工业机器人起源于二十世纪五十年代，在二十世纪九十年代得到快速发展，是目前最先产业化的机器人技术。分拣机器人，是一种具备了传感器技术、物镜技术和电子光学系统的机器人，经过系统设置可以快速进行货物分拣。这种分拣技术综合了计算机技术、控制论、机构学、信息学和传感技术以及人工智能等多学科交叉而形成发展的高新技术。
智能制造作为最新一代信息通信技术系统与制造技术系统融合发展的产物，代表着先进制造技术系统发展的主要方向，工业机器人是将实现智能制造系统的一类重要而特殊的载体。智能制造技术与工业机器人技术不仅会促进制造业发展，也将促进制造新业态的诞生。
工业机器人作为一种新型劳动力，正悄然改变着制造业的用工模式，随着人口红利的消退、制造业回归和再工业化的发展，工业机器人技术相关人才培养已经成为当今炙手可热的人才培养方向，以人为主的生产模式正逐渐向以机器人为主的创新驱动模式的转变[2]。
人工智能技术主要是以信息技术、通信技术、自动化技术与制造产业技术为核心交叉而融合在一起基础，实现跨企业产品生产价值网络的横向集成，最终贯穿企业现场层、设备层、控制层、管理层的综合纵向集成以及从产品设计开发、生产计划到售后服务全生命周期的工程数字化集成。
1 搬运机器人控制系统的研究
搬运机器人控制系统主要是由智能视觉系统、托盘自动化生产线、工业机器人、AGV小车机器人、工件礼品盒、立体仓库等几个部分组成。如图1所示
图1 控制系统功能图
搬运机器人自动化控制系统主要工作的目的是AGV小车机器人将已经从立体自动化仓库上取出的系统工件，搬运到托盘流水线上，智能视觉系统对托盘流水线中的工件物体进行拍照识别，最后礼品工件盒由工业机器人抓取盒分类装箱，图2是需要分拣的工件
图2 需要分拣的工件
如图3所示，每个托盘上可放1-3个工件盒，在托盘的有效区域内(托盘两侧设计有档条，两个档条中间为工件放置有效区)；
图3 分拣工件放置托盘中的状态
如图4所示，托盘进入工件检测位置，智能相机可对托盘中的工件种类和坐标进行提取和数据处理[3]，以便将数据提供给工业机器人进行抓取和产品识别。
图4 视觉系统检测位置
图5为工件盒平面图，每个工件盒有8格，每格可放1-2层，最多放16个件，工件盒生产线最多放置3个工件盒。
图5 工件盒位置摆放及小格编号
2 搬运机器人自动分拣系统的硬件分析
2.1 生产流水线
图6 流水线
托盘流水线采用倍速链，共设6个托盘工位。1，2，4，6处设有检测托盘有无传感器。托托盘流水线采用倍速链，共设6个托盘工位。1，2，4，6处设有检测托盘有无传感器。其中1号工位为机器人抓取工位；4号工位——视觉检测工位；6号工位——入口工位(与AGV小车交互工位)
如图6所示流水线主要目的是由工业机器人将托盘中的物品工件通过真空吸盘吸住再放到相应物品盒中。流水线主要负责把物品托盘输送到视觉检测系统工位，经视觉定位系统识别后输送到抓取系统工位。当全部取完货品托盘中的货物时，再由工业机器人机械手通过另一套真空吸盘将6个托盘吸放到空托盘存放的位置[4]。托盘流水线共设6个托盘工位，后端为智能小车装卸货物处，从前端开始分别定义为流水线工位为1、2、3、4、5、6号工位系统，在2 号和4号工位系统处装有止停气缸。在1、2 、4 、6工位系统处装有托盘有无检测传感器，从小车上过来的货品托盘，经传送机构传送到到托盘流水线，入口6号工位系统处设有托盘检测传感器。托盘依次排列，当4号位检测开关检测到有托盘时，气缸伸出，停止待待检测托盘。当控制系统上的所有货品卸完以后，空托盘将被机械手移载到空托盘存放处，空托盘存放处设有满位检测传感器，通常情况下，应通过计数的方法对空托盘数量进行管理，当发生差错或异常时，满位检测传感器接通，防止托盘堆放产生跌落。当发生报警信号时工作人员需把空托盘移走。
2.2 视觉系统
视觉系统安装于托盘流水线中，当托盘货物到视觉检测工位系统时，视觉系统对托盘内的货物进行视觉识别，并把识别的位置，形状等特征数据给到中央控制器和分拣机器人，由工业机器人根据最终存放的位置执行最终相应的动作。
