基于PLC的鎖螺絲自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王月芹，周保廷，朱偉博

WANG Yue-qin1, ZHOU Bao-ting2, ZHU Wei-bo3

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215104；2.蘇州匯川技術(shù)有限公司，蘇州 215100；3.蘇州自動化設(shè)備有限公司，蘇州 215100)

0 引言

在現(xiàn)代化生產(chǎn)流水線中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用，所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況，利用外加的設(shè)備或裝置，使生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行[1]。單相國網(wǎng)表生產(chǎn)流水線中，表電壓接線端子上需8個(gè)鎖螺絲，傳統(tǒng)方式是依靠人工進(jìn)行手動鎖螺絲，一方面嚴(yán)重影響了企業(yè)的產(chǎn)能，另一方面造成了不良產(chǎn)品的漏檢。企業(yè)要降低成本提高生產(chǎn)效率，急需研制出一臺機(jī)械自動鎖螺絲機(jī)。本文設(shè)計(jì)了基于可編程控制器(PLC)的自動鎖螺絲控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了視覺定位、伺服驅(qū)動和人機(jī)交互等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了表電壓接線端子自動鎖螺絲的控制功能。解決了現(xiàn)有生產(chǎn)線自動化程度低的問題，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

1 自動鎖螺絲機(jī)概述

自動鎖螺絲機(jī)是單相國網(wǎng)表自動化生產(chǎn)流水線中表電壓接線端子鎖螺絲自動化裝置。本系統(tǒng)具有單表自動上料，通過CCD對螺絲孔的視覺定位，找準(zhǔn)相應(yīng)螺絲孔中心位置，驅(qū)動鎖螺絲單元，按設(shè)定的扭力鎖螺絲，自動安裝入表中所有螺絲，安裝完畢，自動出料流至下道工序。

系統(tǒng)技術(shù)要求：正常情況下，鎖螺絲速度控制每5～6秒完成一個(gè)螺絲的鎖定。并且鎖螺絲的不成功率小于0.5%；系統(tǒng)具有視覺定位異常報(bào)警、浮鎖報(bào)警、螺絲滑鎖報(bào)警、搬運(yùn)不到位報(bào)警，螺絲缺料報(bào)警，螺絲長度不合格報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)置八個(gè)工位：一個(gè)上料區(qū)、一個(gè)視覺定位區(qū)、四個(gè)鎖螺絲區(qū)、一個(gè)下料區(qū)和預(yù)留一個(gè)工位。八工位定位采用八工位分割器構(gòu)成的分度轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，在所有工位都完成后給出一個(gè)工位切換信號，八工位分割器切換一個(gè)工位，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

自動鎖螺絲機(jī)動作流程分析如下：

1）上料工位

傳送帶將電表帶入上料區(qū)，導(dǎo)正氣缸將電表導(dǎo)正，上料傳感器檢測到電表到位，啟動上料機(jī)械手，伺服驅(qū)動運(yùn)行到位，升降氣缸下降到位，夾爪氣缸抓取電表，升降氣缸上升到位，伺服驅(qū)動運(yùn)行到上料工位，升降氣缸升降氣缸下降到位，準(zhǔn)確放入到上料工位。完成上料功能。如果有異常要發(fā)出搬運(yùn)不到位報(bào)警。

2）視覺定位工位

視覺定位區(qū)采用日本松下CCD視覺定位圖像識別，負(fù)責(zé)對工位上電表所需鎖螺絲位置進(jìn)行定位，并判斷8個(gè)鎖螺絲位和有無鎖螺絲，并將信號數(shù)據(jù)保存，供后續(xù)的四個(gè)自動鎖螺絲定位。如發(fā)現(xiàn)信號異常，要發(fā)出視覺定位異常報(bào)警。

3）自動鎖螺絲1號工位

自動鎖螺絲區(qū)根據(jù)上工位的視覺定位信號，由鎖螺絲機(jī)械手自動鎖螺絲。每個(gè)電表上需要鎖8個(gè)螺絲，四個(gè)自動鎖螺絲工位各負(fù)責(zé)自動鎖兩螺絲。自動鎖螺絲1號工位負(fù)責(zé)鎖1、2號螺絲。得到打螺絲驅(qū)動信號后，先驅(qū)動鎖1號螺絲，再驅(qū)動鎖2號螺絲。自動鎖螺絲狀態(tài)下，鎖螺絲機(jī)械手的伺服被驅(qū)動，運(yùn)行到1號打螺絲位，氣缸下降，下降到位，補(bǔ)充螺絲到位，驅(qū)動電批，電批低速反轉(zhuǎn)定心，然后快速正轉(zhuǎn)，確保上緊到位，扭力達(dá)標(biāo)，保證鎖螺絲質(zhì)量。如果發(fā)現(xiàn)鎖螺絲到位信號或扭力信號有異常，說明沒有鎖到位或出現(xiàn)滑絲，則要保存信號，告知下料時(shí)，將此產(chǎn)品放入到次品區(qū)。同時(shí)要發(fā)出浮鎖報(bào)警和螺絲滑鎖報(bào)警。如果螺絲不匹配，要發(fā)出螺絲長度不合格報(bào)警。

