基于PLC的疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁躍梅，徐新宇

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226004）

太陽(yáng)能作為一種新型綠色能源已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，為工作生活提供了極大便利[1]。光伏組件作為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的重要組成元件，它的生產(chǎn)效率顯得尤為重要。DHJ-A新型疊焊機(jī)是實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)光伏電池組件的自動(dòng)焊接疊層工序設(shè)備，但現(xiàn)有的疊焊機(jī)匯流條拉取精度達(dá)不到要求（誤差≤1 mm），抓取擺放位置有偏移[2]，且安全防護(hù)等級(jí)不完善，對(duì)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性以及光伏組件產(chǎn)量和質(zhì)量帶來(lái)較大的影響。因此，設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)控制系統(tǒng)程序用來(lái)提高安全防護(hù)等級(jí)和快速拉、抓取匯流條具有重要意義。本設(shè)計(jì)主要研究設(shè)備在不需要人工焊接情況下，自動(dòng)完成匯流帶運(yùn)送，包括吸取、移動(dòng)、放置等。通過(guò)匯川PLC編程控制完成運(yùn)帶抓取的各個(gè)功能，同時(shí)研究試驗(yàn)拉伸比能否降低拉取焊帶長(zhǎng)度誤差，減小拉取的匯流條誤差，提高抓取的擺放位置，增大太陽(yáng)能電池片的聚光性，提高安全防護(hù)，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性以及操作軟件的簡(jiǎn)易性。

1 疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

疊焊機(jī)運(yùn)行時(shí)，由工作人員在觸摸屏上選擇初始化模式夾爪、壓固、抓取走到初始位，在觸摸屏上點(diǎn)擊自動(dòng)模式，按下啟動(dòng)按鈕，夾爪進(jìn)行自動(dòng)夾住匯流條并運(yùn)行設(shè)定的長(zhǎng)度值，切刀伸出再下切抬起并縮回。夾爪將切下的匯流條依次運(yùn)送到真空3、真空2、真空1，夾爪放下匯流條時(shí)，壓固壓住匯流條末端，防止夾爪后退時(shí)，帶動(dòng)匯流條設(shè)定位置，依次打開(kāi)真空使匯流條吸在擺放位。當(dāng)備料完成后抓取單元去抓取擺放位上的匯流條，將它們精確地?cái)[放在托盤上進(jìn)行疊焊，其平面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 平面結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)以疊焊機(jī)的運(yùn)帶抓取工序?yàn)檠芯繉?duì)象，即將匯流條卷放在放料電機(jī)上，手動(dòng)拉匯流條穿過(guò)切刀口，前壓壓住匯流條，做好匯流條的放料準(zhǔn)備。點(diǎn)動(dòng)切刀下切再縮回初始位，讓匯流條超出切刀的長(zhǎng)度成為初定值，再放上重錘使匯流條始終保持拉直狀態(tài)，運(yùn)帶結(jié)構(gòu)主要由放料、剪切和拉取組成。疊焊機(jī)的抓取系統(tǒng)作用是抓取在擺放位的匯流條，利用真空吸嘴吸住匯流條，將匯流條精確地放在托盤上進(jìn)行疊焊[3]，抓取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 抓取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.2 控制器和調(diào)節(jié)方式選擇

由于疊焊機(jī)科技的快速發(fā)展及裝備規(guī)模的擴(kuò)大，本設(shè)計(jì)選擇PLC為控制核心。PLC相當(dāng)于一臺(tái)計(jì)算機(jī)，包含了CPU、存儲(chǔ)器和定時(shí)器等硬件，具有邏輯運(yùn)算和順序控制等功能。PLC控制器抗干擾能力強(qiáng)，在采集數(shù)據(jù)的速度和運(yùn)算精度方面較為出色，能夠適應(yīng)惡劣的復(fù)雜工業(yè)環(huán)境。除此之外，PLC控制器的可擴(kuò)展性能好，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可預(yù)留部分I/O接口，方便之后產(chǎn)品更新和功能拓展等[4]。通過(guò)電磁閥脈沖寬度調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)真空調(diào)節(jié)抓取在擺放位的匯流條，從而完成匯流條的精確放置及焊接。

2 疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)分析

如圖3所示為疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，整個(gè)系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、拉取/抓取/壓固伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器等組成。A/D、D/A與拉取/抓取/壓固伺服電機(jī)為控制系統(tǒng)的輔助功能，協(xié)同操作實(shí)現(xiàn)輸送帶抓取的穩(wěn)定運(yùn)行。觸摸屏是人機(jī)交互系統(tǒng)，將系統(tǒng)速度、位置、工作過(guò)程狀態(tài)和其他信號(hào)傳輸?shù)絇LC。PLC作為本系統(tǒng)的控制核心，對(duì)每種類型的信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算。作為系統(tǒng)的機(jī)械臂，拉取/抓取/壓固伺服驅(qū)動(dòng)器可以接收和處理由PLC傳輸?shù)拿}沖信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為設(shè)備的速度、動(dòng)態(tài)和位置。在編碼器的幫助下，可準(zhǔn)確地監(jiān)視和反饋由傳送帶捕獲的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 部分器件選取