光源源控制器分为SIC-242 及SIC-122 两种型号，内置两路可控光源输出，两路相机触发端，及五路相机数据输出端，AB 端子为RS485 通讯端口，两路光源手动调节开关，预留7 路站号选择。
光源控制的通讯指令：
写指令：10(MRGW)
地址： 数值：00 00 0000——关，0001——开00 01 PWM1 亮度值范围： 0000-00FF
00 02 PWM2 亮度值范围： 0000-00FF00 03 PWM3 亮度值范围： 0000-00FF
00 04 PWM4 亮度值范围： 0000-00FF
注：亮度值0000 为最暗，00FF 为最亮，超出范围的数值不处理，上电时各通道PWM 亮度值自动设置为半量程，即0080。光源控制器的跳冒接在内侧为通讯状态下。[5]
注意：灯在高亮度使用时会发热，长时间处于高温度下工作会减少灯的使用寿命，因此尽量不要在高亮度时长时间工作。
图7 视觉系统
PLC 控制光源亮度程序样例
控制第二路光源：
注解：
1) 接线：光源控制器的A、B 接到PLC 的A、B
2) 程序说明：
MRGW K1 K0 K1 D0 K2
K1：光源控制器站号K0：控制光源亮度的使能位D0：写入1 时使能MRGW K1 K2 K1 D1 K2
K1：光源控制器站号K2：控制第2 路光源亮度，若调节第1 路则将K2 改为K1D1：光源亮度范围0-255，将光源控制模式转换开关的右端两个针短接，即为ON 模式，此时光源亮度由旋钮来设置，上下两个旋钮分别控制第一路和第二路光源。使用通讯调节亮度将光源控制模式转换开关的左端两个针短接，即为OFF 模将光源控制模式转换开关的左端两个针短接，即为OFF 模式，此时由通讯设置光源亮度。
2.3 礼品盒流水线
图8 礼品盒流水线
礼品盒流水线为铝型材框架，上方采用板链输送。板链上方有定位元件，3个礼品盒固定在板链上不会滑动。采用步进电机驱动，运动精度高，可以进行双向运动。 板链输送带上安装有原点、极限行程开关，配合步进电机的运动，可以精确定位礼品盒具体位置。输送带上方还可安装对射式传感器，用于检测礼品盒位置。礼品盒流水线从左到右设为1-5工位系统，当前礼品盒处于2 3 4工位系统，定义为礼品盒A、B、C，机器人装载3号工位系统的礼品盒，即B礼品盒。若礼品盒内某一规定品种的格子已经装满，可以通过礼品盒的正反向双向运动更换工作礼品盒。
2.4 搬运机器人
如图9所示，搬运机器负责把视觉系统识别的信号坐标经过PLC转换存储，等到托盘到机器人搬运的工位系统时，调用搬运工位系统的物品数据，机器人根据坐标信号进行对物品的进行抓取。然后机器人根据物品的类型，对物品进行分类型摆放，或者针对性摆放到礼品盒流水线上的礼品盒中。
工业机器人放件系统是根据任务要求，对物品进行码放。首先，流水线上面的托盘到达视觉系统识别工位系统，视觉系统对托盘中礼品进行识别，PLC跟视觉系统进行通讯读取视觉系统没次识别的数据信息，[6]PLC进行对视觉系统识别的数据进行数据运算，转换成机器人坐标的信息，并将这些数据有顺序的保持到PLC中央处理器中，当托盘中经过流水线的传送到机器人搬运工位系统后，PLC将调用这个托盘中物品数据信息，并且根据托盘中物品类型的不同按照先后顺序进行抓取。放件的系统主要是根据工件类型的不同设计程序所放置的位置。
图9 搬运机器人
3 搬运工业机器人系统通讯
3.1 PLC与视觉系统的通讯设计
PLC与智能视觉系统通讯需要预先进行PLC的硬件地址的配置，本系统的单元名称为传送单元，PLC型号为西门子CPU215C。自动化立体仓库码垛机单元CPU1215C / EM221*2 /它的硬件地址配置如表一所示。
图10 plc与视觉通讯
PLC与视觉系统是采用TCP/IP modbus通讯方式，当物体在流水线上到达视觉系统识别工位系统时，PLC会给视觉系统一个信号，触发视觉系统对托盘中的物体进行视觉识别，PLC通过通讯的方式读取视觉系统识别的数据，从而进行转换，并保存。[7]设置参数如下：
