線束自動(dòng)包縛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吉建佳，王慧藝，佘曉磊

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418）

1 引言

線束制造過程從裁剪、壓接、送線、插植、纏帶自動(dòng)化程度依次降低，其中纏帶幾乎為0。目前國內(nèi)外對(duì)線束的研究主要集中在裁剪、壓接、送線、插植[1]等加工工序，所以這些工序基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而纏帶工序研究較少，只有一些院校做出研究，文獻(xiàn)[2-3]在理論上研究了繞帶的過程，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)并分析了線束綁扎裝置，文獻(xiàn)[5]對(duì)布帶纏繞機(jī)關(guān)鍵技術(shù)做出綜合性研究。該控制系統(tǒng)引用目前較為先進(jìn)的機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)，配合已經(jīng)發(fā)展成熟的控制器[6]，設(shè)計(jì)出為汽車線束包縛膠帶自動(dòng)化設(shè)備的控制系統(tǒng)，為線束加工中的纏帶工序自動(dòng)化發(fā)展起到推動(dòng)作用。

2 線束自動(dòng)包縛機(jī)的概述

2.1 包縛機(jī)的組成

全自動(dòng)線束包縛機(jī)由包縛頭和機(jī)架組成，其中機(jī)架的整體示意圖，如圖1所示。而包縛頭部分沒有給出圖形。吊桿上模組和包覆頭沒有在圖中表示。包縛頭主要用于將不同類型的膠布綁扎到線束外表；包縛頭固定在包縛頭吊桿上的模組上，可以實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。機(jī)架作為整個(gè)設(shè)備的工作平臺(tái)，其包括活動(dòng)臺(tái)架3、橫向同步帶模組6和16、縱向同步帶模組7、四向分度定位盤9、蝸輪蝸桿減速器11和步進(jìn)電機(jī)等。其中活動(dòng)臺(tái)架3的活動(dòng)臺(tái)面1上會(huì)安置多個(gè)卡槽用于固定汽車線束，汽車線束會(huì)按照?qǐng)D2所示固定在活動(dòng)臺(tái)面1上。

圖1 全自動(dòng)線束纏帶機(jī)示意圖Fig.1 Automatic Wire Wrapping Machine Diagram

圖2 汽車線束分支圖Fig.2 Branch Diagram for Automotive Wiring Harness

2.2 包縛機(jī)的工作流程

線束纏帶機(jī)是為一定規(guī)格的汽車線束包縛一層保護(hù)膠布的自動(dòng)化裝置。自動(dòng)檢測(cè)線束的端點(diǎn)和交叉點(diǎn)；對(duì)膠帶剩余量進(jìn)行監(jiān)控，膠帶用完自動(dòng)停止包扎，并運(yùn)動(dòng)到換膠帶出自動(dòng)換膠帶。線束包縛機(jī)的工作過程大致如下：（1）將汽車線束固定在活動(dòng)臺(tái)面上，攝像頭開始拍照采取線束坐標(biāo)點(diǎn)，打開電源，按下PC軟件上回原點(diǎn)按鍵，完成初始位置回歸。（2）PC獲取圖片，經(jīng)過圖像處理得到坐標(biāo)信息。（3）在上位機(jī)軟件上為PLC中電機(jī)運(yùn)行的最高速度、基底速度、加速時(shí)間、減速時(shí)間、原點(diǎn)回歸速度、爬行速度設(shè)值，并設(shè)置通信參數(shù)。（4）打開通信，將第三步設(shè)置的參數(shù)和第二步獲得的坐標(biāo)參數(shù)一起發(fā)給PLC。（5）點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，向PLC發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，設(shè)備開始運(yùn)行。（6）運(yùn)行中途，膠布用完，傳感器向PLC發(fā)送立即停止信號(hào)，同時(shí)記錄當(dāng)前停止位置，然后執(zhí)行取膠布指令。（7）取完膠布，回到停止位置繼續(xù)運(yùn)行，直到一根線束綁扎完，并自動(dòng)回原點(diǎn)，等待包縛下一根線束。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

