摘要：随着工业自动化的不断深入，工业机器人已成为提升生产效率和降低成本的关键技术。尽管中大型机器人在工业生产中占据主导地位，但在精细化的生产流程中，小型机器人的应用需求日益凸显。为满足这一需求，该文设计了一种用于小型、多类型零部件抓取与投放的机器人系统。该系统集成了 ＣＣＤ检测单元，用于精确识别待放入物料的盒子状态；组件产品物料输送单元则实现了物料的自动、高效输送；系统中的 ４台机器人负责执行取料放料操作；系统通过触摸屏进行交互。整个系统通过 ＰＬＣ实现各部分的通信与控制，确保了信息传输的实时性和准确性。在实际应用中，该机器人系统展现出了稳定的运行性能、高精度的重复定位能力以及较低的成本投入。
关键词：机器人；ＰＬＣ；视觉系统；控制方案；系统设计
０ 引言
在国家部署全面推进《中国制造 ２０２５》与工业４．０的背景下，进一步降低生产成本、提升生产质量和效率，以实现从制造业大国向制造业强国的转变尤为重要。目前制造业的生产中，工业机器人因为其高易用性、高生产效率和高安全性被广泛应用于工业生产过程中，机器取代手工操作已是大势所趋。但目前工业机器人多数为中大型机器人，主要服务于搬运、码垛、焊接等重型作业和宏观操作，这类器人负荷大、机器人的本体也较大。而在精细化产过程中，小型机器人的应用仍相对有限。鉴于上述现状，该文针对生产过程中需要进行的小体积、多类型零部件的取放操作，设计了一种基于 ＰＬＣ控制系统的小型机器人。该机器人能够一次性抓取多种类型、若干数量的零部件，并精准地将它们放入带有凹槽卡位的小型盒子中。
１ 应用目的与系统组成
１．１ 应用目的
在生产过程中，需要将 ４个组件产品放入已成型好的盒子里面以完成组装。如图 １所示，４个组件产品已经放入盒中。
１．２ 系统组成
方案由 ４台机器人机构、４种物料输送与物料存储机构、ＣＣＤ相机检测机构和 ＰＬＣ触摸屏控制机构组成。如图 ２所示。上述机构所使用的电气自控元器件包括：ＣＣＤ相机与控制器，机器人本体与控制器，ＰＬＣ与触摸屏，电磁阀，气缸与卡爪，振动输送器，光电开关与接近开关，伺服与驱动器等。
整体设备的控制系统由 ＣＣＤ检测系统、组件产品物料输送与存放系统、工业机器人控制系统、ＰＬＣ与触摸显示屏控制系统组成 ５个部分。如图 ３所示。
根据图 ３控制系统框架图，整个控制系统可以划分为 ４个单元：（１）ＣＣＤ检测单元，（２）组件产品物料输送单元，（３）触摸屏控制单元，（４）机器人执行单元。各单元主要元器件清单如表 １［２－３］ 。
２ 系统控制方案
如图 ３所示，控制方案可以划分为 ４个单元，且每个单元均与 ＰＬＣ通信，由 ＰＬＣ获取 ４个部分的控制信息，用于驱动机器人取料放料。４个单元具体内容如下：（１）物料经过物料输送单元运送至机器人待取料区域；（２）ＣＣＤ检测单元检测盒子状态，状态良好与不良均会通知 ＰＬＣ；（３）如果盒子良好，机器人单元从取料位置抓取物料、然后放置到盒内，放好后机器人单元再回归至取料位置；（４）操控人员通过触摸屏与机器进行交互。
２．１ ＣＣＤ检测单元