PLC对视觉系统进行度操作
图11 PLC对视觉系统的设置参数
详细参数设置为：REQ与 Modbus TCP服务器之间的通信请求REQ 参数受到等级控制。这意味着只要设置了输入(REQ=true)，指令就会发送通信请求。其它客户端背景数据块的通信请求被阻止。在服务器进行响应或输出错误消息之前，对输入参数的更改不会生效。
如果在请求期间再次设置了参数REQ，此后将不会进行任何其它传输。
DISCONNECT通过该参数，可以控制与 Modbus 服务器建立和终止连接：0：建立与指定 IP地址和端口号的通信连接。1：断开通信连接。在终止连接的过程中，不执行任何其它功能。成功终止连接后，STATUS参数将输出值7003。而如果在建立连接的过程中设置了参数 REQ，将立即发送请求。
CONNECT_ID确定连接的唯一ID。指令“MB_CLIENT”和“MB_SERVER”的每个实例都必须指定一个唯一的连接ID。Modbus TCP服务器IP地址*中的八位字节。
3.2 PLC与工业机器人通讯
将分拣自动化控制系统中的PLC作为控制主体，工业机器人为自动化控制系统中PLC的一个控制模块，即工业机器人通过编写一个执行函数，最终执行自动化PLC的控制指令；控制系统中的PLC通过TCP/IPModbus总线协议的网口通讯与工业机器人进行通讯，实现对分拣系统的工业机器人的控制指令传输，所述分拣自动化控制系统PLC与工业机器人发送的控制指令以二进制、ASCII码的通讯格式传输数据；
工业机器人接收到分拣控制指令后，通过执行函数指令解析控制指令内容并执行指令动作，动作执行结束后给分拣自动化控制系统PLC反馈一个二进制数据信号；自动化分拣系统PLC接收到反馈信号后继续向工业机器人控制系统发送下一个控制指令，如果接收不到反馈信号的话，则PLC将处于等待状态，直至等待时间达到我们预先设定的告警时间阈值，进行故障告警。
3.3 系统的控制要求
1)工件的摆放要把8个空托盘机器人放入托盘收集处。
2)托盘进入托盘流水线的智能相机位置处，识别托盘中工件的种类、位置、角度等信息，并传送给PLC。
3)工业机器人抓取托盘流水线上的工件，并按照图12要求进行摆放，B工件盒同一小格叠放两层，且两层工件类型一样，A工件盒号和B工件盒单层摆放。
4)工业机器人摆放工件时，对应摆放工件的工件盒必须输送至工件盒生产线的8号工位系统。
5)由于工业机器人是按照相机模块已经按照图13智能相机工件信息及对应通信地址构建，相机程序中对应工件的通信地址一定要按照图13进行编写。
图12 工件摆放要求
图13 相机工件信息
3.4 系统的程序的实现
通过以下程序实现智能分拣
"CameraDataGet_DB"(BoxNo ：= 1，
TargetNo ：= #TargetNo，
TargetType => #TargetType);
IF "GVL".gbRst OR "FirstScan" THEN
#icnt1 ：= 1;
#icnt2 ：= 1;
#icnt3 ：= 1;
#icnt4 ：= 1;
#iPutArrayGridno1[1] ：= 12;
#iPutArrayGridno1[2] ：= 23;
#iPutArrayGridno1[3] ：= 26;
#iPutArrayGridno1[4] ：= 37;
#iPutArrayGridno2[1] ：= 21;
#iPutArrayGridno2[2] ：= 24;
#iPutArrayGridno2[3] ：= 35;
#iPutArrayGridno2[4] ：= 38;
#iPutArrayGridno3[1] ：= 11;
#iPutArrayGridno3[2] ：= 14;
#iPutArrayGridno3[3] ：= 25;
#iPutArrayGridno3[4] ：= 28;
#iPutArrayGridno4[1] ：= 17;
#iPutArrayGridno4[2] ：= 22;
