電機定子自動上料檢測系統(tǒng)設(shè)計

郝曉東，田懷文，王佰輝

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電機定子自動上料檢測系統(tǒng)設(shè)計

郝曉東，田懷文，王佰輝

（西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610036）

為降低工人勞動強度、改善工作環(huán)境、避免工人生產(chǎn)事故，同時提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，研發(fā)電機定子自動上料檢測系統(tǒng)，以實現(xiàn)電機定子的自動上料以及檢測。在分析現(xiàn)有工作流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一套結(jié)合PLC、觸摸屏、工業(yè)機器人為一體的系統(tǒng)。通過分析工作流程以及現(xiàn)有的電機定子檢測方法，利用西門子SIMATIC Manager，雅馬哈VIP+編寫SFC控制程序和工業(yè)機器人控制程序，用威綸EasyBuilder Pro設(shè)計人機界面，結(jié)合現(xiàn)有插紙裝置，實現(xiàn)電機定子的自動上料和檢測。

PLC；觸摸屏；電機定子；工業(yè)機器人；SFC

電機定子槽絕緣紙插入是電機生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)。在目前生產(chǎn)中，發(fā)電機定子在前道工序加工完成后，將定子通過傳送帶送入指定位置，通過人工將發(fā)電機定子放入到定子槽絕緣紙插入機，等到絕緣紙插入完成后，再由人工搬離定子，這個過程人工的介入間隔時間長、工作效率低、工人的勞動強度較大。為降低工人勞動強度、改善工作環(huán)境、避免工人生產(chǎn)事故，同時提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，研發(fā)電機定子自動上料與檢測系統(tǒng)。

在工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機器人可以通過編程和調(diào)試，模仿人體的一些動作，實現(xiàn)固定的抓取、搬運物件或者操作工具，將工人從重復(fù)繁重的工作中解放出來[1]?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）具有可靠性高、功能完善、易學(xué)易用等優(yōu)點，這些優(yōu)點使得可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊,尤其是在一些具有大量開關(guān)量和少量模擬量的系統(tǒng)中[2]。工業(yè)觸摸屏在工業(yè)中也被稱作人機界面，具有人體感應(yīng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對于控制器的狀態(tài)顯示以及通信，使得操作人員對于整個自動化工作流程有更好的了解[3]。將機械、電氣、工業(yè)機器人、可編程控制器（PLC）和工業(yè)觸摸屏相結(jié)合，是現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展的趨勢[4]，這也是本文電機定子自動上料檢測系統(tǒng)的主要技術(shù)特色。

1 上料檢測系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)分析

針對圖1所示的某系列的發(fā)電機自制定子，自動上料系統(tǒng)能夠自動的將不同內(nèi)徑、外徑、高度的定子鐵芯搬運到定子槽絕緣紙插入機中，在插紙機工作完成后，根據(jù)插紙過程中傳感器的反饋，將合格品與次品分選存放，從而建立流水式的電機定子自動上料與檢測設(shè)備。

圖1 電機定子實物圖

根據(jù)上料和檢測功能需求及電機定子結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計的自動上料與檢測設(shè)備由六大部分構(gòu)成：旋轉(zhuǎn)料庫、定子升降裝置、搬運機器人、插紙機、檢測裝置和回收裝置，其三維模型如圖2所示[5]。

（1）旋轉(zhuǎn)料庫：旋轉(zhuǎn)料庫主要負(fù)責(zé)電機定子的裝入和定位。該裝置有六個工位，每個工位立柱上可以放置50個電機定子，將電機定子搬運到該裝置中，旋轉(zhuǎn)輪盤會將定子運送到升降裝置的上端，在升降裝置完成工序后，將下一個工位的定子運送到此處，依次進(jìn)行。

（2）定子升降裝置：定子升降裝置主要負(fù)責(zé)將旋轉(zhuǎn)料庫的定子送入到機器人取料位置。傳感器檢測到旋轉(zhuǎn)料庫到位后，經(jīng)氣動U形托架將該工位的電機定子抬升到機器人取料位置，在機器人將該工位頂端電機定子取走之后，繼續(xù)抬升，直至將該工位的定子全部取走。此時，升降裝置下落，等待下一個工位。

