基于PLC與工業(yè)機(jī)器人控制的開(kāi)關(guān)面板組裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭重

（佛山市三水區(qū)工業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，廣東佛山，440600）

0 概述

我國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，在企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需要投入大量的人力，勞動(dòng)密集型的企業(yè)，用人成本成為了企業(yè)一筆沉重的負(fù)擔(dān)。電氣設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)就是其中一個(gè)典型的例子。由于開(kāi)關(guān)面板每一個(gè)配件的大小、結(jié)構(gòu)都不一樣，裝配的過(guò)程中需要精準(zhǔn)的定位以及適當(dāng)?shù)牧Χ龋惭b精度要求較高，因此社會(huì)上開(kāi)關(guān)面板的裝配仍然以手工裝配為主。

開(kāi)關(guān)面板的手工裝配造成了一線生產(chǎn)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，重復(fù)、單調(diào)的工作容易讓一線生產(chǎn)員工感到厭倦，人員流失非常大，企業(yè)無(wú)法吸引年輕的勞動(dòng)力，企業(yè)面臨著用人成本高、員工缺乏等困難。基于以上情況，我們通過(guò)PLC與工業(yè)機(jī)器人的協(xié)同控制，設(shè)計(jì)出一套開(kāi)關(guān)面板自動(dòng)裝配的系統(tǒng)。PLC具有強(qiáng)大的邏輯控制功能以及與外圍設(shè)備通信的能力，可以及時(shí)處理現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息。工業(yè)機(jī)器人具有較高的重復(fù)精度，動(dòng)作靈活，可以有效完成開(kāi)關(guān)面板的組裝環(huán)節(jié)。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

開(kāi)關(guān)面板的各個(gè)配件通過(guò)PLC控制的傳送帶送到定位卡口，實(shí)現(xiàn)初步定位，并由傳感器反饋配件到位情況給PLC，PLC通過(guò)I/O通信，給機(jī)器人一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，機(jī)器人將各個(gè)配件搬到定位平臺(tái)，然后按照開(kāi)關(guān)面板的裝配順序完成開(kāi)關(guān)面板的裝配。最后通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)檢查產(chǎn)品的裝配情況，不合格的產(chǎn)品由機(jī)器人搬到廢料平臺(tái)，合格產(chǎn)品由機(jī)器人搬到成品區(qū)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)同時(shí)需滿足以下要求：①生產(chǎn)效率：450個(gè)/小時(shí)；②適用范圍：86型、118型、120型；③安裝精度：±1mm。

根據(jù)控制要求進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)面板的組裝由傳送帶、機(jī)器人、定位裝配平臺(tái)、視覺(jué)檢測(cè)四部分組成。整個(gè)系統(tǒng)的模型如圖1所示。

系統(tǒng)的控制流程：（1）產(chǎn)品放到傳送帶；（2）傳送帶把部件送到末端；（3）機(jī)器人進(jìn)行裝配工作；（4）視覺(jué)檢測(cè)。

圖1 系統(tǒng)模型

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于開(kāi)關(guān)面板的型號(hào)、大小、形狀各有不同，本文以組裝86型開(kāi)關(guān)面板來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如系統(tǒng)需要組裝其他型號(hào)開(kāi)關(guān)面板，則只需在傳送帶、定位工作臺(tái)的作簡(jiǎn)單的機(jī)械調(diào)整，同時(shí)適當(dāng)?shù)男薷臋C(jī)器人的程序即可完成不同型號(hào)開(kāi)關(guān)面板裝配。

■2.1 傳送帶與電機(jī)選型

由于傳送帶的功能只是把四個(gè)不同的配件送至定位卡口就可，所以對(duì)電機(jī)并沒(méi)有過(guò)高的要求，本方案則選擇普通的三相交流異步電動(dòng)機(jī)即可。電機(jī)由變頻器進(jìn)行控制，頻率為30Hz即可。為了檢測(cè)開(kāi)關(guān)面板的到位情況，在傳送帶的末端分別安裝四個(gè)光纖傳感器，以作為配件到位檢測(cè)。

■2.2 PLC選型

產(chǎn)線員工（或工業(yè)機(jī)器人）將開(kāi)關(guān)面板四個(gè)配件放到傳送帶上，PLC控制傳送帶以30Hz的速度把配件送至傳送帶末端，然后傳送帶停止，PLC發(fā)送信號(hào)，由ABB機(jī)器人進(jìn)行裝配。本次設(shè)計(jì)共需7位輸入信號(hào)、5位輸出信號(hào),考慮到設(shè)計(jì)留有一定的余量以及后續(xù)設(shè)備更新功能等要求，為此本次設(shè)計(jì)選出三菱FX3U-32MR/ES，即16個(gè)輸入與16個(gè)輸出的繼電器輸出PLC。

