张苏新 朱哲诚

摘  要：文章通过介绍智能柔性工作站的研究背景及内容，针对以工业机器人为主体的智能装配、打磨、检测和分拣放置智能柔性工作站设备进行设计，提出了基于西门子PLC的智能柔性工作站控制系统的整体设计思路。整个控制系统包含了PLC主控、PLC接线、输入输出分线器、加工单元、去毛刺单元和检测单元等模块。通过调试智能柔性工作站实现了加工、去毛刺、装配、检测和分拣等功能。

关键词：智能柔性;工作站;PLC控制

中图分类号：TP273                  文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）14-0052-05

Abstract：
By introducing the research background and content of intelligent flexible workstation， this paper designs the intelligent assembly， grinding， detection， sorting and placement intelligent flexible workstation equipment based on industrial robot， and puts forward the overall design idea of intelligent flexible workstation control system based on Siemens PLC. The whole control system includes PLC main control， PLC wiring， input and output splitter， processing unit， deburring unit， detection unit and other modules. By debugging the intelligent flexible workstation， the functions of machining， deburring， assembly， detection and sorting are realized.

Keywords：
intelligent flexibility; workstation; PLC control

0  引  言

制造业是国民经济的主体，是立国之本、强国之基。2015年5月8日，国务院印发的《中国制造2025》规划中强调了智能制造代表着新的生产力发展方向，通过对生产的智能制造改革，将为传统行业带来巨大效率的改进与升级，使传统行业迈向自动化和智能化的方向升级与前进。

随着市场的需求在不断地变化与更新，新产品的设计与生产周期越来越短，激烈的市场竞争又要求稳定的产品质量，这需要在较短时间内开发出稳定的产品，这为产品研发团队提出了新的挑战。传统的工作站只能完成固定的工作任务，当需要改变工作任务时，必须对新的工作站进行重新设计，这就大大延长了开发周期，增加了项目的开发成本，而智能柔性工作站具有高度的柔性，工作时间长，性能稳定可靠，通过降低人工干预减少人工成本，大大提高产品的质量和生产的效率，已经越来越多地应用在各种制造行业中。

研究智能柔性工作站，顺应了时代发展的趋势，通过工业机器人、PLC控制技术和产品柔性制造的有机结合，不仅为企业来降低产品的工艺开发的时间、设备采购的时间和人工的成本，还极大地提高了产品的质量与生产效率。相比于传统加工工作站，工业机器人与PLC控制技术为现代工厂的智能制造带来的新的机遇，使得产品的生产加工像全自动化、高柔性、智能化的方向前进。

1  任务要求

因用户需求的改变，公司需对一套以工业机器人为主体的智能装配、打磨及检测分拣放置工作站设备进行改造，根据任务和设备使用要求，完成设备的机械、电气模块等硬件的布局与安装，PLC的编程与调试等工作，并优化程序流程及工艺，提高工作效率和工作质量。

通过模块化的设计理念，提高智能柔性工作站的柔性，设计不同模块并选择对应模块并安装，完成客户订单的需求，对加工、去毛刺、装配、检测和分拣单元进行硬件设计，这些单元都可以进行独立装卸，同时根据订单需求，选择不同的模块并安装。通过设计一组输入输出分线器，将输入、输出分线器将外部变量与控制器连接起来，可以方便地改变与设计输入与输出，同样也提高了工作站的柔性。

完成对一个智能柔性工作站的控制系统的设计，该控制系统可以配合工业机器人完成对工件的抓取、加工、去毛刺、装配、检测与分拣工作。工作流程图如图1所示。

该控制系统配合机器人完成以下任务，配合工业机器人将物件放入三爪卡盘，放入后对物件进行加工，加工完后工业机器人从三爪卡盘中取出加工好的原件并打開去毛刺电机配合工业机器人完成去毛刺，将工业机器人装配好的原件配合工业机器人通过微动开关的检测，检测产品的合格性，合格的装配部件放到合格品托盘，不合格的装配部件放到次品托盘，完成后再进行下一个原料的加工。

