基于S7-200的鋁錠激光標(biāo)刻頭自找正控制系統(tǒng)設(shè)計

呂澤成，辛舟

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

通過電解法生產(chǎn)的應(yīng)用于工業(yè)的原料被稱為鋁錠，按照國家鋁錠產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，鋁錠鑄造完成后需粘貼合格證標(biāo)簽以方便追溯及管理。標(biāo)簽內(nèi)容包括生產(chǎn)單位、生產(chǎn)日期、熔煉爐號、牌號、質(zhì)量、條形碼等信息。傳統(tǒng)標(biāo)簽粘貼工序參與人員多、部門雜、工序長，導(dǎo)致物流倒運成本、人力及耗材成本高[1-2]。鑒于此，本文提出了一種應(yīng)用于在線的鋁錠二維碼標(biāo)刻系統(tǒng)的激光頭自找正機(jī)械手。通過PLC控制伺服電機(jī)，應(yīng)用WinCC組態(tài)軟件完成上位機(jī)對標(biāo)刻過程的實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，同時獲取數(shù)據(jù)的存儲和報表。與傳統(tǒng)的技術(shù)方案相比較，本文提出的方案具有如下優(yōu)點：1) 通過三維掃描的方法，可以更快更精確地確定待標(biāo)刻區(qū)域，尤其對于放置位置出現(xiàn)了一定偏差的鋁錠，減少了以前人工扶正所需的時間和人力資源；2) 采用機(jī)械手的方案，可以實現(xiàn)標(biāo)刻過程的自動化，大大提高標(biāo)刻效率，提升產(chǎn)品的競爭力。因此該系統(tǒng)的研發(fā)具有很強(qiáng)的實際意義。

1 標(biāo)刻機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 標(biāo)刻機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

標(biāo)刻機(jī)械手系統(tǒng)主要由鋁錠檢測系統(tǒng)、標(biāo)刻區(qū)域確定系統(tǒng)和標(biāo)刻機(jī)械臂組成。

鋁錠檢測系統(tǒng)主要部件是被動式的紅外發(fā)生接收裝置和壓力傳感器，當(dāng)發(fā)生器發(fā)出的紅外線被遮擋而且稱重傳感器感應(yīng)到的質(zhì)量達(dá)到了設(shè)定值，即可認(rèn)為檢測到了鋁錠。其中缺一個時判定存在鋁錠都是非常不安全的。

標(biāo)刻區(qū)域確定系統(tǒng)主要是三維掃描儀。三維掃描儀將采集到的鋁錠位置數(shù)據(jù)傳送給控制器，同時控制器采用特定的算法，計算出標(biāo)刻區(qū)域的位置，即二維碼位置探測圖形的位置。

標(biāo)刻機(jī)械臂主要包括伺服驅(qū)動直線運動定位系統(tǒng)，由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、同步帶等組成；主要實現(xiàn)標(biāo)刻機(jī)械臂的x、y方向的移動和繞z軸的轉(zhuǎn)動。為了實現(xiàn)標(biāo)刻機(jī)械臂激光頭的精確定位，采用了光柵尺，同時可以實現(xiàn)運動的閉環(huán)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—鋁垛；2—激光標(biāo)刻頭；3—二維碼掃描裝置；4—三維掃描激光掃描儀；5—稱重傳感器；6—水平位移裝置圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 標(biāo)刻機(jī)械手控制工藝分析

鑒于鋁錠在輸送帶上的位置比較隨機(jī)，但是其總體都處于一個水平面內(nèi)，因此機(jī)械手屬于具有x、z方向直動和繞z軸旋轉(zhuǎn)的3個自由度。在初始狀態(tài)下，機(jī)械臂位置處于原點；當(dāng)系統(tǒng)啟動，而且三維掃描儀給出了二維碼標(biāo)刻位置的坐標(biāo)時，標(biāo)刻機(jī)械臂帶動激光標(biāo)刻頭到達(dá)指定位置且確認(rèn)后，激光標(biāo)刻開始，完成激光標(biāo)刻后，繼續(xù)回到原點。當(dāng)下一垛鋁錠到達(dá)時，重復(fù)上述動作。

