基于ABB IRB120机器人与S7-1500 PLC自动称重质检系统设计

基于ABB IRB120机器人与S7-1500 PLC自动称重质检系统设计

田端强

山东莱茵科斯特智能科技有限公司 山东省淄博市 255000

摘要：某校智能生产线实训室有2台智能灌装生产线。其中有机器人封装饮料瓶的实训单元，能完成工业机器人的基础操作与编程实训任务.具体的实训项目有工业机器人对瓶盖的自动搬运、更换夹具、封盖瓶盖。通过PROFINET网络与PLC进行通讯，实现数据的交互。由于机器人实训已经不能满足学生对机器人工作站的学习要求,根据智能生产线的工业机器人知识掌握的需求,故计划增加称重功能,以实现灌装饮料瓶的自动称重，实现智能生产线产品质检的功能。

关键词：搬运、称重、换夹具、封盖、通讯

引言

近年来随着工业革命4.0的发展，电气生产设备向着自动化、智能化、数字化方向发展，这种基于生产厂家需求的提高生产效率、控制产品质量、节约人工成本的设备设计方案越来越普遍。伴随着工业的发展，无论在产品技术层次还是造价方面，都使这种高端设备普及进程加速。相比工业3.0的设备自动化控制要求，工业4.0的设备自动化要求更加高端，注重多种技术的集成应用。本篇论文就是在原有设备功能基础上，增加对产品质量实现自动检测和测量的功能。

一 研究背景

某校智能生产线实训室有2台智能灌装生产线。其中有机器人封装饮料瓶的实训单元，能完成工业机器人的基础操作与编程实训任务。具体的实训项目有工业机器人对瓶盖的自动搬运、更换夹具、封盖瓶盖。随着对智能生产线深入的学习发现灌装线缺少产品检测功能，也就是对灌装的饮料流量没有复检功能。该方案在现有使用的工业机器人的基础上，加入了一些控制对象，并且在机器人与S7-1500PLC引入称重系统，通过设计S7-1500与该工业机器人的电气连接与程序设计，实现了工业机器人与加入控制对象进行联机通信使用，学生在练习的过程中可以形成工业机器人工作站的基础概念。

二 现有设备情况与待解决问题及对策

1.现有设备情况

现有设备情况现有工业机器人型号为IRB120 ABB工业机器人，实训室现有设备示意图如图1所示：

图1 现有设备示意图

2.待解决问题及对策

（1）工业机器人与PLC的通信数据

ABB IRB120机器人集成了888–3PROFINET Device通信的接口，所以在通信方式上，采用Profinet总线通信的方式，与S7-1500 PLC进行数据通信。

（2）根据工艺选择控制对象

根据质检方式的需求，选用称重传感器对产品进行质检。称重传感器选用西门子的SIWAREX传感器，利用传感器的称重功能，对灌装好的饮料进行称重。在S7-1500PLC控制系统增加TM SIWAREX WP521工艺模块，用于采集称重传感器的称重数据。

（3）改进功能后不影响工业机器人原有的功能

改进功能后不影响工业机器人原有的功能。由于机器人为基础实训设备，除了机电一体化专业学生，还有其他专业学生使用，使用率较高。为了不影响课程进程，此次改进实验，使用工业机器人PROFINET总线控制。在现有工艺及功能的基础上，再增加称重质检的功能。对原有的接线、机器人及S7-1500PLC程序没有进行大面积更改。硬件改造周期时间短，调试机动灵活。

三 智能生产线质检系统设计方案

1.系统总体方案

根据传感器的电路设计原理如图2所示，采用六线制设计称重系统。Load cell为传感器测量，Anschlusskasten Juntion box为传感器的接线端。Weightig modul为PLC称重模块接线端子。

图2 称重传感器工作原理图

在原有的S7-1500控制系统基础上，增加SIWAREX WP521ST重量功能模块。重量功能模块采用原系统的24V供电电源。在SIWAREX WP521ST重量功能模块的X1-X6端子接入重量传感器EXC+、EXC-、SIG+及SIG-信号用于采集重量传感器的数据。

2.称重传感器工作原理

传感器采用应变式原理，应变片被固定在弹性体上。外力的作用导致弹性体产生形变，在弹性体上的应变片随之产生形变。由于应变片外部形状的变化，其电阻值也会相应发生变化。右上角和左下角应变片被压缩，电阻薄膜变短，阻值变小。右上角和左下角应变片被拉伸，电阻薄膜变长，阻值变大。对于每只称重传感器，至少4个应变片被连接在一起组成一个惠斯通电桥。当传感器受力导致应变片电阻发生变化时，电桥不平衡。在激励电压不变的情况下，输出信号的大小与传感器受力成正比。

（3）称重设计工艺

改进后的机器人系统增加了对物料瓶的称重功能。如图3所示，当智能生产线的饮料瓶完成饮料灌装工序后，输送到机器人站，机器人首先取夹爪，然后把饮料瓶抓取到旁边的称重平台。称重系统测量完毕后，反馈完成信号给工业机器人，机器人再把饮料瓶抓取到输送线上，称重工艺结束。

图3 机器人抓取饮料瓶称重过程图

四 设计实施

1.PLC设计

在原有的S7-1500系统里面组态中增加TM SIWAREX WP521工艺模块。按照四线制接法连接称重传感器与称重模块。WP521的库文件西门子已经开发称重功能块FB1552。我们可以把FB1552复制到项目中，直接使用就可以了

2.ABB工业机器人程序设计

保留原有的机器人封盖程序，增加工业机器人的称重程序。其工艺流程图为：

五 总结

通过本次机器人实训设备新功能开发，让学员掌握了ABB IRB120工业机器人与S7-1500 PLC的PROFINET通讯方式。并进一步强化了学员的工业机器人和PLC的编程应用能力。通过引入饮料瓶自动称重，完成了智能生产线的质检功能，使智能生产线功能进一步完善，体现了智能化、数字化、信息化的特点。

参考文献

[1]张明文，ABB六轴机器人入门使用教程[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2017.

[2]刘勇.ABB工业机器人基础实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2017.

[3]廖常初.PLC编程及应用（第2版）.北京：机械工业.2007

[4]崔坚.西门子工业网络通信指南：上册，下册[M].北京：机械工业出版社，2004.

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