ＣＣＤ检测单元采用基恩士 ＣＶ系列视觉系统、ＣＡ系列相机、桶状光源。ＣＣＤ检测盒子外观确定盒子外观良好。如图 ４所示为没有放入物料的盒子（图 １去除物料的空盒子图）经 ＣＣＤ拍摄处理后显示出来的盒子外观图。其中，大框是检测的区域，小框是检测出来的与样本设置相似的区域，检测图片与录入系统中的样本图片相似度的数值为 ８８．２和９４．１。说明本次检测实物外观已经达到使用要求（检测实物外观相似度大于良品设定的使用要求，若是低于良品使用要求会被系统判定为不合格）。
ＣＣＤ检测的设定如下：（１）设定检测范围，拍摄的图像中选取需要检测图案出现的区域，只要在这个区域内出现该图案，那么就会自动检测；（２）选用位置偏移补正，因 ＣＣＤ每次拍摄盒子图像时，盒子位置会出现位置波动偏移，若是不采用位置偏移补正，会导致检测误差较大，良品被判定为不良品；
（３）可采用较传统的轮廓检测有无、图形检测有无、黑白面积检测有无等方式设置检测盒子是否为良品；（４）ＣＣＤ接收与输出信号，当外部运行信号触发时，ＣＣＤ下方的轴向伺服开始运行，运行至设置位置后，触发 ＣＣＤ光源开启、ＣＣＤ拍摄图像。本次拍摄的图像与系统内录入的良品图像进行相似度对比，相似度高于设置值为良品，低于设定值为不良品。ＣＣＤ将检测结果输出给 ＰＬＣ，供其做进一步的处理。
２．２ 物料输送单元
方案中 ４种物料输送方式比较相似，现举例其中一种物料的输送方式。设备系统如图 ５所示。
物料输送方式是自动输送，主要流程步骤为：人员把物料投入设备上方的储料仓，物料经过提升、转盘振动输送、直线振动输送至机器人待取料区域位置，等待机器人取料。物料输送设备系统由以下几个部分组成：
（１）料仓存储：采用提升方式将料仓内的物料输送至转盘内。转盘内设有物料检测开关，当缺料时料仓提升启动，给转盘内送料。
（２）转盘输送：转盘内设有螺旋爬升槽，转盘顶部外圈设置有仿形槽、正位送料与反位送料吹气槽。振动器振动将物料由转盘底部输送至前方直线输送区域。当前方直线输送料满时报警，转盘停止运行。
（３）直线输送：位于转盘输送与机器人待取料位置之间，可使输送物料平稳快速到达待取料位置。在输送过程中设置有缺料检测，当物料缺少时报警停机，通知人员检查处理。
（４）待取料位：物料进入待取料位置前方的仿形槽内，当物料行进至待取料等待位置时，直线输送停止运行，给机器人信号，等待机器人取料。机器人将物料取走，反馈给 ＰＬＣ，控制程序进行下一步处理。物料输送系统上面使用的元器件有振动器、电磁阀、气缸、光电开关与转换器、卡爪、导轨等。
２．３ ＰＬＣ控制单元
该文选用基恩士 ＫＶ系列 ＰＬＣ编程。ＰＬＣ参与通信和控制可分为 ４个部分，分别如下：（１）ＰＬＣ与 ＣＣＤ控制单元通信；（２）ＰＬＣ与物料输送单元控制通信；（３）ＰＬＣ与机器人控制单元通信；（４）ＰＬＣ与触摸屏单元通信。各部分之间通信采用网络协议通信，通信的具体内容如下。
２．３．１ ＰＬＣ与 ＣＣＤ控制
ＰＬＣ与 ＣＣＤ通信中，主要内容为：（１）ＣＣＤ检测盒子外观良好与否；（２）盒子输送时会产生微小位移变化，此位移变化需要 ＰＬＣ处理并且采取增设编码器方式补偿，否则会导致机器人放料位置不准确。ＰＬＣ处理 ＣＣＤ拍照的一段程序如下图 ６所示。
ＣＣＤ相机由直线型伺服驱动器带动运行，按照使用设定了几个拍照点位，伺服带动 ＣＣＤ运行至拍照点位时停止，此时触发 ＣＣＤ开始拍照，点位接近开关被遮挡后，反馈到达点位信号给 ＰＬＣ，待 ＣＣＤ到达最后一个拍照位置，ＣＣＤ已经运行一周。相应传输内部逻辑继电器 ＭＲ的相关数据。