圖2 電機定子自動上料裝置SolidWorks三維建模

（3）搬運機器人：搬運機器人主要負(fù)責(zé)電機定子的抓取搬運。該機器人前端裝有旋轉(zhuǎn)機械爪[6]，可以同時實現(xiàn)在將升降裝置的電機定子搬運到插紙機構(gòu)的同時，將已完成插紙工序的電機定子搬離插紙機構(gòu)。

（4）插紙機：插紙機為現(xiàn)有設(shè)備，主要負(fù)責(zé)將絕緣紙插入到電機定子的插槽中，本文系統(tǒng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上結(jié)合了工業(yè)觸摸屏，可以時刻監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作狀況。

（5）檢測裝置：檢測裝置主要負(fù)責(zé)檢測插紙機構(gòu)在插紙過程中的漏插，錯插。該裝置在電機定子放置到插紙機構(gòu)后，伸出到達(dá)定子上方，由探頭與電機定子插紙后上端凸起的接觸來判斷該位置是否插紙成功。

（6）傳送帶和回收裝置：在經(jīng)過檢測裝置檢測過后，搬運機器人將通過檢測的合格品搬運到生產(chǎn)線傳送帶上，將不合格品搬運到回收裝置，實現(xiàn)最終的分選存放。電機定子運動流程如圖3所示。

2 上料檢測控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了在滿足裝備工藝要求的同時滿足操作系統(tǒng)簡單、易于編程、工作可靠、維修方便等原則，系統(tǒng)采用PLC，機器人控制器，觸摸屏技術(shù)相結(jié)合的控制方式，實現(xiàn)系統(tǒng)對電機定子的智能上料和檢測。根據(jù)設(shè)備操作流程和需要，在機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上搭建控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架，框圖如圖4所示。

圖3 電機定子運動流程

可編程控制器選擇西門子S7-200[7]，具體型號為PLC CPU224XP，14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點，2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點，滿足控制系統(tǒng)的需求，實現(xiàn)對電機的控制和各種光電位置傳感器的監(jiān)測功能[8]。工業(yè)機器人選擇某品牌水平多關(guān)節(jié)機器人，通過配套控制器上的專用STD接口與PLC通信，完成兩者之間的聯(lián)動，同時還可以通過STD接口完成對相應(yīng)器件的控制。觸摸屏選擇威綸10寸觸摸屏，通過RS232串行通信口與PLC相互通信，實現(xiàn)界面顯示，開關(guān)機控制，輸入輸出控制，故障報警顯示等所有人機交互工作。

3 上料檢測控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用西門子PLC編程軟件SIMATIC Manager，它具有梯形圖、指令語句表和順序功能流程圖（SFC）三種編程語言，SFC是一種比較新的編程語言，它是通過功能圖來表達(dá)一個順序控制過程用這種語言編寫程序，可對每一個控制過程進(jìn)行控制，并可顯示該過程的實時狀態(tài)，相對于梯形圖和指令語句表更加的直觀。因此，本系統(tǒng)采用SFC作為PLC程序的編程語言，然后用RS－232 作為轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)計算機和PLC之間的通訊，進(jìn)而實現(xiàn)對于PLC的寫入、校驗、調(diào)試、監(jiān)視等功能。對于工業(yè)機器人的控制，本系統(tǒng)采用機器人配帶的編程軟件VIP－Plus，用RS－232C作為轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)計算機和工業(yè)機器人控制器之間的通訊，實現(xiàn)對于控制器程序的寫入、校驗、調(diào)試、監(jiān)視等功能。

3.1 系統(tǒng)功能塊及程序設(shè)計

為滿足上料檢測系統(tǒng)的控制要求，使得控制系統(tǒng)操作簡單、穩(wěn)定可靠、功能全面，本系統(tǒng)利用順序功能流程圖語言結(jié)合人機界面，設(shè)計自檢功能塊、自動運行功能塊。

（1）自檢功能塊。自檢功能塊簡單來說就是設(shè)備在上電后讓設(shè)備空載運行一遍，系統(tǒng)在空載運行的時候判斷各個運動機構(gòu)和傳感器是否能夠正常工作。同時為了方便起見，本功能塊還設(shè)計了手動檢測模式，可以對單個部件進(jìn)行操作，同時可以觸摸屏顯示傳感器元件的反饋信息，以便于設(shè)備維護(hù)人員和維修人員進(jìn)行檢測和維修，避免由于部分元件失效而引起一些不必要的后果。