■2.3 機(jī)器人以及夾具選型

由于開(kāi)關(guān)面板的屬于比較小的電氣設(shè)備，重量較小，所帶夾具約為1.5kg，機(jī)器人裝配開(kāi)關(guān)面板時(shí)需要移動(dòng)的距離小于1米，且負(fù)荷均較小，所以本次選取ABB工業(yè)機(jī)器人，型號(hào)為IRB-1200-7/0.7即可。86型開(kāi)關(guān)面板由外面板、內(nèi)板、翹板以及翹板底座四部件構(gòu)成。各個(gè)部件大小形狀各不相同。其中外面板和內(nèi)板尺寸相差不大，可以采用相同的吸盤工具進(jìn)行操作。而翹板面積較外面板和內(nèi)板小，可選較小的吸盤進(jìn)行作業(yè)即可。翹板底座則需要用手指式的夾具進(jìn)行作業(yè)。為了提高生產(chǎn)效率，避免頻繁的更換機(jī)器人末端工具，采用多功能末端工具（帶三面吸盤以及手指夾具）。

■2.4 基恩士視覺(jué)系統(tǒng)

當(dāng)86開(kāi)關(guān)面板組裝完成后，由視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)面板是否合格，面板的安裝是否有缺漏。本系統(tǒng)采用的視覺(jué)系統(tǒng)為基恩士視覺(jué)系統(tǒng)，視覺(jué)系統(tǒng)主要包括視覺(jué)驅(qū)動(dòng)器、照明擴(kuò)展單元、相機(jī)、顯示器以及電源模塊等。電源模塊為驅(qū)動(dòng)模塊和光源模塊提供DC24V電源。相機(jī)與組裝平臺(tái)的距離約為0.7米，本次選取的相機(jī)型號(hào)為CV-H100M,采用反射照明的方式，視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)RS232與ABB機(jī)器人進(jìn)行通訊。視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 視覺(jué)系統(tǒng)

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)參數(shù)及IO的設(shè)置

本系統(tǒng)使用的變頻器型號(hào)為FR-E500，主要作用為驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。PLC負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制，傳感器信號(hào)處理以及與機(jī)器人的通信。而工業(yè)機(jī)器人主要負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)面板的安裝與檢測(cè)，各個(gè)環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)與IO設(shè)置如表1、表2。

表1 三菱PLCI/O分配表

表2 工業(yè)機(jī)器人輸入輸出信號(hào)

■3.2 程序的設(shè)計(jì)與分析

3.2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

在這個(gè)系統(tǒng)中，PLC主要負(fù)責(zé)傳送帶的控制、光纖傳感器信號(hào)的處理以及機(jī)器人啟動(dòng)、停止的控制。以下為PLC部分核心程序如圖3所示。

圖3 PLC梯形圖

3.2.2 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

PROC main() !主程序

AccSet 75, 100; ！加速度設(shè)置

WordSpeed:=[1000,1000,0,0]！速度設(shè)置

vmax := v1000; ！最大速度

Vmin:=v50 ！最小速度

MoveJ home, WordSpeed, z50,mytoolWObj:=wobj0; ！以工作速度回home點(diǎn)

WaitRobInPos;

！程序執(zhí)行進(jìn)入等待，直到機(jī)械臂到達(dá)停止點(diǎn)

WaitRoberoSpeed;

！進(jìn)入等待，直到機(jī)械臂達(dá)到零速度

WHILE di3 = 1 DO ！等待PLC發(fā)送裝配信號(hào)

Position neiban, neiban1;

！內(nèi)板的定位與安裝

Position_finger qb_base, qb_base1;

！翹板底座的定位與安裝子程序

Position qiaoban, qiaoban1;

！翹板的定位與安裝子程序

Position waiban, waiban1;

！外面板的定位與安裝子程序

Vision;

！啟動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)子程序，合格品與不合格品區(qū)別處理

ENDWHILE

WaitTime 0.3;

ENDPROC

PROC Vision() ！視覺(jué)檢測(cè)子程序

Open "HOME:", iodev1Bin;

！打開(kāi)串行通道，與視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行通信

ClearIOBuあ iodev1;

！清除iodev1數(shù)據(jù)

WriteStrBin iodev1, "T1

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