4）自動鎖螺絲2號工位

動作流程同上。負(fù)責(zé)鎖3、4號螺絲。

5）自動鎖螺絲3號工位

動作流程同上。負(fù)責(zé)鎖5、6號螺絲。

6）自動鎖螺絲4號工位

動作流程同上。負(fù)責(zé)鎖7、8號螺絲。

7）下料工位

下料信號驅(qū)動后，伺服驅(qū)動運(yùn)行到下料區(qū)，準(zhǔn)確定位，機(jī)械手上的升降氣缸下降到位，夾爪氣缸抓取電表，升降氣缸上升到位，伺服驅(qū)動運(yùn)行到位，升降氣缸下降到位，準(zhǔn)確放入傳送帶。下料機(jī)械手根據(jù)正品和次品的判斷分別放入不同的位置，如果是正品將放入傳送帶，出料流至下一個(gè)工位，如果是次品將放入次品托盤中。

圖1 自動鎖螺絲機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

自動鎖螺絲機(jī)控制系統(tǒng)主要由 PLC、CCD視覺定位、六個(gè)伺服、十個(gè)氣缸、傳感器、觸摸屏等組成。其硬件組成，如圖2所示。

1）通過分析自動鎖螺絲機(jī)的工藝流程，可以歸納出，系統(tǒng)對信號的處理集中為數(shù)字量的處理和伺服控制，估算系統(tǒng)需要處理的輸入輸出120多個(gè)點(diǎn)，PLC要驅(qū)動10個(gè)氣缸和6個(gè)伺服，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和系統(tǒng)控制信號的數(shù)量，選擇匯川H2U4040MTXP型，采用兩個(gè)PLC作為控制主機(jī)，每個(gè)PLC各有3個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)，通過輸出高速脈沖對伺服驅(qū)動器進(jìn)行控制可以控制六個(gè)伺服，脈沖的頻率、脈沖數(shù)及加減速時(shí)間可以改變伺服電機(jī)的速度和位置[2]。兩個(gè)PLC上配上CANlink通訊擴(kuò)展卡H2UCAN-BDCAN，這樣兩個(gè)PLC直接通過CANLINK進(jìn)行通信。PLC與伺服之間通過RS485連接，進(jìn)行MODBUS通信配置[3]，可快速讀寫與伺服的通信數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中上料機(jī)械手上升降氣缸和夾爪氣缸、下料機(jī)械手上升降氣缸和夾爪氣缸、四個(gè)自動鎖螺絲機(jī)械手升降氣缸、上料處產(chǎn)品導(dǎo)正氣缸和下料處次品區(qū)NG托盤氣缸組成了氣動控制系統(tǒng)。PLC通過控制電磁閥的通斷控制氣缸的正反向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)氣動系統(tǒng)的順序控制動作。兩個(gè)PLC的O/I表分別如表1和表2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2）視覺定位系統(tǒng)。CCD圖像傳感器是一種半導(dǎo)體器件，CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。作為光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器，以其靈敏度高，動態(tài)范圍大，體積小，分辨率高和采樣速度快等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代電子學(xué)和現(xiàn)代測試技術(shù)中最活躍的傳感器[4]。CCD視覺系統(tǒng)選擇松下WVCL934CH視覺定位相機(jī)，24小時(shí)自動后焦調(diào)整功能，確保全天候獲取精確識別所必須的清晰圖像；通過提高監(jiān)控效率降低操作成本。日夜監(jiān)控功能的超高靈敏度：F1.4時(shí)，彩色模式0.09Lux，黑白模式0.008Lux。紅外剖切濾波器自動開關(guān)和根據(jù)彩色/黑白模式開關(guān)，ABF(自動后焦調(diào)節(jié))再調(diào)節(jié)后焦，以確保彩色和黑白圖像的質(zhì)量。根據(jù)將CCD圖像傳感器固定在視覺定位區(qū)，通過RS232與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接。

3）監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)對人機(jī)界面的功能要求，選擇匯川觸摸屏，此人機(jī)界面能與主控 PLC實(shí)時(shí)通訊，顯示系統(tǒng)寄存器狀態(tài)和數(shù)值，具有豐富的功能鍵盤，和報(bào)警列表功能，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前報(bào)警信息，并且具有很高的性價(jià)比。