線束自動(dòng)包縛設(shè)備的控制系統(tǒng)由檢測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。整個(gè)控制系統(tǒng)硬件框圖，如圖3所示。工業(yè)相機(jī)采集目標(biāo)圖像，并將圖片傳送給工業(yè)計(jì)算機(jī)，工業(yè)計(jì)算機(jī)完成圖像處理后生成路徑規(guī)劃信息傳送到PLC控制器上，由PLC控制驅(qū)動(dòng)器和電磁閥來控制電機(jī)和氣缸的動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)的位置信息由傳感器反饋給PLC。

圖3 控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.3 Control System Block Diagram

3.1 檢測(cè)裝置

本系統(tǒng)采用工業(yè)相機(jī)的檢測(cè)裝置由以下組成：工業(yè)相機(jī)（包括CMOS圖像傳感器和驅(qū)動(dòng)器）、光源、固定支架、電源等電路系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 工業(yè)相機(jī)檢測(cè)裝置原理框圖Fig.4 Industrial Camera Detector Schematic Diagram

3.2 通信系統(tǒng)

上位機(jī)與下位機(jī)通信主要有三部分組成：工業(yè)計(jì)算機(jī)、FX3U-422-BD通信模塊、USB-SC09-FX電纜、三菱FX3U系列的PLC。在工業(yè)通信領(lǐng)域中，RS-422通信方式運(yùn)用相當(dāng)廣泛，因?yàn)樗垢蓴_能力強(qiáng)、反應(yīng)時(shí)間較短、又可傳輸較遠(yuǎn)的距離。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。采用了FX3U系列PLC自帶的RS-422-BD來實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC參數(shù)的讀取、寫入、監(jiān)控和控制。

4 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)企業(yè)要求和線束加工生產(chǎn)線的控制要求，主要下位機(jī)控制器以日本品牌為主，如PLC控制器、擴(kuò)展模塊、氣缸等，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和性能穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，為了對(duì)設(shè)備的維護(hù)和調(diào)試方便，盡量使用與企業(yè)現(xiàn)有自動(dòng)化設(shè)備所搭載硬件品牌一致。

4.1 控制器選型

上位機(jī)選用工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的主控，其性能必須滿足控制要求，應(yīng)配5個(gè)USB2.0接口、4個(gè)COM口、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等。下位機(jī)用PLC控制執(zhí)行系統(tǒng)，其性能應(yīng)該能適應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)作要求。選擇三菱FX3U-128MT-ES-A主單元，其分別包含了64個(gè)輸入和輸出點(diǎn)，其中含有3路脈沖輸出端。為了滿足控制要求選用2個(gè)FX2N-5A特殊功能模塊，共有8路模擬量輸入和2路模擬量輸出。為了適應(yīng)控制軸數(shù)量要求增加2個(gè)FX2N-1PG-E定位模塊。由于PLC主機(jī)是晶體管輸出型，無法輸出開關(guān)量控制系統(tǒng)中的電磁閥，所以外掛2個(gè)FX2N-16EYR繼電器輸出擴(kuò)展模塊。

法國邁特羅芝集團(tuán)（metrologic group）成立于1980年，是專業(yè)制造檢測(cè)系統(tǒng)及服務(wù)的公司。主要業(yè)務(wù)范圍包含：裝備或者改造三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（MMT），在線檢測(cè)系統(tǒng)供應(yīng)、培訓(xùn)、維護(hù)及校準(zhǔn)MMT。目前，其銷售網(wǎng)絡(luò)遍布全球17個(gè)國家和地區(qū)，并在美國、德國及意大利建立有分公司。客戶是汽車及航空制造集團(tuán)及其供應(yīng)商，3D測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)器制造生產(chǎn)商。