1）PLC選取。根據(jù)1.2中的控制器和調(diào)節(jié)方式選擇分析，為提高控制系統(tǒng)的控制性能，此次使用Inovance系列AM620中型PLC來(lái)充當(dāng)疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取的控制核心。InovanceAM620中型PLC具有體積小、高度擬合的系統(tǒng)配置及強(qiáng)大的功能的特性，滿足對(duì)疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取運(yùn)行中所需的所有數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯計(jì)算的規(guī)劃。

2）傳感器選取。自動(dòng)化設(shè)備不能脫離傳感器的配合，并需要多種傳感器之間相互配合才能保證疊焊機(jī)安全、穩(wěn)定、高效地完成疊焊機(jī)控制檢測(cè)，主要有光電式傳感器、電磁式傳感器、光幕傳感器、限位開(kāi)關(guān)等。在疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取系統(tǒng)中，光電傳感器通過(guò)紅外線判斷夾爪、壓固、抓取等的位置情況，電磁式傳感器用來(lái)檢測(cè)氣缸內(nèi)的壓強(qiáng)信號(hào)及電磁閥是否吸合，光幕傳感器用來(lái)提高設(shè)備安全防護(hù)，防止設(shè)備在運(yùn)行時(shí)有人靠近設(shè)備，保證各個(gè)機(jī)構(gòu)在安全范圍內(nèi)運(yùn)行[5]。

3）人機(jī)交互系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用嵌入式一體化觸摸屏作為運(yùn)帶抓取的人機(jī)交互系統(tǒng)，完成操作者與設(shè)備之間的溝通，大大降低了設(shè)備的操作難度。操作人員不需要對(duì)設(shè)備有很深的了解，只需用手指控制觸摸屏即可得到運(yùn)行效果，運(yùn)行數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)反映在觸摸屏上，具有簡(jiǎn)單、便捷、分辨率高等特點(diǎn)。

4）伺服系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)放料、拉取、抓取Y和Z四個(gè)軸，并使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓固。從而確保系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)，同時(shí)配以SV635N伺服驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)位置/速度控制、速度/轉(zhuǎn)矩控制、位置/轉(zhuǎn)矩控制三者控制方式的切換，大大提高其控制精度和適用范圍，使其不僅可用于工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室研究等精度要求穩(wěn)定的地方，在對(duì)速度和張力控制有要求的場(chǎng)合也可以使用。

2.3 控制電路圖設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取的精準(zhǔn)控制要求時(shí)，合理的電氣控制圖設(shè)計(jì)也是一個(gè)非常重要環(huán)節(jié)，如圖4所示為主電路圖。本設(shè)計(jì)使用了五臺(tái)伺服電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)放料、拉取、壓固、抓取Y、抓取Z的軸運(yùn)行，壓固由傳統(tǒng)的固定壓固轉(zhuǎn)換為以電機(jī)和氣缸的運(yùn)動(dòng)，大大降低設(shè)備的運(yùn)行成本。

圖4 主電路圖

3 疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將PLC作為設(shè)備的控制核心，通過(guò)掃描的運(yùn)作方式來(lái)執(zhí)行程序，利用PLC規(guī)劃疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取運(yùn)行中所需的全部數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯計(jì)算等問(wèn)題，通過(guò)運(yùn)帶控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)疊焊機(jī)的伺服電機(jī)的控制。同時(shí)，PLC中的IO模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并反饋給觸摸屏，使操作員能夠更好地了解運(yùn)帶抓取的運(yùn)行信息，從而保證設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的多樣性功能，除了在上位機(jī)上開(kāi)發(fā)出配套的工序切換程序，還需搭配不同功能的末端執(zhí)行器，將設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，進(jìn)而完成控制，保證設(shè)備的正常運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示，利用觸摸屏、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)等裝置建立流程圖中的工作流程。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，首先進(jìn)入初始化程序運(yùn)行部分所需的參數(shù)數(shù)據(jù)，與此同時(shí)ABS掃描讀取伺服電機(jī)的即時(shí)數(shù)據(jù)，若是讀取失敗將會(huì)延長(zhǎng)讀取時(shí)間，若延長(zhǎng)時(shí)間后仍然無(wú)法讀取數(shù)據(jù)，將結(jié)果反饋至人機(jī)交互系統(tǒng)由人工處理。