4）伺服控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)要求采用直線滑塊高精度螺旋絲桿及伺服馬達(dá)，確保重復(fù)精度0.02毫米。所以選擇多摩川TA8481-N0000伺服驅(qū)動器和TS4603-N1680-E200伺服電機(jī)。伺服驅(qū)動器工作在位置控制模式時(shí)，速度和位置取決于接收到的高速脈沖的個(gè)數(shù)和頻率，脈沖的個(gè)數(shù)決定伺服電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，脈沖的頻率決定伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。伺服驅(qū)動器采用位置控制模式，通過自帶的CN1端口與PLC連接，接收 PLC輸出使能信號，高速脈沖和方向指令，同時(shí)向PLC輸入伺服驅(qū)動器狀態(tài)，CN2端口與伺服電機(jī)光電編碼器相連獲得伺服電機(jī)實(shí)時(shí)位置。滿足系統(tǒng)的精度要求。

5）系統(tǒng)氣動控制系統(tǒng)。上料機(jī)械手上升降氣缸和夾爪氣缸、下料機(jī)械手上升降氣缸和夾爪氣缸、四個(gè)自動鎖螺絲電批升降氣缸、上料處產(chǎn)品導(dǎo)正氣缸和下料處次品區(qū)NG托盤氣缸。其中下料處次品區(qū)NG托盤氣缸為由一個(gè)單電控的電磁閥控制，其他的都是由雙電控電磁閥控制。系統(tǒng)氣動原理圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由PLC程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)兩部分組成。

PLC程序設(shè)計(jì)：PLC程序設(shè)計(jì)是核心，系統(tǒng)PLC程序由一個(gè)主程序和5個(gè)子程序組成。5個(gè)子程序分別是子程序1四個(gè)自動鎖螺絲定位控制程序，子程序2上料傳送帶自動程序，子程序3上料伺服自動程序，子程序4收料伺服自動程序，子程序5收料傳送帶程序。主程序是核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和CCD數(shù)據(jù)采集，負(fù)責(zé)系統(tǒng)子程序調(diào)用，負(fù)責(zé)與HIM的數(shù)據(jù)交換。程序較長，這里略。

圖3 系統(tǒng)電氣原理圖

表1 PLC1的I/O表

表2 PLC2的I/O表

在自動鎖螺絲程序中，先讀取CCD數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)格式（起始符），1，Y1a，Y1b,1，Y2a，Y2b,1，Y3a，Y3b,1，Y4a，Y4b,1，Y5a，Y5b,1，Y6a，Y6b,1，Y7a，Y7b,1，Y8a，Y8b,(結(jié)束符)。其中：1代表有無螺絲（1為無螺絲，0為有螺絲），Y1a～Y8a代表無螺絲的Y軸坐標(biāo)，Y1b～Y8b代表有螺絲的Y軸坐標(biāo)，數(shù)據(jù)三個(gè)為一組，當(dāng)無螺絲時(shí)坐標(biāo)取Y1a～Y8a中的數(shù)，當(dāng)有螺絲時(shí)坐標(biāo)取Y1b～Y8b中的數(shù)。系統(tǒng)根據(jù)CCD圖像傳感器所檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動螺絲位的定位控制。先讀取CCD數(shù)據(jù)依次判斷有無螺絲，如有則進(jìn)行下一個(gè)螺絲的判斷，如果無則啟動自動打螺絲程序，進(jìn)行自動打1#螺絲程序根據(jù)控制流程如圖4所示。

圖4 1#螺絲自動控制流程

人機(jī)界面系統(tǒng)：主要功能包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面、伺服參數(shù)設(shè)置界面、I/O狀態(tài)監(jiān)控界面、系統(tǒng)報(bào)警界面、故障記錄查詢界面等。人機(jī)界面的編程軟件采用匯川HIM專用軟件InoTouch Editor，HIM與PLC編程口直接相連實(shí)現(xiàn)通訊。主菜單和參數(shù)界面（其他菜單略）如圖5所示。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)人機(jī)界面

圖6 自動鎖螺絲機(jī)照片

4 結(jié)束語

本設(shè)備已成功用于實(shí)際生產(chǎn)。經(jīng)過運(yùn)行觀察，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)自動鎖螺絲控制系統(tǒng)的開發(fā)，能夠滿足自動鎖螺絲機(jī)構(gòu)和功能的要求，同時(shí)具有人機(jī)界面友好、維護(hù)方便、系統(tǒng)操作簡便，對工人零要求，并方便企業(yè)查詢數(shù)據(jù)，成本投入低的優(yōu)點(diǎn)。對單相國網(wǎng)表成品的生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有較好的推廣價(jià)值。

[1]胡壽松.自動控制原理[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[2]匯川公司H2U系列PLC軟、硬件手冊[M].2013.

[3]胡文翔,蔡政,郭偉瑋,等.面向RS-485控制網(wǎng)絡(luò)的Modbus協(xié)議擴(kuò)展及應(yīng)用[J].自動化儀表.2013；4(34):59-62.

[4]王士紳,隋修寶,陳錢,顧國華.高速高清CCD自適應(yīng)相關(guān)雙采樣技術(shù)[J].紅外與激光工程.2014；1(34):155-159.