4.2 輸入組件

上位機(jī)輸入組要有工業(yè)相機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)等，工業(yè)相機(jī)用于檢測(cè)坐標(biāo)，為控制系統(tǒng)提供控制對(duì)象的參數(shù)；鍵盤和鼠標(biāo)便于人機(jī)交互。下位機(jī)系統(tǒng)的輸入組件件主要由磁性開關(guān)、拉線位移傳感器、電子尺、壓力傳感器、限位開關(guān)等組成。其中：48個(gè)磁性開關(guān)用于每個(gè)氣缸上限位；2個(gè)拉線位移傳感器用于檢測(cè)2個(gè)模組上實(shí)際位移；2個(gè)電子尺用于檢測(cè)2模組上實(shí)際位移；3個(gè)壓力傳感器用于檢測(cè)氣路的實(shí)際壓力；8個(gè)限位開關(guān)，用于4個(gè)模組上控制行程范圍，起到保護(hù)模組和步進(jìn)電機(jī)的作用；8個(gè)磁性開關(guān)用于模組上的近點(diǎn)信號(hào)和原點(diǎn)信號(hào)；還有一些按鈕開關(guān)用于起停和急停等作用。

4.3 輸出組件

輸出組件主要以下位機(jī)控制系統(tǒng)為主，主要有步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電磁閥、電控減壓閥等組件。其中：9個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源；24個(gè)電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸；一個(gè)電控減壓閥保存氣路的氣壓穩(wěn)定。

5 電氣設(shè)計(jì)

5.1 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要以下位機(jī)PLC控制執(zhí)行器電路為主，根據(jù)包縛機(jī)的工作流程，可以發(fā)現(xiàn)PLC控制器件動(dòng)作時(shí)，有些器件與器件之間不可能同時(shí)運(yùn)行，因此將其分組，接線可以將不同時(shí)工作的器件接到PLC同一個(gè)I/O端子。采用多路復(fù)用的方法，充分利用PLC有限的I/O端子，減少擴(kuò)展，節(jié)約成本，是一種值得推廣的設(shè)計(jì)思想。PLC基本單元與各模塊連接及輸入輸出和站號(hào)的分配，所有執(zhí)行器件與控制器的連接情況，如圖5所示。

依據(jù)包縛2種膠帶的情況，將吊桿前后包縛組分成2組，其中包括步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、氣缸、電磁閥、磁性開關(guān)等。因?yàn)?組上的所有控制器件不可能同時(shí)工作，所以控制電路使用多路復(fù)用方法，將2組對(duì)應(yīng)器件共用控制器同一個(gè)端口。

圖5 PLC模塊與器件連接框圖Fig.5 The Connection Diagram of PLC Module and Device

5.2 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

將系統(tǒng)氣路分成三組，其中前后包縛組各為一組，工作臺(tái)面上固定叉為一組；通過電控減壓閥控制空氣壓塑機(jī)輸出氣壓，使用氣管三通接頭分成三路輸出，各路氣壓由壓力傳感器控制輸送到各氣缸。

6 軟件設(shè)計(jì)

6.1 程序結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)程序采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，將不同功能程序設(shè)計(jì)為模塊，程序結(jié)構(gòu)條理清晰，便于維護(hù)和調(diào)試。將整個(gè)系統(tǒng)程序劃分成上位機(jī)程序和下位機(jī)程序，上位機(jī)主要職能是獲取圖片并分析出參數(shù)，然后與下位機(jī)通信傳輸實(shí)際參數(shù)用于PLC控制器件執(zhí)行動(dòng)作；下位機(jī)采用PLC控制執(zhí)行系統(tǒng)完成線束包縛任務(wù)，同時(shí)將工作狀態(tài)反饋給上位機(jī)，便于監(jiān)控管理。

6.2 通信程序的設(shè)計(jì)

