CN110610648A - 一种智能生产线仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能生产线仿真方法，包括：利用控制器模拟工业机器人的编程控制以构建工业机器人控制模块，同时利用控制器模拟PLC的编程控制以构建PLC控制模块；通过所述工业机器人控制模块与所述PLC控制模块相互通讯，以协同控制工业机器人到达生产线的指定位置；协同控制所述工业机器人选择工具；以及协同控制所述工业机器人，利用所述工具选取加工零件并对所述加工零件进行加工。本发明提供的智能生产线仿真方法及系统，能够模拟智能生产线的运作，并且易于操控、成本更低，从而能够满足培养智能生产线应用人才的教学需要。

Description

一种智能生产线仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，尤其是涉及一种智能生产线仿真方法及系统。

背景技术

为了精准对接智能制造业领域人才培养项目，满足智能工业对应用型技术人才的需求，以及提升教师和学生综合应用技术能力，学校、教育机构需要涉及到机械、电气、气动、液压、机器人、PLC的智能生产线的教学设备，并利用智能生产线的教学设备推动智能工业的应用技术教育的发展。由于智能工业生产技术不断更新，相关设备也会跟随着两三年更换。每套智能生产线系统设备包括软件和硬件，若更新系统设备动辄几十万，甚至几百万，各个高校和教育机构却因预算有限而不能随之更换，对智能工业的应用技术教育造成不利影响。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种智能生产线仿真方法及系统，能够模拟智能生产线的运作，并且易于操控、成本更低，从而能够满足培养智能生产线应用人才的教学需要。所述技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种智能生产线仿真方法，包括：

利用控制器模拟工业机器人的编程控制以构建工业机器人控制模块，同时利用控制器模拟PLC的编程控制以构建PLC控制模块；

通过所述工业机器人控制模块与所述PLC控制模块相互通讯，以协同控制工业机器人到达生产线的指定位置；

协同控制所述工业机器人选择工具；以及

协同控制所述工业机器人，利用所述工具选取加工零件并对所述加工零件进行加工。

在本发明第一方面的第一种可能的实现方式中，所述通过所述工业机器人控制模块与所述PLC控制模块相互通讯，以协同控制工业机器人到达生产线的指定位置，具体为：

所述工业机器人控制模块向所述PLC控制模块发送位置指令和速度指令；

接收指令后的PLC控制模块控制电机，将所述工业机器人以指定速度送到指定位置。

在本发明第一方面的第二种可能的实现方式中，所述协同控制所述工业机器人选取加工零件，具体为：

所述工业机器人控制模块向所述PLC控制模块发送取件请求指令；

接收所述取件请求指令后的PLC控制模块锁定加工零件；

所述PLC控制模块向所述工业机器人控制模块反馈信息以控制所述工业机器人完成取件。

在本发明第一方面的第三种可能的实现方式中，所述协同控制所述工业机器人，利用所述工具选取加工零件并对所述加工零件进行加工，还包括：

协同控制所述工业机器人将所述加工零件调配到数控机床中进行加工。

在本发明第一方面的第四种可能的实现方式中，所述协同控制所述工业机器人，利用所述工具选取加工零件并对所述加工零件进行加工，还包括：

协同控制所述工业机器人对所述加工零件的表面进行打磨。

在本发明第一方面的第五种可能的实现方式中，在加工完成后，还包括：

获取加工完成件的图像并利用图形计算机对所述图像进行检测。

在本发明第一方面的第六种可能的实现方式中，所述的智能生产线仿真方法，还包括：

当检测完成后，根据检测到的标识信息控制所述工业机器人将所述加工零件分拣入库。

第二方面，本发明实施例提供了一种智能生产线仿真系统，包括工业机器人控制模块、PLC控制模块、工业机器人；所述工业机器人控制模块、所述PLC控制模块、所述工业机器人通过通讯线路互联；

