机器人运动到立体仓库前，伺服电机停转，然后立体仓库一号仓气缸电磁阀得到信号推出仓门，下一步，ABB 机器人按设定轨迹将轮毂放置到一号仓中，随及收回机械手臂，随后断开一号仓气缸电磁阀信号，一号仓门收回，ABB 机器再人通-2-过伺服电机回到初始位置。3.设备介绍 3.1

6、 ABB 工业机器人介绍 3.1.1 ABB 工业机器人主体 如图 3.1、3.2 为 ABB 公司生产的六自由度型机器人，型号是“ABB IRB 120”，其额定负载为 3000g，工作范围为 58cm。重量为 2500g，非常轻便。其具有敏捷、轻量、紧凑的特点。22因为重量较轻，安装角度不受任何限制，IRB 120 拥有出色的便携性与集成性，这使得其广泛应用于机械、食品、电子、医疗、制药等领域。该款工业机器人，功率极其强劲，结构非常轻巧，能在高速中稳定的运行，其优越的性能使得 IR 120 在任何应用中都能拥有高效，稳定的发挥。图 3.1 机器人后侧图 图 3.2 机器人前侧图 3.1.2

7、 ABB 示教器 如图 3.3、3.4 所示为 ABB 示教器，是一种人和机器互通的界面，通过该界面可以对 ABB 工业机器人进行一些系统上的配置，并且通过示教器的操纵杆可以来手动操控ABB 工业机器人，还可以对工业机器人的运动轨迹进行设定编程，来达到机器人进行独立自动化操作去完成某个实验设计方案或项目。当出现操作失误时，为了避免进一步的危险发生，还可以通过 ABB 示教器上的急-3-停按钮来停止 ABB 工业机器人当前的动作状态。图 3.3 示教器实物图 图 3.4 虚拟示教器 3.2 伺服系统介绍 3.2.1 SIMATIC S7-1200 为了提高在小型 PLC 市场上的占有率以及满足客

8、户对更高性能的追求，西门子公司推出了一款紧凑型、模块化的 PLCS7-1200。其拥有扩展性强以及灵活度度高的设计特点，功能强大，可在简单逻辑控制以及高级逻辑控制中发挥出色的表现。该控制器可以连接 8 个信号模块用来支持其它的数字量和模拟量 I/O，能够简便的实现各个模块之间的通信，且能有效的完成各类从简单到复杂的技术任务解决方案，对于一系列的独立自动化需求也能完全满足。3.2.2 伺服驱动器 MR-JE-40A MR-JE-40A 是由三菱公司推出的一款伺服驱动器，是用来控制伺服电动机的一种控制器。其通过转矩控制、速度控制以及位置控制三种控制方式来实现指令的调节。33 其主要作用如下：1.调

9、整适当的机械负荷和速度回路。2.锁定伺服电机位置。3.调整合适的机械负荷和速度环路。3.2.3 伺服电动机 伺服电动机是控制服务器系统机械部件的发动机。它是一种间接调速装置，控制速度和位置精度很高，电压信号可以转换成转矩和转速来控制对象。在各种应用类场-4-景中都能起到重要的作用。3.3 仓储单元介绍 如图 3.5、3.6 该立体仓库为双层六仓位，结构紧凑，每个仓位可放置一个轮毂工件，其仓门由相对应的气缸电磁阀控制推出（收回）。每个仓门托板上都设置放有定位卡槽来进行基准定位，这方便于轮毂的取放无论正反都可以保证方位姿态相统一。除此以外，还在各个仓位设置了传感器和信号指示灯，检测当前仓位上是否有

10、轮毂放置，且通过信号指示灯将当前仓位状态直观的显示出来。图 3.5 立体仓库正面图 图 3.6 立体仓库背面图 4.设备配置 4.1 ABB 工业机器人机器人模块配置 工业机器人通过 I/O 模块与周边设备进行通信,可使用的 I/0 模块包括标准 I/O 板和远程 I/O 模块（扩展 I/O 模块）。工业机器人的这两种模块的配置使用均基于DeviceNet 总线技术，当工业机器人的标准 I/O 板的 I/O 点无法满足实际应用需求时，可以为工业机器人添加远程 I/O 模块。4.1.1 配置 DeviceNet 远程 I/O 模块 如图 4.1 所示，两个数字输入模块（FR1108）、四个数字输