圖6 控制系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏界面作為一種人機(jī)交互平臺(tái)，承擔(dān)了操作者與設(shè)備之間溝通的任務(wù)，大大降低了設(shè)備的操作難度。本設(shè)計(jì)的觸摸屏界面包括主界面、手動(dòng)界面、參數(shù)界面、報(bào)警界面及光幕界面，圖7（a）為觸摸屏主界面圖，圖7（b）為觸摸屏手動(dòng)界面圖。上電后，等待觸摸屏出現(xiàn)主界面，點(diǎn)擊各界面按鈕，就會(huì)自動(dòng)跳到相應(yīng)的界面。當(dāng)設(shè)備組裝好后，通過(guò)手動(dòng)界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)I/O對(duì)點(diǎn)及進(jìn)行傳感器的手動(dòng)試驗(yàn)，完成伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)，保證電機(jī)的正常使用。

圖7 觸摸屏界面

4 疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)

4.1 軟件仿真

隨著疊焊機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真與試驗(yàn)已成為各種復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)工作中必不可少的驗(yàn)證手段，通過(guò)仿真檢查設(shè)備的性能是否完好，是否存在錯(cuò)誤和問(wèn)題，提高研發(fā)效率，減少設(shè)備的損失。

疊焊機(jī)的運(yùn)帶抓取的軟件仿真是在無(wú)電情況下，利用匯川InoProShop和InoTouch Editor組態(tài)建立計(jì)算機(jī)和物體的虛擬模型來(lái)進(jìn)行觸摸屏與程序的離線仿真，仿真界面圖如圖8所示。

圖8 仿真界面圖

4.2 實(shí)際調(diào)試

經(jīng)過(guò)仿真調(diào)試后，設(shè)備是否能通電實(shí)際運(yùn)行，是完成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。在對(duì)電路各部分元器件組裝檢查無(wú)誤和電路連接檢查確認(rèn)良好后進(jìn)行上電運(yùn)行，實(shí)際拉取運(yùn)行圖如圖9所示。利用觸摸屏檢測(cè)匯流條的備料周期，由自動(dòng)程序中的計(jì)時(shí)器在前壓抬起時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，到夾爪回起始位，周期時(shí)間為9.8 s。觸摸屏實(shí)際監(jiān)控圖如圖10所示。

圖9 實(shí)際拉取運(yùn)行圖

圖10 觸摸屏實(shí)際監(jiān)控圖

4.3 結(jié)果及分析

在疊焊機(jī)的運(yùn)帶抓取運(yùn)行中，拉取焊帶的長(zhǎng)度由于各種因素而造成誤差，對(duì)疊焊的光伏組件質(zhì)量有一定影響。因此，降低設(shè)備拉取焊帶的長(zhǎng)度誤差有很大意義。本設(shè)計(jì)提出一種拉伸比的設(shè)計(jì)方案來(lái)降低誤差。拉取運(yùn)行距離（X）為：

式中：L為拉取長(zhǎng)度設(shè)置值；R%為拉伸比；r為補(bǔ)差值。根據(jù)方案，測(cè)量在不同拉伸比值的數(shù)值如表1所示。由表中數(shù)值可以驗(yàn)證，備料周期在10 s之內(nèi)，拉伸比能夠降低誤差在1 mm以內(nèi)。如圖11所示是拉伸比為1%、1.5%、2%時(shí)的測(cè)量值曲線圖。當(dāng)拉伸比為一定時(shí)，隨著拉取長(zhǎng)度的增大誤差值也會(huì)增大；當(dāng)拉取長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著拉伸比的增大誤差值隨之減小。

表1 拉取長(zhǎng)度測(cè)量數(shù)據(jù)表

圖11 曲線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以提高焊帶長(zhǎng)度拉取和減少備料周期為目的，根據(jù)實(shí)際要求，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以匯川AM600中型PLC為控制核心，利用光電式傳感器和電磁式傳感器進(jìn)行位置檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)拉取焊帶長(zhǎng)度的精準(zhǔn)定位；根據(jù)光幕傳感器檢測(cè)是否有人靠近設(shè)備，從而提高了設(shè)備安全性。本系統(tǒng)采用梯形圖語(yǔ)言編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)控制運(yùn)行。利用匯川InoProShop和InoTouch Editor組態(tài)建立仿真，通過(guò)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)觸摸屏狀態(tài)監(jiān)控等功能，進(jìn)行了系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，拉伸比能將拉取焊帶的誤差降到1 mm以內(nèi)以及備料周期控制在10 s之內(nèi)。