所述工业机器人控制模块，用于向所述PLC控制模块发送控制指令；

所述工业机器人，用于执行生产线加工步骤；

所述PLC控制模块包括运动控制模块、工具更换控制模块、执行模块；

所述运动控制模块，用于与所述工业机器人控制模块协同控制工业机器人到达生产线的指定位置；

所述工具更换控制模块，用于与所述工业机器人控制模块协同控制所述工业机器人选择工具；

所述执行模块，用于与所述工业机器人控制模块协同控制所述工业机器人选取加工零件，并对所述加工零件进行加工。

在本发明第二方面的第二种可能的实现方式中，所述的智能生产线仿真系统，还包括图形计算机、摄像机；所述PLC控制模块还包括检测模块；

所述摄像机，用于获取所述加工零件的图像；

所述图形计算机，用于对获取到的图像进行识别；

所述检测模块，用于控制所述摄像机获取图像并与所述图形计算机交互识别信息。

在本发明第二方面的第二种可能的实现方式中，所述的智能生产线仿真系统，还包括：

传感器模块，用于采集生产环境信息并向所述工业机器人控制模块和所述PLC控制模块传输所述生产环境信息。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明提供一种智能生产线仿真方法，通过一个或多个成本较低的控制器，如单片机，构成工业机器人控制模块和PLC控制模块，并且通过所述工业机器人控制模块与所述PLC控制模块相互配合，协同控制工业机器人做出移动、更换工具、运输零件、加工零件等生产动作，从而实现模拟生产线的运作，而且仿真代码非常容易转化为机器人和PLC的编程语言，下载到真实的智能生产线的机器人控制器和PLC控制器中，实现和虚拟仿真一样的工艺流程；本发明提供的智能生产线仿真方法，基于类似单片机的易于操作的控制器，需要更新软件时可自定义更新程序、代码，极大减少设备更新软件的开支，而且由于系统软件编辑的自主性很强，可用于课堂C语言、PLC或者ABB等机器人编程仿真辅助教学，可以使学生能够迅速的掌握智能生产线的编码规则、通讯方式和方法，编程操作简单直接；另外，相比起购置的成套智能生产线系统设备，本发明提供的智能生产线仿真系统更容易扩展功能模块，自主搭建不同功能的智能生产线的灵活性更高，通过学生动手操作低成本的智能生产线的教学设备，真正发挥了本发明的智能生产线仿真系统的教学作用，从而有利于学生迅速掌握智能生产线的技术知识和提升教师、学生的实践能力。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种智能生产线仿真方法的流程图；

图2是本发明实施例中的一种智能生产线仿真方法的通过工业机器人控制器与PLC控制器交互实现生产线位置移动的流程图；

图3是本发明实施例中的一种智能生产线仿真方法的通过工业机器人控制器与PLC控制器交互实现取件的流程图；

图4是本发明实施例中的一种智能生产线仿真方法的工业机器人控制模块的程序流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，其示出了本发明的示例性实施例提供的一种智能生产线仿真方法，包括：

利用控制器模拟工业机器人的编程控制以构建工业机器人控制模块，同时利用控制器模拟PLC的编程控制以构建PLC控制模块；其中，PLC，Programmable LogicController，可编程逻辑控制器；

优选地，所述控制器为89C51单片机；

通过所述工业机器人控制模块与所述PLC控制模块相互通讯，以协同控制工业机器人到达生产线的指定位置；优选地，所述工业机器人为ABB生产线机器人；

协同控制所述工业机器人选择工具；以及

协同控制所述工业机器人，利用所述工具选取加工零件并对所述加工零件进行加工。

其中，所述工业机器人控制模块控制其他各个单元按要求实现各种操作，以完成整个智能生产线的协同工作；所述PLC控制模块是产品在各个单元间转换和定制加工的执行终端，是应用平台的核心单元；能够控制工业机器人完成以不同姿态拾取零件或加工；平移滑台作为工业机器人扩展轴，扩大了工业机器人人的可达工作空间，可以配合更多的功能单元完成复杂的工艺流程；平移滑台的运动参数信息，如速度、位置等，由工业机器人控制器通过现场IO信号传输给PLC，从而控制伺服电机实现线性运动。

在本实施例中，使用89C51单片机来模拟ABB机器人的编程控制，构成工业机器人控制模块，工业机器人控制模块也可以由一个或多个单片机组成；使用89C51单片机来模拟PLC的编程控制，构成PLC控制模块，PLC控制模块也可以由一个或多个单片机组成；选取其中一个工业机器人控制模块作为主控单元，控制其他各个单元(包括其他机器人控制器和PLC)按要求实现各种操作，以完成整个智能生产线的协同工作；PLC控制模块在主控单元的指令下，完成智能产线的工艺流程；使用Button、Switch开关来模拟传感器(光电传感器、接近开关、金属传感器等)的输入动作，开关状态来模拟传感器的断开接通状态；使用Led灯、Motor电机、Relay继电器来模拟指示灯、控制气缸的电磁阀和电机的正反转；使用7段数码管来模拟显示当前正在运行的工艺流程；使用数学模拟的方式实现伺服位置进给的控制，并显示在LM016L液晶显示器上；使用驱动芯片或者电路来控制整个电路原理上运行正常；可以使用LDR光敏电阻来模拟光感传感器，SHT11温湿度传感器来模拟温湿度的输入；使用串行、并行或者自定义的通讯协议来进行ABB机器人控制核心与PLC控制核心之间的通讯连接。