11、出模块（FR2108）和一-5-个模拟输出模块（FR4004）搭载在机器人远程 I/O 模块的适配器（FR8030）下。44 图 4.1 远程 I/O 模块拓扑结构简图 远程 I/O 模块的配置需要用到 ABB 示教器，首先打开示教器（虚拟），进入菜单中点击控制面板，点击配置，选择“DeviceNet Device”点击添加，然后模板选用“DeviceNet Generic Device”，之后对参数进行设定，如下表 4.1 所示：表 4.1 远程 I/O 端子参数 设定完成后点击确定，再选择“否”得到如图 4.2 所示界面。图 4.2 远程 I/O 模块配置完成界面 序号 参数名称 参数值

12、1 地址（Address）11 2 供应商 ID（Vendor ID）9999 3 产品代码（Product Code）67 4 设备类型（Decive Type）12 5 通信类型（Connecyion Type）Polled 6 轮询频率（PollRate）1000 7 输出缓冲区长度（Connection Output Size）12 8 输入缓冲区长度（Conneciton Input Size）2 -6-则 DeviceNet 远程 I/O 模块配置完成。4.1.2 配置标准 I/O 板 标准 I/O 板和远程 I/O 模块一样挂在现场总线下，配置方法与远程 I/O 模块相同。进入配

13、置点击“DeviceNet Device”,模板选择“DSQC 652 24 VDC I/O Device”，再将地址（Address）改为 10，再点击确定，选择“否”即可得到如下图4.3 所示。图 4.3 标准 I/O 板配置完成界面 同样，标准 I/O 板也配置完成。4.1.3 配置执行单元 I/O 信号 定义执行单元智能化改造所需的机器人信号。按照表 4.2、4.3 所示 I/O 信号各项参数分配模块硬件及地址定义伺服滑台定位运动的功能信号以及工具单元相关的功能信号。表 4.2 执行单元模拟量信号滑台速度 参数 设定值 信号名称 sd 信号类型 AO I/O 模块 DN_Generic

14、 -7-I/O 地址 32-47 数值类型 Unsigned 逻辑值（max/min）25/0 物理值（max/min）10/0 位值 4047 表 4.3 执行单元数字量信号 信号名称 信号类型 I/O 模块 I/O 地址 功能 jz DO D652 1 夹爪动作 xp DO D652 2 吸盘动作 kh DO D652 0 快换末端执行器动作 wz GO DN_Generic 0-7 滑台目标位置（0760）yd DO DN_Generic 8 滑台回原点 qj DO DN_Generic 9 滑台前进 ht DO DN_Generic 10 滑台后退 ms DO DN_Generic 1

15、1 滑台手/自动模式 tz DO DN_Generic 12 滑台停止 dw DI DN_Generic 15 滑台到位 进入控制面板进入配置点击“Signal”，点击添加，如图 4.4 为滑台速度的配置。图 4.4 模拟量信号滑台速度配置 -8-根据如上操作，在配置完最后一个信号后，点击确定，选择“是”（其它信号配置时选择“否”），等待示教器重启。重启后，则 ABB 工业机器人模块配置完成。4.2 PLC 与远程 I/O 模块组态 TIA Portal 是西门子公司为重新定义自动化平台的概念和自动化水平而开发的一个工具平台。该软件又称为“博途”，寓意为全集成自动化的入口。55I/O 模块与

16、PLC的组态是通过 TIA Portal 软件来进行。首先，打开软件，创建新项目，在项目树中创建新设备后，单击“控制器”，然后选择“CPU 1214C/DC/DC”，然后选择最新版本的订单号，然后单击“确定”。之后点开设备和网络，在右边的硬件目录中如图 4.5 所示找到“FR8210”。图 4.5 添加适配器 FR8210 然后点击添加两个“FR8210”，分别命名为“cc”（仓储单元的远程模块）、“rob”（总控单元扩展模块），下一步再双击“rob”I/O 扩展模块，在硬件目录中找到并添加4 个 DI“FR1108”、2 个 DO“FR2108”和一个 AI“FR3004”。然后如上步骤，为

