控制器智能生產(chǎn)線及測試系統(tǒng)的建設(shè)

■廣州數(shù)控設(shè)備有限公司 （廣東廣州 510530） 吳超宏 王漢翼

智能制造是中國制造2025的重要組成部分，智能產(chǎn)品也會體現(xiàn)在人們生活的各個方面。本文介紹的控制器產(chǎn)品，是智能設(shè)備“大腦”級的控制部件，市場上目前有許多外形類似、制造工藝和裝配工藝都基本相同的電子產(chǎn)品，比如手持盒式的：醫(yī)院的康復(fù)床和手術(shù)床旁邊的手持式控制器、汽車行車記錄儀、筆記本電腦及導(dǎo)航儀等；也有固定式的鑲嵌在設(shè)備上的，如：新冠狀病毒核酸檢測機、落地式體溫檢測儀、各種健身器上的控制器等不一而足。也就是說這種控制器不但在機器人行業(yè)有普遍應(yīng)用，在3C、醫(yī)療、保健品生產(chǎn)、食品和口罩機等行業(yè)，同樣也具有應(yīng)用的普遍性。

控制器是影響智能設(shè)備性能的關(guān)鍵部件之一，它的主要任務(wù)是：①控制設(shè)備在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡，操作順序及動作的時間等。②控制各種試劑的混合比例、混合時間、反應(yīng)時間及通過程序分析數(shù)據(jù)等。控制器具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示、數(shù)據(jù)表格生成和使用方便等特點。

本文介紹的機器人控制器生產(chǎn)線及測試系統(tǒng)是具有一定先進性和代表性的離散型智能制造生產(chǎn)線，既包含了立體倉庫、碼垛機及AGV等智能物流的因素，也包含了視覺在線檢測、上下料、機械加工、點膠、智能裝配和智能分揀等典型制造工藝流程，還包含了整機老化、參數(shù)監(jiān)測等智能檢測的環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，對生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備如數(shù)控機床、環(huán)境實驗箱、SCARA機器人、六軸機器人等關(guān)鍵設(shè)備的運行參數(shù)及狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)控，積累數(shù)據(jù)，或者在系統(tǒng)的傳感器、關(guān)鍵設(shè)備模擬指定故障，以便下一步開展相關(guān)的研究工作。

1. 控制器生產(chǎn)線及測試系統(tǒng)建設(shè)要求與目標(biāo)

1）機器人控制器智能生產(chǎn)及測試展示系統(tǒng)建設(shè)完成后，能夠完成機器人控制器全生產(chǎn)周期的加工與檢測，運行穩(wěn)定可靠，并涵蓋當(dāng)前離散智能制造的主要工藝環(huán)節(jié)，具有一定的先進性和代表性。

2）該系統(tǒng)的真實的控制信號與運行邏輯可實時采集、存儲，如傳輸帶到位信號、機器人啟動信號及AGV運行信號等，第三方軟件可通過接口訪問這些數(shù)據(jù)。

3）該系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備可根據(jù)實際需求加裝傳感器，如數(shù)控機床、環(huán)境實驗箱、SCARA機器人、六軸機器人等，并且設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)與傳感器測試數(shù)據(jù)可實時上傳系統(tǒng)，保存在數(shù)據(jù)庫中，提供接口以便第三方軟件訪問。

4）該系統(tǒng)可以注入部分故障，如傳輸帶到位信號丟失、機器人故障信號產(chǎn)生、來料檢測不合格、零部件性能退化等，以便測試系統(tǒng)在這些情況下的處理策略及影響。

2. 控制器生產(chǎn)線及測試系統(tǒng)方案

（1）產(chǎn)品與生產(chǎn)工藝介紹 生產(chǎn)線及測試系統(tǒng)加工對象為C2-T10型控制器（見圖1），采用ARM架構(gòu)的CPU及芯片組和FPGA構(gòu)建的嵌入式軟硬件平臺；配備8軸伺服脈沖接口，數(shù)據(jù)采集卡及機器人專用端子和安全接口；模塊化的軟件設(shè)計，可應(yīng)用在搬運、焊接、碼垛、折彎和切割等基于工業(yè)機器人的智能制造應(yīng)用領(lǐng)域，同時在3C設(shè)備裝配，醫(yī)療器械、健身器械、手機裝配、電腦裝配等要求高速、高精度運動控制的設(shè)備裝配生產(chǎn)線上也可以有廣泛的應(yīng)用。

圖1 C2-T10型控制器

系統(tǒng)以控制器（包含面盒、IO板、CPU板、底板）的生產(chǎn)及后續(xù)測試為工藝路線進行設(shè)計，包含前端機器人控制器智能生產(chǎn)線（原材料倉庫儲料、面盒尺寸視覺檢測、機加工、三坐標(biāo)檢測、AOI自動光學(xué)檢測儀、PCB點膠、控制器PCB裝配、控制器外殼鎖螺釘裝配和貼標(biāo)），如圖2所示。后端機器人控制器智能檢測（自動運載、高溫老化、檢測數(shù)據(jù)自動采集、檢測數(shù)據(jù)分析處理、檢測數(shù)據(jù)上傳云端和智能檢測實驗室監(jiān)控中央看板）。