可以理解的是，一般用户接触到的语言都是机器人公司自己开发的针对用户的语言平台，在这一层次，每一个机器人公司都有自己语法规则和语言形式。机器人编程语言分为专用操作语言(如VAL语言、AL语言、SLIM语言等)、应用已有计算机语言的机器人程序库(如Pascal语言、JARS语言、AR-BASIC语言等)、应用新型通用语言的机器人程序库(如RAPID语言、AML语言、KAREL语言等)三种类型。而本发明实施例利用C语言编写机器人软件程序，实现模拟工业机器人编程控制。

在本实施例中，利用C语言模拟RAPID编程语言编写机器人控制程序，ABB机器人的RAPID编程语言与C语言对比如下(左边RAPID语言，中间标准C语言)：

表1.1 RAPID与C语言比较列表

由表1.1可见，ABB的机器人的RAPID编程语言的语法与C语言非常相似。利用RAPID编程语言与C语言的相似性模拟ABB机器人编程控制。

可以理解的是，用于控制输出、检测输入以及与上位机进行通讯的程序是梯形图转C语言或汇编语言，再编译后烧写到PLC的程序存储器内的。虽然编译的过程要经过C语言或汇编语言，但是PLC厂家一般不允许用户直接使用C语言或汇编语言编写PLC主机的下位机程序。

在本实施例中，为了实现仓储功能，采用三菱的FX2N型号的PLC，使用Gx Works2的编程软件来开发PLC的控制程序。它的编程语言与C语言对比如下(左边PLC指令表语言，中间标准C语言)：

表1.2 PLC指令表与C语言比较列表

由表1.2可见，三菱的PLC的指令表或者梯形图编程语言的语法与C语言非常相似，可以使用C语言来模拟PLC的编程语言以及编程逻辑；不仅可以使用C语言来模拟PLC的编程语言以及编程逻辑，还可以应用仿真的编程逻辑和编程语法来直接指导进行PLC的图形图或者指令表编程。

本发明实施例提供一种智能生产线仿真方法，通过一个或多个成本较低的控制器，如单片机，构成工业机器人控制模块和PLC控制模块，并且通过所述工业机器人控制模块与所述PLC控制模块相互配合，协同控制工业机器人做出移动、更换工具、运输零件、加工零件等生产动作，从而实现模拟生产线的运作；本发明提供的智能生产线仿真方法，基于类似单片机的易于操作的控制器，需要更新软件时可自定义更新程序、代码，极大减少设备更新软件的开支，而且由于系统软件编辑的自主性很强，可用于课堂C语言、PLC或者ABB等机器人编程仿真辅助教学，可以使学生能够迅速的掌握智能生产线的编码规则、通讯方式和方法，编程操作简单直接。

请参见图2，通过所述工业机器人控制模块与所述PLC控制模块相互通讯，以协同控制工业机器人到达生产线的指定位置，具体为：

初始化所述工业机器人控制模块和所述PLC控制模块的控制程序；

所述工业机器人控制模块向所述PLC控制模块发送位置指令和速度指令；

所述PLC控制模块根据所述位置指令和所述速度指令控制电机，将所述工业机器人以指定速度送到指定位置；

所述PLC控制模块向所述工业机器人控制模块反馈完成信息；

所述工业机器人控制模块清除程序数值并退出移动程序，所述PLC控制模块清除缓存。

请参见图3，所述协同控制所述工业机器人选取加工零件，具体为：

初始化所述工业机器人控制模块和所述PLC控制模块的控制程序；

所述工业机器人控制模块向所述PLC控制模块发送取件请求指令；

接收所述取件请求指令的PLC控制模块锁定加工零件；

所述PLC控制模块向所述工业机器人控制模块反馈信息以控制所述工业机器人完成取件；

取件完成后，所述工业机器人控制模块向所述PLC控制模块发送完成指令；

所述PLC控制模块执行空仓收到，完成取件；

所述工业机器人控制模块清除程序指令并退出取件程序，所述PLC控制模块清除缓存。

其中，工业机器人可通过程序控制到指定位安装或释放工具；提供了多种不同类型的工具，每种工具均配置了快换模块工具端，可以与快换模块法兰端匹配。

请参见图4，其示出了一种智能生产线仿真方法的工业机器人控制模块的内部程序执行流程，包括主控模块初始化、发送指令控制PLC控制模块将工业机器人送回原点及送到生产线的某一具体位置、工业机器人根据要求自行取放刀具或者夹具、取完夹具后，用夹具在仓储中取出工件；