当盒子位置发生偏移时，需要处理该偏移量，这时使用编码器计算盒子每次出现的偏差量。编码器 位移处理程序如图 ７所示。
编码器安装在成型盒子处，设置编码器转动一圈的数值，编码器发送脉冲信号，数值传送至 ＰＬＣ内部数据，经过补偿计算后，输出位移移动偏差数值给机器人，当出现位置偏差时，用来更新机器人放料点位置信息并准确放料。
２．３．２ ＰＬＣ与物料输送控制
物料输送应用执行电气元件较多，如：振动器、电磁阀、气缸、感应开关、单轴伺服等，其中一段控制程序如图 ８所示。
应用设计时，根据物料的输送性质提前设定好振动器的频率和电压，使物料能够平稳快速的通过 旋转段、直线段、仿形段。ＰＬＣ程序控制振动器与电磁阀吹气启停，当各段内的物料较少时启动输送，反之则停止输送。按照物料的形状设置的仿形槽体，配合使用电磁阀气吹，可使物料快速、安全的通过并且到达机器人待取料位置。
２．３．３ ＰＬＣ与机器人控制
ＰＬＣ与机器人控制分 ２部分，一部分是 ＰＬＣ通信机器人，另一部分是机器人通信 ＰＬＣ。这 ２部分各自接收对方的通信信息，用于逻辑计算、执行等。ＰＬＣ端口通信如图 ９所示。
方案中的通信形式采用网络通信方式，已经设定好 ＰＬＣ的 ＩＰ地址和机器人的 ＩＰ地址。因为有四种物料需要投放，所以对应了 ４台机器人取料放料。因机器人应用基本相同，故该文中只以图１０中地址为 １９２．１６８．０．２０的机器人为例进行论述。具体过程如下：
（１）ＰＬＣ接收和发送给该机器人的 ＩＰ地址内的数据；（２）当可以取料放料时，ＰＬＣ输出信号给机器人，通知机器人取放料；（３）机器人收到 ＰＬＣ的信息后执行相关程序；（４）机器人动作结束后，反馈信息给 ＰＬＣ。
机器人端口接收 ＰＬＣ通信数据程序如图 １０所示。机器人接收程序后，按照机器人内部程序开始运行。
３ 设计中需要注意的事项
（１）根据产品取放性质选择相应机器人。需要选择经济性与实用性好的机器人，避免出现大材小用的浪费现象。机器人 Ｒ端加装了多个卡爪气缸与真空吸取装置，可以使机器人一次性取放多个产品，能够节省时间、提高产量。
（２）根据产品的外观与输送的要求，设计固定仿形槽，仿形槽用于旋转振动轨道与直线振动轨输送物料上面。输送过程中还需要配合使用气动磁阀辅助控制。如：满料气吹开启，阻止物料继续输
送，并能停止振动输送机器。当物料输送方向为反向的时候，气动吹气阻止反向物料混入输送机构。将物料快速吹送到指定位置等。
（３）使用检测运行稳定、设置较为方便的 ＣＣＤ产品。该文所用 ＣＣＤ具有设置简单、操作便捷、可扩展性强的特征。便于设置轮廓检测和面积检测。
（４）选用中小型 ＰＬＣ，具有扩展功能、通信功能较强、便于编辑的优势。
（５）要保证系统各部分之间通信稳定可靠，需选择具有网络协议通信功能的设备。
４ 结束语
该文设计了 ＰＬＣ控制机械手臂取放料的控制方案，该方案充分考虑了所取放物料的物理形状与质量，并据此合理选取了机器人、ＣＣＤ视觉系统以及配套的电控元器件。经过实际测试验证，该机器人系统展现出了较高的重复运行精度和准确的取放料位置定位。该文对于需要实现类似功能的研发人员具有一定的参考价值。