2  系统设计

该设备由供料托盘模块、装配单元模块、电气接线模块、加工单元、去毛刺单元、检测模块、次品托盘模块、合格品托盘模块、机器人运动模块组成。该智能柔性工作站的控制系统主要由PLC控制器和输入输出模块组成，输入包含按键（启动、停止、复位）、光栅、微动开关、三爪卡盘位置传感器，输出包含三爪卡盘开、三爪指示灯、打磨电机和三色灯。其系统结构原理如图2所示，PLC与工业机器人通过PROFINET通信协议进行远程IO通信。

启动按钮代表开始进行加工原料，按下停止按钮，机器人与打磨电机将停止工作，按下复位按钮，工作状态重置。光栅上有红外传感器，当有物体经过光栅，PLC将让工业机器人停止，以防安全事故的发生，光栅中间没有物体时，则系统正常运行，此时对应的PLC的输入信号为1，反之，PLC的输入信号将变为0。微动开关用于对工件的装配进行检测，装配完成，会触动微动开关，则有信号输入。三色灯的绿、红、黄灯代表工作站的不同工作状态。加工指示灯红灯闪烁代表正在进行加工，指示灯绿灯亮起代表加工完成。PLC通过中间继电器控制打磨电机用于对于与原料的去毛刺加工。

2.1  PLC接线图

图3为PLC接线电路图，图中虚线框内为PLC内部电路图，通过接线图可知，当输入是低电平时，在逻辑上，该输入是0;当输出是高电平时，在逻辑上，该输入为1，输出亦然。左下方为PLC的电源接线，给PLC提供的是24V供电，上方为PLC的输入端，下方为PLC的输出端信号。可以看出该PLC有16个输入和16个输出，能够满足输入和输出要求。

对应的输入包含三爪关到位、微动开关、启动按钮、复位按钮、急停按钮、光栅和三爪开到位，分别对应的地址为I10.1、I10.2、I10.3、I10.4、I10.5、I11.1、I11.3。输出信号三爪卡盘开、打磨电机、指示灯红、开启光栅、三色红灯、三色黄灯、三色绿灯和蜂鸣器，分别对应的地址为：Q4.2、Q4.3、Q4.5、Q4.6、Q5.1、Q5.4、Q5.5、Q5.6、Q5.7。

2.2  輸入输出分线器设计

通过输入输出分线器，可以在平台上清楚地看到输入信号的名称与地址，为前期的组装与后期的维护带来方便，通过插拔输入插头与输出插头可以方便地更改对应的输入输出变量的地址，该分线器的下端是直接集成一根线并连接到PLC的各个变量对应的连接座上。输入输出分线器的电气接线图如图4所示。

2.3  其他单元

电源电路为工业机器人和打磨电机提供220 V供电，通过交流220 V转换成直流24 V的变压器，为PLC进行直流24 V供电。每一个支路用电是并联在主电路上，总的空气开关控制所有用电器的通电，机器人与PLC的前端分别有两个空气开关作为分开关去分别控制这两个用电器的电源的通断，电动打磨机通过220 V的交流电供电，通过中间继电器来控制他的停止与转动，当中间继电器吸合时，电动打磨机转动，反之，则电动打磨机停止。

加工单元由三爪卡盘、指示红灯、指示绿灯组成，PLC控制三爪卡盘的开合，控制指示红、绿灯来模拟加工的进行与完成。三爪卡盘上有两个限位传感器，通过限位传感器可以判别三爪卡盘气缸运动到哪个位置，与机器人配合时，减少了碰撞的概率，同时也可以通过三爪卡盘的限位传感器作为命令触发的条件。当机器人放工件时，三爪卡盘打开，传感器检测到工件放入;当三爪卡盘锁住，机器人才能松开夹爪;取工件时，机器人夹爪夹取到工件，三爪卡盘开到位传感器检测到物体时，机器人才能够将物体取出。