优选地，协同控制所述工业机器人，利用所述工具选取加工零件并对所述加工零件进行加工，还包括：

协同控制所述工业机器人将所述加工零件调配到数控机床中进行加工。

优选地，协同控制所述工业机器人，利用所述工具选取加工零件并对所述加工零件进行加工，还包括：

协同控制所述工业机器人对所述加工零件的表面进行打磨。

优选地，在加工完成后，还包括：

获取加工完成件的图像并利用图形计算机对所述图像进行检测。

优选地，还包括：

当检测完成后，根据检测到的标识信息控制所述工业机器人将所述加工零件分拣入库。

其中，代码含义如下：

rInitial()表示ABB主控模块初始化；

rHome()表示ABB机器人要求PLC控制伺服将自己送回原点；

rServo()表示ABB机器人要求PLC控制伺服将自己送回某一具体位置；

rTool()表示ABB机器人根据要求自行取放刀具或者夹具；

rGetHub()表示取完夹具后，用夹具取仓储中取出工件(比如说取序号最大的工件)；

rCNC()表示取完工件后，送到数控机床中进行加工；

rPolish()表示打磨单元处理；

rCCD()表示视觉识别单元处理；

rSorting()表示分拣入库处理。

在本实施例中，用多片89c51单片机来模拟ABB机器人的操作，用多片89C51单片机来模拟PLC，使得ABB机器人与多台PLC之间能够互联互通，协同工作，完成自动流水线的仓库取件、数控加工、来回换刀或者夹具等等操作。本实施例利用单片机成本低、易于编程操作的优势，通过多个单片机的配合操作实现生产线系统运行，从而减低系统设备的总成本。

本发明实施例提供一种智能生产线仿真系统，所述智能生产线仿真系统由上述智能生产线仿真方法构建而成，包括工业机器人控制模块、PLC控制模块、工业机器人；所述工业机器人控制模块、所述PLC控制模块、所述工业机器人通过通讯线路互联；其中，通讯方式可以选择：网络、现场总线、RS485/RS232或者其他自定义的并行/串行口；

所述工业机器人控制模块，用于向所述PLC控制模块发送控制指令；

所述工业机器人，用于执行生产线加工步骤；其中，工业机器人通过自身的指令接口向其他工业机器人或者PLC发送指令，同时还通过自身反馈子模块接收指令或者数据；

所述PLC控制模块包括运动控制模块、工具更换控制模块、执行模块；

所述运动控制模块，用于与所述工业机器人控制模块协同控制工业机器人到达生产线的指定位置；

所述工具更换控制模块，用于与所述工业机器人控制模块协同控制所述工业机器人选择工具；

所述执行模块，用于与所述工业机器人控制模块协同控制所述工业机器人选取加工零件，并对所述加工零件进行加工。

其中，所述工业机器人控制模块，包括控制处理子模块、指令及反馈的通讯子模块；所述PLC控制模块包括伺服、步进驱动器的速度和位置控制模块、指令及反馈的通讯子模块；

其中，所述智能生产线仿真系统还包括用于临时存放零件的仓储单元；每个仓位可存放一个零件，仓位托板可推出，方便工业机器人以不用方式取放零件；每个仓位均设置有传感器和指示灯，可检测当前仓位是否存放有零件并将状态显示出来。

在本实施例中，所述智能生产线仿真系统以单片机用核心，每个单片机可以仿真一个或者多个ABB机器人、一个或者多个PLC的控制。而ABB机器人控制模块为主控模块，控制整个工艺流程的运转，各个PLC子模块配合ABB机器人完成工艺流程，多ABB机器人之间、ABB机器人与多PLC之间以及多PLC之间不断的进行着数据交互。

本发明实施例的智能生产线仿真系统可用于课堂C语言、PLC或者ABB等机器人编程仿真辅助教学，也可以进行智能产线综合实训，使大家能够迅速的掌握智能产线的编码规则、通讯方式和方法，简单直接；并且还非常容易扩展，用同样的思路来搭建不同的智能产线，并动手实现。

优选地，所述执行模块包括：

数控加工模块，用于协同控制所述工业机器人将所述加工零件调配到数控机床中进行加工。

其中，所述数控加工模块可对零件表面指定位置进行雕刻加工，是应用平台的功能单元。

优选地，所述执行模块包括：

打磨加工模块，用于协同控制所述工业机器人对所述加工零件的表面进行打磨。

其中，打磨加工模块是完成对零件表面打磨过程中的工装治具，是应用平台的功能单元；打磨工位可准确定位零件并稳定夹持，是实现打磨加工的主要工位；旋转工位可在准确固定零件的同时带动零件实现180°沿其轴线旋转，方便切换打磨加工区域。