#iPutArrayGridno4[3] ：= 27;
#iPutArrayGridno4[4] ：= 32;
END_IF;
IF (("DB_RbtState".bRbtDone1 AND NOT ("DB_RbtState".bRbtCatchNull1)) OR
("DB_RbtState".bRbtDone2 AND NOT ("DB_RbtState".bRbtCatchNull2)) OR
("DB_RbtState".bRbtDone3 AND NOT ("DB_RbtState".bRbtCatchNull3))) THEN
"CameraDataGet_DB"(BoxNo ：= 1，
TargetNo ：= #TargetNo - 1，
TargetType => #TargetType);
IF #TargetType = 1 THEN
#icnt1 ：= #icnt1 + 1;
ELSIF #TargetType = 2 THEN
#icnt2 ：= #icnt2 + 1;
ELSIF #TargetType=3 THEN
#icnt3 ：= #icnt3 + 1;
ELSE
#icnt4 ：= #icnt4 + 1;
END_IF;
END_IF;
IF #TargetType = 1 THEN
"GVL".giPutBoxNo ：= #iPutArrayGridno1[#icnt1] / 10;
"GVL".giPutGridNo ：= #iPutArrayGridno1[#icnt1] MOD 10;
ELSIF #TargetType = 2 THEN
"GVL".giPutBoxNo ：= #iPutArrayGridno2[#icnt2] / 10;
"GVL".giPutGridNo ：= #iPutArrayGridno2[#icnt2] MOD 10;
ELSIF #TargetType = 3 THEN
"GVL".giPutBoxNo ：= #iPutArrayGridno3[#icnt3] / 10;
"GVL".giPutGridNo ：= #iPutArrayGridno3[#icnt3] MOD 10;
ELSIF #TargetType = 4 THEN
"GVL".giPutBoxNo ：= #iPutArrayGridno4[#icnt4] / 10;
"GVL".giPutGridNo ：= #iPutArrayGridno4[#icnt4] MOD 10;
END_IF;
4 小结
本系统基于工业机器人技能大赛，modibus现场总线的PLC自动分拣输送系统的设计，通过采用构建现场总线控制网络，实现工业机器人、PLC对各节点设备的控制、配置及数据采集，减少了系统设计、安装、维护的工作量，提高了控制系统运行的可靠性。
目前该设备已经投入生产运行。从系统运行实践表明：该系统功能强大、安全可靠、操作灵活，为生产线的生产创造了明显的经济效益，并大大提高了生产效率、自动化生产水平和管理水平。
参考文献：
[1]王建，孙怀荣，杜艳丽.PLC实用技术(欧姆龙)[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2]萧蕴诗，吴继伟，许维胜.现场控制系统的研究应用现状与发展方向[J].微型电脑应用，2001，17(11)：5-7.
[3]王喜成，张振华，刘贤锋，等.公钥密码快速算法与实现技术[M].成都：电子科技大学出版社，2006.
[4]BERGE Jonas.过程控制现场总线[M].北京：清华大学出版社，2003.
[5]李广弟等.PLC基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.
[6]佟为明，林景波，李辉.基于DeviceNet现场总线的汽总装生产线控制系统[J].总线技术，2004，(2)：54.
[7]林景波.FA系统产品综合样本[Z].中国：欧姆龙(中国)有限公司，2006.