去毛刺单元配有一个打磨电机，该打磨电机由220 V交流供电，PLC通过继电器控制打磨电机开关，机器人运动到打磨头进行对加工好的原料进行去毛刺。

检测单元的主要由一个微动开关组成，通过机器人将装配好的原料上的金属环触碰微动开关来检测原料是否装配完成。

本系统采用了PROFINET的通信方式来实现工业机器人与PLC之间的通讯，从而完整的实现该工作站的执行任务。PROFINET为自动化的通信领域提供了完整的网络解决方案，如实时以太网传输、高精度运动控制、分布式自动化（DCS控制系统）、工控安全和网络安全。由于PROFINET使用TCP/IP协议，因此，它会用到MAC地址和IP地址，但如果设备更换为其他设备，其MAC地址会变动，而动态定址下的结果是IP地址，为了使得网络上的设备拥有稳定且合适的名称，因此该协议会使用设备名称来进行区分。

3  运行调试

设备完成后的工作目标是：把原料（塑料圆柱体）从供料托盘拾取直接送到加工单元完成加工，然后转移到去毛刺单元完成去毛刺工艺成为零件，接着转移到装配单元模块完成金属环的装配成为装配部件，完成装配后再送到检测模块下通过微动开关完成质量检测，合格的装配部件放到合格品托盘模块，不合格的装配部件放到次品（不合格）托盘模块。

其具体工艺流程为：

（1）按下启动按钮后，三色灯黄灯熄灭，蜂鸣器响1秒钟后，绿色灯常亮，工业机器人开始运动。光栅被阻挡时，机器人立即停止运动，阻挡撤除后，再次依次按下复位按钮与启动按钮，机器人按照光栅被阻挡前的动作继续往下运行。

（2）工业机器人运动至原料库，从原料库中抓取原料（白色塑料圆柱体），并转移至加工单元，如图5（a）所示。

（3）工业机器人将原料插入加工单元卡盘，加工单元三爪卡盘夹紧原料，加工单元绿色指示灯亮代表正在加工，加工时间为3秒，如图5（b）所示。

（4）加工完成后，加工单元红色指示灯亮，工业机器人抓取工件，加工夹手松开，加工单元红色指示灯灭。机器人夹住工件转移到去毛刺工位，去毛刺工具启动。

（5）工业机器人抓住工件围绕去毛刺工具先顺时针转动一圈后再逆时针转动一圈，完成去毛刺工艺。完成整个去毛刺时间在8～12秒，去毛刺过程中，工件应能保持与打磨工具距离基本一致且不大于10 mm，运动轨迹平滑流畅，如图5（c）所示。

（6）完成去毛刺工艺后，转移到装配单元区域，将圆环套入工件后成为组件（白色塑料工件套上圆环）。

（7）工业机器人将装配好的组件放在微动开关旁，若是装配成功，圆环套将推动微动开关，机器人接收到检测OK信号，若是装配失败，没有套上圆环套，将无法触发微动开关，机器人接收到检测NG信号，如图5（d）所示。

（8）抓取下一个工件，重复进行上述工件。

4  结  论

本文首先介绍了现代工业领域对于工作站要求具有快速性和柔性，同时根据企业客户要求设计了一套基于西门子PLC的智能柔性工作站控制系统。整个系统包含了PLC控制系统、PLC接线、输入输出分线器、加工单元、去毛刺单元和检测单元等模块，在此基础上，对整个系统进行了抓取、加工、去毛刺、装配、检测和分拣等工序调试，调试结果表明该系统能够实现相应功能，并具有较好的稳定性。

参考文献：

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[5] 张南杰.西门子S7-1500与S7-1200的PROFINET IO通信研究 [J].工业控制计算机，2020，33（10）：150+152.

作者简介：张苏新（1987.02—），男，汉族，江苏苏州人，讲师，硕士研究生，研究方向：智能控制、电气控制。

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