（2）控制器生產(chǎn)線工藝及設(shè)備系統(tǒng) 如圖3所示。

圖2 前端機器人控制器智能生產(chǎn)線

圖3 控制器生產(chǎn)線工藝及設(shè)備系統(tǒng)

1）控制器柔性生產(chǎn)流程如圖4所示。

2）物料輸送系統(tǒng)流程如圖5所示。

（3）智能生產(chǎn)及測試系統(tǒng)整體布局 如圖6所示，智能生產(chǎn)及測試系統(tǒng)包括以下幾個模塊：立體倉庫模塊、AGV輸送模塊、外殼視覺檢測模塊、外殼加工模塊、三坐標(biāo)測量儀模塊、柔性生產(chǎn)模塊（包含PCB光學(xué)檢測模塊、PCB點膠模塊、裝配模塊、鎖螺釘模塊、貼標(biāo)模塊）、智能檢測模塊（包括兩臺高低溫老化箱和一臺上下料機器人）、系統(tǒng)總控模塊、展示參觀模塊及安全防護模塊。系統(tǒng)整體占地面積255m2（長22.6m×寬11.3m），其中展示參觀區(qū)域大約76m2（長6.8m×寬11.2m）。

該生產(chǎn)線可實現(xiàn)物流配送、來料檢測、加工、裝配及成品檢測的全流程數(shù)字化、無人化，可生產(chǎn)多種型號機器人控制器，生產(chǎn)過程中無有害氣體、噪聲水平低，安全防護到位。機器人、數(shù)控機床、高溫箱等關(guān)鍵設(shè)備可開放運行關(guān)鍵參數(shù)，支持GPIO、供電電源和電動機性能退化等故障注入方式。

整個控制器生產(chǎn)線的信息顯示屏按順時針方向從1～12進行編號，如圖7所示。圖中中間綠色區(qū)域為展示參觀區(qū)。

3. 各功能模塊介紹

（1）立體倉庫 立體倉庫（見圖8）是用來儲存控制器相關(guān)零部件、半成品及成品的包括PC電路板、電子元件、線纜、信號線和感應(yīng)器等物料，并可記錄各倉位的物料信息，方便隨時查詢調(diào)用。

立體倉庫規(guī)格參數(shù)（參考）：貨位規(guī)格2排5層8列，貨位總數(shù)80位，貨位承載質(zhì)量≥30kg，貨位尺寸（寬×深×高）340mm×400mm×300mm，托盤尺寸（長×寬×高）300mm×300mm×20 mm，外形尺寸（長×寬×高）≤6300mm × 1800mm ×2600mm。

堆垛機在地軌上運行，堆垛機沿地軌行走（X軸）距離為5 000mm，貨叉伸縮運行（Y軸）距離為±550mm，貨叉垂直升降（Z軸）距離為2 000mm。X軸、Y軸、Z軸方向均采用伺服電動機驅(qū)動。

（2）AGV輸送系統(tǒng) AGV輸送系統(tǒng)主要完成物料的出庫、成品入庫等，AGV的行駛路徑有兩條，如圖9所示。

圖6 智能生產(chǎn)及測試系統(tǒng)整體布局

AGV采用雙向磁引導(dǎo)方式，直線運行速度為0～40m/min，定位精度為±10mm。AGV前后均有碰撞保護裝置，實現(xiàn)碰撞后立即斷電停車。AGV上部為皮帶輸送裝置，采用直流電動機驅(qū)動，實現(xiàn)與立體倉庫、輸送線對接以運送物料，上有兩個貨位（一次最多運送兩個貨物），每個貨位均有傳感器以檢查貨物裝載狀態(tài)。皮帶離地面高度為930mm，輸送帶前后端有阻擋機構(gòu)，并設(shè)置接駁傳感器。

AGV安裝有用于操作及顯示使用的7英寸（1in＝0.025 4m）觸摸屏，其控制系統(tǒng)可與立體倉庫、輸送線及總控系統(tǒng)進行實時通信，保證相互之間信息交流及工作對接。

（3）外殼加工工作站 外殼加工系統(tǒng)如圖10所示。單元工作站由工業(yè)機器人、機器人末端手爪工具、進出料輸送線、輸送線定位檢測導(dǎo)向附件、托盤與面盒工件、原料與成品暫存臺、數(shù)控加工中心與自動化改造、氣動系統(tǒng)、機器人控制柜與示教盒、單元工作站電氣控制系統(tǒng)、單元工作站控制觸摸屏、單元控制軟件及單元安全防護系統(tǒng)組成。單元完成原料與成品輸送及工業(yè)機器人上下料作業(yè)、數(shù)控加工等作業(yè)任務(wù)。