三菱公司提供了MXComponent組件[7]，它支持PLC和工業(yè)計(jì)算機(jī)的所有通信路徑，它可以在不需要知道復(fù)雜的通信協(xié)議的情況下實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC的通信，因此也提高了系統(tǒng)開發(fā)成本和效率。

由于三菱PLC自帶的編程口采用的是FX3U-422-BD通信模塊，所以上位機(jī)調(diào)用的ACT控件時(shí)，選擇通用的ActProgType控件。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通信的開發(fā)流程圖，如圖6所示。

其中數(shù)據(jù)寄存器D和輔助寄電器M都屬于PLC的內(nèi)部軟元件。數(shù)據(jù)寄存器D是PLC內(nèi)部字軟元件，主要用于存放PLC端運(yùn)行所需的參數(shù)；輔助繼電器M是PLC內(nèi)部位軟元件，類似于繼電器控制線路中的中間繼電器，但不能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，它在程序中起到信號(hào)傳遞和邏輯控制作用。

圖6 通信程序流程圖Fig.6 Program Block Diagram for the Communication

6.2 .1通信初始化

在通信時(shí)，需要我們先調(diào)用ACT控件，在程序運(yùn)行前對(duì)程序初始化設(shè)置，其主要用于設(shè)置一些通信方式、設(shè)備型號(hào)、端口號(hào)等參數(shù)。上位機(jī)要與三菱PLC進(jìn)行通信，就需要對(duì)其屬性設(shè)置，所用到的ActProgType屬性，如表1所示。

表1 ActProgType屬性表Tab.1 The Property of ActProgType

圖7 FX參數(shù)設(shè)置Fig.7 FX Parameter Setup

要想實(shí)現(xiàn)PC與PLC通信，不僅上位機(jī)要設(shè)置通信，還要將PLC的通信參數(shù)設(shè)置與上位機(jī)一致，才可以完成上下位機(jī)間通信任務(wù)。在GX Works2軟件編寫梯形圖程序，并在PLC參數(shù)欄進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，對(duì)三菱FX系列PLC參數(shù)設(shè)置，如圖7所示。

6.2 .2通信調(diào)試

利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的三菱FX3U-16MT為基礎(chǔ)調(diào)試通信程序的效果，搭建一個(gè)單軸控制系統(tǒng)，如圖8所示。本次調(diào)試程序軟件，如圖9所示。本次實(shí)驗(yàn)使用Y000脈沖輸出控制一軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)條件采用PLC中的輔助繼電器M狀態(tài)改變的方式實(shí)現(xiàn)，當(dāng)軟件上按鈕觸發(fā)時(shí)，程序就會(huì)向PLC發(fā)出改變輔助繼電器M狀態(tài)的命令，然后執(zhí)行驅(qū)動(dòng)。

輔助繼電器是用軟件實(shí)現(xiàn)的，它們不能接收外部的輸入信號(hào)，也不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，是一種內(nèi)部的狀態(tài)標(biāo)志，相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的中間繼電器。使用軟件方式控制器件運(yùn)行，便于工作人員調(diào)試和維護(hù)，也節(jié)約運(yùn)行成本，這種方法的實(shí)現(xiàn)，具有推廣價(jià)值。

圖8 通信實(shí)現(xiàn)的實(shí)物運(yùn)行圖Fig.8 The Diagram of Object Operation to Finish Communication

圖9 調(diào)試程序軟件Fig.9 The Software of Shakedown Test

7 結(jié)論

（1）為線束自動(dòng)包扎膠帶設(shè)備設(shè)計(jì)一種控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以適應(yīng)寬膠帶或窄膠帶對(duì)汽車線束進(jìn)行包縛，滿足企業(yè)的包縛率要求。（2）給該控制系統(tǒng)所需的硬件進(jìn)行選型，并合理地搭配控制電路和氣動(dòng)回路，便于自動(dòng)化設(shè)備的裝配運(yùn)行。（3）利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，完成上位機(jī)與下位機(jī)的通信，證明了該控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，值得推廣。

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