（2）自動運行功能塊。自動運行功能塊是系統(tǒng)程序的核心功能部分，主要包括三個循環(huán)程序，旋轉(zhuǎn)料庫旋轉(zhuǎn)供料循環(huán)、升降裝置送料循環(huán)、工業(yè)機器人取料分選循環(huán)，這些循環(huán)都是以電機電子的移動到位為轉(zhuǎn)移條件，從而形成整機的自動運行循環(huán)，實現(xiàn)上料取料檢測分選的自動化。各循環(huán)流程圖如圖5所示。

根據(jù)各個功能塊要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的SFC總程序，如圖6所示[9]。程序?qū)崿F(xiàn)了自檢、自運行兩大大塊各功能，能夠滿足人機界面的控制和上料檢測系統(tǒng)對電機定子的上料和檢測分選要求。

圖6 系統(tǒng)SFC程序塊圖

3.2 人機界面設(shè)計

本系統(tǒng)使用威綸EasyBuilder Pro設(shè)計基于觸摸屏的上料檢測裝置的操作及監(jiān)控系統(tǒng)。在引入人機界面可以使得整個系統(tǒng)的操作更加簡單，維修更加方便。觸摸屏的主界面上設(shè)有4個子界面：系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)自動運行、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、歷史信息，如圖7所示[10]。

4 結(jié)論

在滿足電機定子上料檢測的功能基礎(chǔ)上,綜合PLC控制的靈活性、工業(yè)機器人通用性的和工業(yè)觸摸屏的便捷性，設(shè)計上料監(jiān)測檢測設(shè)備的控制系統(tǒng)，編寫PLC控制程序和機器人控制程序，設(shè)計繪制人機界面，滿足了上料檢測的工藝要求。但是在前端仍需工人將電機定子搬運到旋轉(zhuǎn)料庫中，后續(xù)研究可以繼續(xù)設(shè)計與改進(jìn)。

圖7 人機界面

[1]王衛(wèi)軍，徐友法，趙鵬，劉立冬，李亞運，蘇陳. 分揀機器人在電機定子鐵心生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J/OL]. 微特電機，2017（9）：30-32，36.

[2]張玉鳳. 探討提高可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)可靠性的措施[J]. 機床與液壓，2005（11）：220.

[3]齊繼陽，吳倩，何文燦. 基于PLC 和觸摸屏的氣動機械手動作系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 液壓與氣動，2013（4）：19-22.

[4]羅庚，田懷文. 電熱管自動檢測線控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 制造業(yè)自動化，2014，36（17）：13-15.

[5]朱金禧. 電機定子檢測控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和開發(fā)[D]. 天津大學(xué)，2016.

[6]李福運. 基于六點定位原理的工業(yè)機器人通用夾具設(shè)計[J]. 機械，2017，44（6）：77-80.

[7]林鈺涵，王聰，鄭廣生，等. 基于PLC和組態(tài)王的油庫消防監(jiān)控聯(lián)動系統(tǒng)[J]. 機械，2015，42（7）：43-46，77.

[8]莊煥偉，吳奕程，蘇宏英. 基于PLC的步進(jìn)電機控制方法研究[J]. 機電一體化，2012（9）：48-50.

[9]陳亞林. 西門子S7-200PLC完全精通教程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[10]陳亞林. PLC、變頻器和觸摸屏實踐教程[M]. 南京：南京大學(xué)出版社，2008.

System Design of Automatic Feeding and Detection of Motor Stator

HAO Xiaodong，TIAN Huaiwen，WANG Baihui

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610036, China )

The paper is aimed at developing a system of automatic feeding and detection of motor stator. The system is expected to reduce labor intensity, improve work environment, avoid production accident, and improve production efficiency and product quality. Based on the analysis of the existing workflow, a set of control system is designed, which integrates PLC, touch screen and industrial robot. By analyzing the working process and the existing motor stator detection method, the SFC control program and industrial robot control program is written with Siemens SIMATIC Manager and Yamaha VIP+. The man-machine interface is designed with Weinview EasyBuilder Pro. The new system, combined with the existing device, can implement automatic feeding and detection of motor stator.

PLC；touch screen；motor stator；industrial robot；SFC

TP274+.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.014

1006－0316 (2018) 06－0070－05

2017－11－29

郝曉東（1994－），男，山西臨汾人，碩士研究生，主要研究方向為機電自動化控制。