工作站中的工業(yè)機器人自動上下料系統(tǒng)配置R B08型工業(yè)機器人（見圖11）。機器人的各個軸上加裝振動傳感器和溫度傳感器，獲取機器人的運行狀態(tài)。

（4）檢測模塊 具體介紹如下。

1）外殼視覺檢測。外殼視覺檢測主要是檢測從立體倉庫來料的面盒和底板的尺寸數(shù)據(jù)，采用機器視覺的方式進行檢測，避免人工參與，檢測數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫記錄。如圖12、圖13所示。

2）外殼三坐標(biāo)檢測模塊，如圖14所示。

3）智能檢測模塊（見圖15）。智能檢測模塊主要用來對生產(chǎn)完成的機器人控制器進行出廠性能檢測，采用高溫箱對機器人控制器進行老化測試，物料輸送、裝入、通電和測試采用自動化設(shè)備，避免人工參與，檢測數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫記錄。單元工作站由分揀機器人、機器人末端手爪工具、進出料輸送線、輸送線定位檢測導(dǎo)向附件、托盤與控制器成品、高溫箱與自動化改造、測試平臺、氣動系統(tǒng)、機器人控制柜與示教盒、單元工作站電氣控制系統(tǒng)、單元工作站控制觸摸屏、單元控制軟件及單元安全防護系統(tǒng)組成。

圖7 信息顯示屏編號

圖8 立體倉庫

圖10 外殼加工系統(tǒng)

圖9 AGV輸送系統(tǒng)

圖11 RB08型工業(yè)機器人

圖12 視覺尺寸檢測系統(tǒng)

圖13 視覺尺寸檢測

（5）系統(tǒng)總控模塊 如圖16所示。

1）整個機器人控制器智能生產(chǎn)及測試展示系統(tǒng)配備系統(tǒng)總控單元和信息管理系統(tǒng)。

圖14 外殼三坐標(biāo)檢測模塊

圖15 智能檢測模塊

2）系統(tǒng)總控單元監(jiān)控各模塊設(shè)備的運行狀態(tài)，具有對各設(shè)備控制的權(quán)限。

3）信息管理系統(tǒng)完成機器人控制器生產(chǎn)及測試系統(tǒng)各部分的信息收集、統(tǒng)計。

整線采用PLC進行控制，實現(xiàn)與機器人、外部設(shè)備通信。同時該系統(tǒng)具有監(jiān)控設(shè)備運行狀況、統(tǒng)計產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

立體倉庫模塊、機器人控制器柔性生產(chǎn)模塊分別設(shè)置有觸摸屏控制臺，各操作臺可相互通信顯示其他部分的運行狀態(tài)，當(dāng)其中一個模塊出現(xiàn)狀況時，該模塊控制臺會顯示狀況，并通過聲光報警的方式提醒操作人員，另一模塊同時顯示該工位狀況并提醒操作人員。出現(xiàn)狀況的模塊由該處操作人員檢查原因并排除故障，故障排除后由操作人員在操作臺上人工清除報警，并復(fù)位。各自模塊的操作臺對各自的設(shè)備具有控制權(quán)，對其他模塊的設(shè)備僅有監(jiān)視權(quán)。

圖16 系統(tǒng)總控模塊

控制系統(tǒng)采用多用戶管理的模式，不同的用戶具有不同的權(quán)限?？刂葡到y(tǒng)會記錄各用戶的登錄時間、操作信息、當(dāng)前操作人員生產(chǎn)線的產(chǎn)量和故障日志等。

系統(tǒng)總控單元對整線具有監(jiān)控管理的權(quán)限。

限于篇幅，其余模塊及功能不再介紹。

4. 結(jié)語

機器人控制器智能生產(chǎn)線及測試系統(tǒng)的建成，目前具有國內(nèi)先進性，其技術(shù)性能包括了傳感器技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)（變頻器、伺服、步進）、視覺檢測技術(shù)、C N C數(shù)控系統(tǒng)、機器人技術(shù)、PLC編程技術(shù)、總線通信、立體倉庫信息管理、可靠性檢測和智能檢測實驗室信息管理系統(tǒng)等技術(shù)，具有跨學(xué)科、跨工種和跨領(lǐng)域的特性。

該生產(chǎn)線的搭建實現(xiàn)了管理與生產(chǎn)零距離的目標(biāo)，能智能化搜集工廠關(guān)鍵的人員、設(shè)備和生產(chǎn)狀況信息等，為企業(yè)的管理者或決策者提供指導(dǎo)性意見，更好的實現(xiàn)企業(yè)的智能化管理與決策。