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

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

我國是一個制造業(yè)大國，在企業(yè)生產(chǎn)過程中需要投入大量的人力，勞動密集型的企業(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)就是其中一個典型的例子。由于開關(guān)面板每一個配件的大小、結(jié)構(gòu)都不一樣，裝配的過程中需要精準(zhǔn)的定位以及適當(dāng)?shù)牧Χ?，安裝精度要求較高，因此社會上開關(guān)面板的裝配仍然以手工裝配為主。

開關(guān)面板的手工裝配造成了一線生產(chǎn)工人的勞動強(qiáng)度過大，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)無法吸引年輕的勞動力，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PLC與工業(yè)機(jī)器人的協(xié)同控制，設(shè)計出一套開關(guān)面板自動裝配的系統(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，可以及時處理現(xiàn)場反饋的信息。工業(yè)機(jī)器人具有較高的重復(fù)精度，動作靈活，可以有效完成開關(guān)面板的組裝環(huán)節(jié)。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計思路

開關(guān)面板的各個配件通過PLC控制的傳送帶送到定位卡口，實現(xiàn)初步定位，并由傳感器反饋配件到位情況給PLC，PLC通過I/O通信，給機(jī)器人一個啟動信號，機(jī)器人將各個配件搬到定位平臺，然后按照開關(guān)面板的裝配順序完成開關(guān)面板的裝配。最后通過視覺系統(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，合格產(chǎn)品由機(jī)器人搬到成品區(qū)。整個系統(tǒng)的設(shè)計同時需滿足以下要求：①生產(chǎn)效率：450個/小時；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，開關(guān)面板的組裝由傳送帶、機(jī)器人、定位裝配平臺、視覺檢測四部分組成。整個系統(tǒng)的模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型

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）視覺檢測。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

由于開關(guān)面板的型號、大小、形狀各有不同，本文以組裝86型開關(guān)面板來進(jìn)行設(shè)計。如系統(tǒng)需要組裝其他型號開關(guān)面板，則只需在傳送帶、定位工作臺的作簡單的機(jī)械調(diào)整，同時適當(dāng)?shù)男薷臋C(jī)器人的程序即可完成不同型號開關(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不同的配件送至定位卡口就可，所以對電機(jī)并沒有過高的要求，本方案則選擇普通的三相交流異步電動機(jī)即可。電機(jī)由變頻器進(jìn)行控制，頻率為30Hz即可。為了檢測開關(guān)面板的到位情況，在傳送帶的末端分別安裝四個光纖傳感器，以作為配件到位檢測。

■2.2 PLC選型

產(chǎn)線員工（或工業(yè)機(jī)器人）將開關(guān)面板四個配件放到傳送帶上，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，由ABB機(jī)器人進(jìn)行裝配。本次設(shè)計共需7位輸入信號、5位輸出信號,考慮到設(shè)計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)計選出三菱FX3U-32MR/ES，即16個輸入與16個輸出的繼電器輸出PLC。

■2.3 機(jī)器人以及夾具選型

由于開關(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)器人裝配開關(guān)面板時需要移動的距離小于1米，且負(fù)荷均較小，所以本次選取ABB工業(yè)機(jī)器人，型號為IRB-1200-7/0.7即可。86型開關(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 基恩士視覺系統(tǒng)

當(dāng)86開關(guān)面板組裝完成后，由視覺系統(tǒng)來檢測面板是否合格，面板的安裝是否有缺漏。本系統(tǒng)采用的視覺系統(tǒng)為基恩士視覺系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)主要包括視覺驅(qū)動器、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)動模塊和光源模塊提供DC24V電源。相機(jī)與組裝平臺的距離約為0.7米，本次選取的相機(jī)型號為CV-H100M,采用反射照明的方式，視覺系統(tǒng)通過RS232與ABB機(jī)器人進(jìn)行通訊。視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 視覺系統(tǒng)

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

■3.1 系統(tǒng)參數(shù)及IO的設(shè)置

本系統(tǒng)使用的變頻器型號為FR-E500，主要作用為驅(qū)動三相異步電動機(jī)。PLC負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制，傳感器信號處理以及與機(jī)器人的通信。而工業(yè)機(jī)器人主要負(fù)責(zé)開關(guān)面板的安裝與檢測，各個環(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

■3.2 程序的設(shè)計與分析

3.2.1 PLC程序設(shè)計

在這個系統(tǒng)中，PLC主要負(fù)責(zé)傳送帶的控制、光纖傳感器信號的處理以及機(jī)器人啟動、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

以上為ABB機(jī)器人的主程序以及視覺檢測程序。開關(guān)面板各部件的通過機(jī)械裝置來定位，機(jī)器人按先后順序，分別把內(nèi)板、翹板底座、翹板以及外面板從傳送帶抓取至定位平臺，通過定位平臺來固定各個部件的位置，然后再從定位平臺抓取到安裝平臺進(jìn)行安裝，最后通過相機(jī)拍攝，檢測面板的安裝情況，把合格與不合格的產(chǎn)品進(jìn)行區(qū)別處理。裝配與檢測流程如圖4所示。

圖4 裝配與檢測流程

4 系統(tǒng)的調(diào)試

在系統(tǒng)設(shè)計完畢后，需要進(jìn)行實際的聯(lián)機(jī)調(diào)試。在調(diào)試的過程中先逐個部分進(jìn)行調(diào)試。其中主要分成三大部分。（1）PLC與傳送帶。（2）機(jī)器人對開關(guān)面板的組裝。（3）視覺系統(tǒng)的檢測能力調(diào)試。在對各個部分進(jìn)行調(diào)試前，先進(jìn)行電路安全檢測，電源的檢測以及獨立部件的檢測，在調(diào)試過程中，根據(jù)實際的情況調(diào)節(jié)相關(guān)部件以及程序，以確保系統(tǒng)的安裝精度以及系統(tǒng)的嚴(yán)謹(jǐn)度。最后在確保設(shè)備各個部分都正常的情況下，再進(jìn)行連機(jī)測試。

5 結(jié)束語

從本方案的設(shè)計、比較、論證、實踐探索到最后調(diào)試與改進(jìn)，慢慢到完成本系統(tǒng)的落實。通過這次設(shè)計，讓我更好的體會了理論與實際相結(jié)合的重要性。我們學(xué)習(xí)PLC與機(jī)器人無非是為了解決實際生產(chǎn)中的應(yīng)用問題，這次設(shè)計確實讓我受益匪淺。當(dāng)然，本系統(tǒng)仍然有不完善的之處，系統(tǒng)的效率還有待提高。本系統(tǒng)的設(shè)計，讓我的編程能力以及系統(tǒng)設(shè)計能力得到了一次很好的鍛煉，同時對工業(yè)控制有了更深刻的認(rèn)識。工業(yè)機(jī)器人與視覺檢測配合應(yīng)用能大大的提高生產(chǎn)效率以及良品率，推動社會生產(chǎn)力的發(fā)展，從而讓我們的日常生產(chǎn)帶來便利，自動化程度更高，更科學(xué)。