2 標(biāo)刻機(jī)械手系統(tǒng)硬件設(shè)計

標(biāo)刻機(jī)械手系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是PLC控制系統(tǒng)硬件的選型和設(shè)計以及伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件的選型和設(shè)計。

2.1 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

由前部分系統(tǒng)總體設(shè)計和控制工藝分析可知，系統(tǒng)中主要的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理是通過Modbus RTU通訊協(xié)議來完成，因此采用了西門子200系列小型化CPU226，該型號控制器具有一個模擬量輸入通道，因此在采集稱重信號時無需再配置模擬量模塊；另外還配置了一塊CP243-1以太網(wǎng)通訊模塊，方便通訊；除此之外，下層網(wǎng)絡(luò)中還配置了路由器，以實現(xiàn)與上位機(jī)、伺服系統(tǒng)和三維掃描器的通訊。具體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架見圖2。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

2.2 伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

由于西門子S7-200系列PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6內(nèi)部集成了Modbus RTU通訊協(xié)議，因此在選擇伺服驅(qū)動器時優(yōu)先考慮支持該通訊協(xié)議的型號。最終選擇的伺服放大器為富士公司的RYH201F5-VV2，伺服電機(jī)選擇了富士公司的GYS201D-RC2。主要的參數(shù)設(shè)置如下：控制模式為位置控制模式；指令脈沖旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置為方向信號=0時前進(jìn)，方向信號=1時后退；指令脈沖輸入方式選擇使用脈沖+方向方式控制驅(qū)動器運行；電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)設(shè)置為6 000；其他設(shè)置選擇默認(rèn)即可。

3 標(biāo)刻機(jī)械手系統(tǒng)軟件設(shè)計

標(biāo)刻機(jī)械手系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括PLC程序設(shè)計和SQL server 2005數(shù)據(jù)庫設(shè)計、Excel中報表模版的設(shè)計以及WinCC 組態(tài)軟件中上位監(jiān)控畫面和標(biāo)刻結(jié)果存儲、分析軟件的設(shè)計。

3.1 PLC程序設(shè)計

在下位的PLC程序設(shè)計中，主要實現(xiàn)的邏輯控制為當(dāng)檢測到鋁錠到達(dá)指定位置，并且獲得二維碼標(biāo)刻區(qū)域的位置坐標(biāo)時，機(jī)械臂啟動，并且向該區(qū)域移動；當(dāng)3個坐標(biāo)均到達(dá)指定位置時，啟動激光標(biāo)刻裝置，5s后關(guān)閉激光標(biāo)刻裝置，啟動二維碼掃描裝置，掃描并進(jìn)行比對，檢驗合格，則將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并向控制器發(fā)送完成標(biāo)志，掃描裝置停止；隨后機(jī)械臂返回到坐標(biāo)原點，同時將該鋁錠輸送出去。在這個過程中，為了防止意外情況下高能量的激光束對操作人員或其他人員造成危害，設(shè)置稱重模塊信號在檢測過程中發(fā)生快速減則系統(tǒng)停止，并且返回坐標(biāo)原點。系統(tǒng)控制邏輯見圖3。

圖3 PLC主程序設(shè)計邏輯

3.2 機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計

a) 機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于本機(jī)械臂系統(tǒng)為三自由度的機(jī)械臂且負(fù)載較小，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：底部選擇x、y方向的伺服電機(jī)帶動絲杠螺母副，行程均為200mm；為實現(xiàn)繞z軸的轉(zhuǎn)動，關(guān)節(jié)電機(jī)采用伺服電機(jī)，可實現(xiàn)精確的角位移控制；在豎直桿的上方焊接一個法蘭，可將標(biāo)刻裝置和QR掃描儀裝在上面，并且使其軸線在標(biāo)準(zhǔn)位置時與鋁垛的待標(biāo)刻面垂直。通過借鑒數(shù)控機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，在實現(xiàn)運動功能的同時可大大節(jié)約成本。

b) 機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計

對于基于PLC的伺服控制系統(tǒng)，西門子S7-200系列PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6提供了位置控制向?qū)Чδ埽靡钥焖俚貙崿F(xiàn)位置控制模塊的組態(tài)。在該向?qū)拢煽焖偻瓿晒に囆枰碾姍C(jī)的最高速度、加減速時間和啟動停止速度等參數(shù)[3-4]。