17、“cc”I/O 远程模块添加 2 个 DI“FR1108”和 3 个 DO“FR2108”。添加完成后再如图 4.6 为“cc”和“rob”分配 I/O 控制器 PLC_1。图 4.6 I/O 控制器连接完成图 -9-然后再分别如图 4.7 修改以太网的 IP 地址，让三个地址都处于同一网段的不同的不同地址。图 4.7 以太网 IP 地址修改图 修改完 IP 地址后再如图 4.8 查看或定义 I/O 模块的输入（I）、输出（Q）地址。图 4.8 I/O 地址分配图 到此，TIA Portal 中 PLC 与远程 I/O 模块的组态完成。5.程序编写 5.1 PLC 与机器人通信程序编写 在 T

18、IA Portal 中编写 PLC 程序是为了实现立体仓库下的远程 I/O 模块与 ABB 工业机器人下的 I/O 扩展模块之间的信号交互。承接上一节，在左边项目树中点开程序块，再点开 Main 程序。通过对应实际的信号点位来进行程序编写。-10-如图 5.1 信号图，可以得知总控单元下的远程 I/O 模块上的第一个 DI“FR1108”与工业机器人 I/O 扩展模块下的 DO“FR2108”相连。图 5.1 信号分配图 而且总控单元下的远程 I/O 模块与仓储单元下的远程 I/O 模块如图 5.2、5.3 信号相连。图 5.2 信号分配图 图 5.3 信号分配图 根据以上的信号图，以及各个模

19、块之间信号连接的特点。可以编写出如图 5.4 简易的 PLC 程序。通过程序指令将机器人与仓储单元之间建立信号交互的联系，即可从 ABB 工业机器人端直接发出信号指令通过 PLC 程序传达到仓储单元信号端，以此来实现 ABB 工业-11-机器人对仓储单元进行操作控制。图 5.4 PLC 程序图 该程序所表达意思为，假设当一号仓板上未放置轮毂时，料仓产品检测传感器未检测到信号，则图 5.4 中的一号轮毂检测常闭指令不得电，保持常闭状态，此时 ABB工业机器人再给出一个信号“1”便可使一号仓气缸电磁阀得电后推出一号仓板，同时一号仓气缸电磁阀常开指令也得电且与一号仓气缸电磁阀输出指令自锁维持。当 A

20、BB工业机器人断掉信号“1”后，一号仓气缸电磁阀失电收回。若是一号仓内有放置轮毂时，则一号轮毂检测常开指令得电，此时给出一个信号“7”便可使一号仓气缸电磁阀得电后推出一号仓板，同时一号仓气缸电磁阀常开指令也得电且与一号仓气缸电磁阀输出指令自锁维持。同理当 ABB 工业机器人断掉信号“7”后，一号仓气缸电磁阀失电收回。5.2 伺服控制程序编写 要编写伺服控制程序，首先得进行轴运动工艺组态，先在项目数中找到工艺对象，选择后点击新增对象，输入名称“伺服轴”，选择运动控制，确定轴类型为“To_Position-ingAxis”，单击确认按钮，再将相关的参数进行配置，配置完后，点击调试进去轴控制面板如图

21、 5.5，对轴功能进行调试。-12-图 5.5 轴功能调试界面 测试完成后，开始进行伺服控制程序的编写，首先根据表 5.1 确保硬件进行接线对应的准确。表 5.1 PLC 输入/输出（I/O）信号表 对应设备 类型 功能描述 对应 PLC 的 I/O 点 滑台传感器 Bool 滑台正极限 I0.0 Bool 滑台原点 I0.1 Bool 滑台负极限 I0.2 机器人 Byte 目标位置参数 IB8 Word 速度参数 IW64 Bool 伺服回原点 I9.0 Bool 伺服正转（滑台前进）I9.1 Bool 伺服反转（滑台后退）I9.2 Bool 伺服手/自动模式 I9.3 Bool 伺服停止