所述智能生产线仿真系统还包括：

所述摄像机，用于获取所述加工零件的图像；

所述图形计算机，用于对获取到的图像进行识别；

所述检测模块，用于控制所述摄像机获取图像并与所述图形计算机交互识别信息。

其中，所述检测模块可根据所述图形计算机的识别信息判断加工零件是否符合加工要求，并根据识别结果进行下一步骤。

所述执行模块还包括：

分拣入库模块，用于当检测完成后，根据检测到的标识信息控制所述工业机器人将所述加工零件分拣入库。

所述智能生产线仿真系统还包括：

传感器模块，用于采集生产环境信息并向所述工业机器人控制模块和所述PLC控制模块传输所述生产环境信息。

其中，涉及包括光电传感器、磁性开关、接近开关、对射传感器、金属传感器以及温湿度传感器、红外栅栏传感器、振动传感器等用控制器程序的Button按钮、Switch开关、LDR光敏电阻、SHT11温湿度传感器等来仿真。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能生产线仿真方法，其特征在于，包括：

利用控制器模拟工业机器人的编程控制以构建工业机器人控制模块，同时利用控制器模拟PLC的编程控制以构建PLC控制模块；

通过所述工业机器人控制模块与所述PLC控制模块相互通讯，以协同控制工业机器人到达生产线的指定位置；

协同控制所述工业机器人选择工具；以及

协同控制所述工业机器人，利用所述工具选取加工零件并对所述加工零件进行加工。

2.如权利要求1所述的智能生产线仿真方法，其特征在于，所述通过所述工业机器人控制模块与所述PLC控制模块相互通讯，以协同控制工业机器人到达生产线的指定位置，具体为：

所述工业机器人控制模块向所述PLC控制模块发送位置指令和速度指令；

接收指令后的PLC控制模块控制电机，将所述工业机器人以指定速度送到指定位置。

3.如权利要求1所述的智能生产线仿真方法，其特征在于，所述协同控制所述工业机器人选取加工零件，具体为：

所述工业机器人控制模块向所述PLC控制模块发送取件请求指令；

接收所述取件请求指令后的PLC控制模块锁定加工零件；

所述PLC控制模块向所述工业机器人控制模块反馈信息以控制所述工业机器人完成取件。

4.如权利要求1所述的智能生产线仿真方法，其特征在于，所述协同控制所述工业机器人，利用所述工具选取加工零件并对所述加工零件进行加工，还包括：

协同控制所述工业机器人将所述加工零件调配到数控机床中进行加工。

5.如权利要求1所述的智能生产线仿真方法，其特征在于，所述协同控制所述工业机器人，利用所述工具选取加工零件并对所述加工零件进行加工，还包括：

协同控制所述工业机器人对所述加工零件的表面进行打磨。

6.如权利要求1所述的智能生产线仿真方法，其特征在于，在加工完成后，还包括：

获取加工完成件的图像并利用图形计算机对所述图像进行检测。

7.如权利要求6所述的智能生产线仿真方法，其特征在于，还包括：

当检测完成后，根据检测到的标识信息控制所述工业机器人将所述加工零件分拣入库。

8.一种智能生产线仿真系统，其特征在于，包括工业机器人控制模块、PLC控制模块、工业机器人；所述工业机器人控制模块、所述PLC控制模块、所述工业机器人通过通讯线路互联；

所述工业机器人控制模块，用于向所述PLC控制模块发送控制指令；

所述工业机器人，用于执行生产线加工步骤；

所述PLC控制模块包括运动控制模块、工具更换控制模块、执行模块；

所述运动控制模块，用于与所述工业机器人控制模块协同控制工业机器人到达生产线的指定位置；

所述工具更换控制模块，用于与所述工业机器人控制模块协同控制所述工业机器人选择工具；

所述执行模块，用于与所述工业机器人控制模块协同控制所述工业机器人选取加工零件，并对所述加工零件进行加工。

9.如权利要求8所述的智能生产线仿真系统，其特征在于，还包括图形计算机、摄像机；所述PLC控制模块还包括检测模块；

所述摄像机，用于获取所述加工零件的图像；

所述图形计算机，用于对获取到的图像进行识别；

所述检测模块，用于控制所述摄像机获取图像并与所述图形计算机交互识别信息。

10.如权利要求8所述的智能生产线仿真系统，其特征在于，还包括：

传感器模块，用于采集生产环境信息并向所述工业机器人控制模块和所述PLC控制模块传输所述生产环境信息。