為節(jié)省輸出點數(shù)，此處采用了通訊的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的給定。根據(jù)前述要求，該程序采用調(diào)用子程序的方式來完成。在主程序中，主要實現(xiàn)機(jī)械手的工作狀態(tài)的選擇，子程序來實現(xiàn)機(jī)械手的工作線路。在這個系統(tǒng)中，其主要工作過程及程序設(shè)計邏輯如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂主要工作過程

3.3 SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫設(shè)計及Excel中報表模版的設(shè)計

WinCC從6.0版本開始，在變量歸檔的過程中，歸檔的數(shù)據(jù)采用壓縮存儲的方式存儲于自帶的SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫中[5-6]，這對于將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理帶來了很大的障礙，因此需要在SQL Server 2005建立表格[7]，完成所需要數(shù)據(jù)的存儲。

在這個項目中，需要存儲的數(shù)據(jù)主要有以下6組：1) 生產(chǎn)單位；2) 生產(chǎn)日期；3) 熔煉爐號；4) 牌號；5) 質(zhì)量；6) 操作員或者檢驗員。在SQL Server 2005中建立數(shù)據(jù)庫，命名為QRCode_Date，在該數(shù)據(jù)庫下創(chuàng)建表，存儲上述6組參數(shù)。

通過在Excel 2003中設(shè)計報表的模版，每月或有需要時在上位機(jī)點擊報表按鈕，可將具體處理后數(shù)據(jù)導(dǎo)入到報表的相應(yīng)位置。從而實現(xiàn)每月對生產(chǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計，這種方法可以實現(xiàn)復(fù)雜報表的設(shè)計。

3.4 WinCC 組態(tài)軟件中上位監(jiān)控畫面設(shè)計

WinCC是全球通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案，可用于辦公環(huán)境和制造業(yè)，可以提供高效成熟的組態(tài)。WinCC的亮點之一是其整體的開放性[8]，它可靈活地與標(biāo)準(zhǔn)用戶程序結(jié)合使用，建立HMI，滿足實際的需要。除此之外，在組態(tài)方面WinCC提供了豐富的組態(tài)庫和ActiveX控件[9]，用于用戶方便地建立友好的人機(jī)界面；在通訊方面支持用于連接到SIMATIC S5/S7/505控制器(例如通過S7協(xié)議集)的通訊[10]和如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)及OPC(用于過程控制的OLE)等非專用過程通訊，在數(shù)據(jù)存儲和歸檔方面集成了SQL Server 2005大型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)歸檔能力強(qiáng)[11]。

在這個項目中，WinCC主要實現(xiàn)如下功能：1) 實現(xiàn)機(jī)械手系統(tǒng)控制的可視化，在上位機(jī)可實時監(jiān)控各個傳感器的數(shù)據(jù)、電機(jī)的運行情況和需要的參數(shù)的實時設(shè)置；2)數(shù)據(jù)的存儲，可以實時地將掃描對比正確的二維碼及其數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，方便查詢和再次處理。3)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，可以通過其他的軟件將采集到數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)存入企業(yè)服務(wù)器，實現(xiàn)了部門間的數(shù)據(jù)共享，大大提高了數(shù)據(jù)的利用效率。4)系統(tǒng)報警，WinCC提供了高效的報警記錄系統(tǒng)，在該系統(tǒng)下編輯報警信息，可以方便操作人員和后續(xù)維護(hù)人員的操作和維護(hù)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的鋁錠連鑄機(jī)激光標(biāo)刻自找正機(jī)械手系統(tǒng)綜合了PLC控制技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等手段，實現(xiàn)了鋁錠位置的三維掃描、標(biāo)刻區(qū)域的自動計算和激光標(biāo)刻頭的自找正等功能，大大降低了企業(yè)成本。其特點如下：1) 具有很高的可靠性?？删幊踢壿嬁刂破髯陨砜煽啃愿?，S7-200系列CPU對于外界干擾具有很強(qiáng)的抵抗力，因此其工作穩(wěn)定性好；2) 伺服系統(tǒng)精度高、定位精確、運行可靠；3) 上位軟件操作方便、畫面美觀、方便擴(kuò)展。