22、 I9.4 Bool 滑台到位 Q0.4 -13-之后再通过一系列运动控制指令进行伺服控制程序的编写，编写完后如图 5.6 所示。图 5.6 PLC 程序图 5.3 机器人程序编写 PLC 程序编写完后，机器人与仓储单元之间建立起了信号交互，则可以开始编写机器人程序。首先打开示教器，先创建一个机器人 DO 信号。方法同4.1.3 所述一致，创建完成示教器重启后，打开程序编辑器，先创建模块，再新建进入 main 程序，程序编写如下所示：（在程序运行前先让机器人末端夹爪抓取一个轮毂）PROC main()MoveAbsJ phomeNoEOffs,v200,fine,tool0;机器人各轴回到机械

23、原点 Set yd;机器人运动到原点位置 WaitDI dw,1;等待滑台到位信号 Set ms;将伺服设置成自动模式 SetAO sd,15;将滑台速度调整为 15mm/s SetGO wz,50;机器人运动到立体仓库前 WaitDI dw,1;等待滑台到位信号 -14-MoveL p10,v200,fine,tool0;机器人末端夹爪垂直向上运动到 p10 点 SetGO jqrDO,1;一号仓板推出 WaitTime 1;等待 1 秒 MoveJ p20,v200,fine,tool0;机器人末端夹爪运动到仓板上方 MoveL p30,v200,fine,tool0;机器人末端夹爪将轮毂

24、贴合仓板 WaitTime 1;等待 1 秒 Set jz;机器人末端夹爪松开轮毂 WaitTime 0.5;等待 0.5 秒 MoveL p30,v200,fine,tool0;机器人末端夹爪运动到仓板上方 MoveJ p40,v200,fine,tool0;机器人末端夹爪离开仓板上方 SetGO jqrDO,0;一号仓板收回 MoveAbsJ phomeNoEOffs,v200,fine,tool0;机器人各轴回到机械原点 SetGO wz,0;机器人运动到原点位置 WaitDI dw,1;等待滑台到位信号 Reset ms;伺服设置成手动模式 机器人程序编写完成。6.方案实操 首先将 P

25、C 端、总控单元 PLC 控制器、仓储单元远程 I/O 模块以及工业机器人扩展I/O 模块通过交换机进行硬件组态。同时通过 TIA Portal 软件将 PLC 与机器人通信程序下载到总控单元 PLC 控制器中。完成后，再将 PC 端与伺服系统中的 PLC 控制器进行硬件组态，且将伺服控制程序通过TIA Portal 软件下载到伺服系统中的 PLC 控制器中。当完成以上步骤后，打开示教器，点开之前编写好的机器人程序，将光标移至 main 程序首行，再轻按示教器右侧的使能健给机器人上电，开始运行程序。如图 6-1为机器人运动中将轮毂放置到一号仓板上的过程。图 6-1 机器人放料过程 -15-7.

26、结论 当前，随着科技的日新月异。人们的生活水平也在不断地提高，这些都离不开制造业的飞速发展。在这其中工业机器人起着相当大的作用，而随着自动化的程度不断提高，也意味着越来越多的劳动力被解放。在此次的方案设计过程中，不仅提高我对 ABB 工业机器人的认知程度也让我真正了解到自动化其内在含义，我认为新式自动化“无人”工厂在不久远后也会逐步取代现如今的一些手工业制造厂。这不仅提高了社会生产效率，也在某种程度上增加了社会生存资源，但随着制造业不断地升级转型，也必然会有一部分体力劳动者面临着失业风险，但是风险与机遇并存，把握住机会也会是人生的一次转折点。通过此方案设计，我也看到自己的一些不足之处，认为自己

27、应该不断地提升自我，在未来的学习、工作中勇往直前，做到最好的自己。-16-参考文献 1 张璐.“中国制造 2025”背景下制造业转型升级路径选择J.中国集体经济,2021(04):9-10 2 ABB六轴 IRB 120 机器人J.自动化博览,2009,26(10):7 3 魏凌志.PLC 控制的伺服电机控制系统参数设置与调试J.广东职业技术教育与研究,2017(3):201-206 4 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(01):13-15+91 5 龚强.从博途 STEP7 看未来工业控制软件的发展趋势J.中国仪器仪表,2020(09):74-76