基于S7-1200 PLC的自動(dòng)化打磨工作站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方 騫，趙士航，唐 霞

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214121)

汽車輪轂的生產(chǎn)采用鑄造工藝[1]，輪轂中間適配車型標(biāo)志進(jìn)行加工后常使用手工打磨，打磨過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生毛刺[2]等，針對(duì)上述問(wèn)題，大部分工廠目前采用毛刷人工修復(fù)方式，這種修復(fù)方式質(zhì)量不高且效率低，同時(shí)修復(fù)過(guò)程中由于手持不穩(wěn)易打滑，極易導(dǎo)致操作人員受傷。2015年，我國(guó)提出智能制造戰(zhàn)略[3]。為更好地對(duì)接智能制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，本文針對(duì)汽車輪轂零件的智能化打磨需求，集成了工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)[4]及PLC控制技術(shù)[5]等多種技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)打磨系統(tǒng)。

1 自動(dòng)化打磨工作站總體設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人是智能制造的重要組成部分，因具有重復(fù)定位精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在智能生產(chǎn)線。本文涉及的自動(dòng)化打磨工作站包括物料搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、視覺(jué)檢測(cè)單元及打磨單元4個(gè)部分，如圖1所示?？紤]到汽車輪轂零件生產(chǎn)過(guò)程的智能化，選擇工業(yè)機(jī)器人作為工作站系統(tǒng)物料搬運(yùn)單元的執(zhí)行裝置；控制系統(tǒng)則由主控制器、機(jī)器人控制器、傳感器及電磁閥等構(gòu)成，主控制器選取可操作性強(qiáng)、組態(tài)靈活的PLC控制器。

圖1 自動(dòng)化打磨工作站系統(tǒng)構(gòu)成

2 自動(dòng)化打磨工作站硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)化打磨工作站系統(tǒng)由六軸工業(yè)機(jī)器人、PLC控制器、工業(yè)相機(jī)等硬件構(gòu)成，打磨單元由升降氣缸、翻轉(zhuǎn)氣缸、夾爪、傳感器及電磁閥等構(gòu)成。工業(yè)機(jī)器人的上下料主要通過(guò)氣動(dòng)夾爪來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為滿足工業(yè)機(jī)器人對(duì)不同姿態(tài)的輪轂的抓取需求和機(jī)器人對(duì)輪轂零件的自動(dòng)拋光打磨需求，工業(yè)機(jī)器人六軸終端裝配了法蘭盤，并單獨(dú)配備了工具模塊，方便機(jī)器人更換、取放工具。

2.1 主要部件選型

2.1.1工業(yè)機(jī)器人選型

工業(yè)機(jī)器人通常需要接收其他設(shè)備或傳感器的信號(hào)才能完成指派的生產(chǎn)任務(wù)，本文研究的自動(dòng)化打磨工作站在搬運(yùn)汽車輪轂零件時(shí)，首先通過(guò)光電傳感器確定指定的工位上是否有料，當(dāng)指定工位有料時(shí)，傳感器給機(jī)器人發(fā)送一個(gè)信號(hào)。機(jī)器人接收到這個(gè)信號(hào)后執(zhí)行相應(yīng)的操作，如按照預(yù)定的軌跡開(kāi)始搬運(yùn)等。

本文研究的汽車輪轂零件質(zhì)量為0.5 kg,輪轂半徑為60 mm，考慮到打磨工作站的整體尺寸為680 mm×680 mm，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的工作區(qū)域要求不大，因此選用ABB公司的新型第四代機(jī)器人IRB 120，它是六自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)桌面型工業(yè)機(jī)器人，負(fù)載3 kg,手腕設(shè)有10路集成信號(hào)源、4路集成氣源,重復(fù)定位精度為0.01 mm，便于靈活地安裝在平移滑臺(tái)上。對(duì)機(jī)器人而言，傳感器發(fā)送給機(jī)器人的信號(hào)屬于數(shù)字量的輸入信號(hào)，在ABB工業(yè)機(jī)器人中，數(shù)字量的輸入信號(hào)的接收是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)I/O信號(hào)板卡來(lái)完成的，為此添加ABB——DSQC652標(biāo)準(zhǔn)I/O板卡,擴(kuò)展16個(gè)數(shù)字量輸入端口和16個(gè)數(shù)字量輸出端口。

2.1.2PLC選型

本文選用SIMATIC S7-1200 PLC，可完成簡(jiǎn)單到高級(jí)的邏輯控制、人機(jī)界面(human machine interface，HMI)和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)。S7-1200提供一個(gè) PROFINET 端口用于與工業(yè)機(jī)器人、其他PLC、工業(yè)相機(jī)等組網(wǎng)連接，還提供了各種信號(hào)模塊和信號(hào)板用于擴(kuò)展CPU的能力。S7-1200的I/O口豐富，本文采用的CPU 1212C模塊，包含8路數(shù)字輸入、6路數(shù)字輸出和2路模擬信號(hào)輸入，滿足本系統(tǒng)的通信要求。

2.1.3工業(yè)相機(jī)選型

自動(dòng)化打磨系統(tǒng)選用歐姆龍的圖像處理系統(tǒng)——OMRON FH L550，作為生產(chǎn)加工的檢測(cè)環(huán)節(jié)，支持TCP/IP通訊協(xié)議，方便與工業(yè)機(jī)器人直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)，有配套的光源與操作顯示器，可實(shí)時(shí)獲取輪轂的形狀、尺寸、角度、位置等參數(shù)信息。

2.2 工作站硬件布局

在硬件布局規(guī)劃上，除控制系統(tǒng)外，每一個(gè)子系統(tǒng)都需要工業(yè)機(jī)器人的配合才能完成各子系統(tǒng)的自動(dòng)化功能。為了實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的功能目標(biāo)，考慮系統(tǒng)間的空間立體機(jī)構(gòu)，避免造成干涉、碰撞，自動(dòng)化打磨工作站的硬件布局如圖2所示，滿足作業(yè)區(qū)域在工業(yè)機(jī)器人的有效工作范圍內(nèi)，避免在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍極限位置造成奇異點(diǎn)等，滿足了各個(gè)子系統(tǒng)的功能要求。

圖2 打磨工作站硬件布局

3 自動(dòng)化打磨工作站的通訊方式設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的通信主要通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將控制系統(tǒng)與硬件連接，實(shí)現(xiàn)信息兼容和各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，如圖3所示。PLC_1通過(guò)ProfiNet協(xié)議，以遠(yuǎn)程I/O的方式擴(kuò)展自己的I/O端口，從而與打磨模塊和工業(yè)機(jī)器人之間進(jìn)行信號(hào)交互；PLC_2通過(guò)自身的I/O端口，直接與三色指示燈連接；PLC_3通過(guò)自身的I/O端口與伺服驅(qū)動(dòng)器連接；工業(yè)機(jī)器人通過(guò)DeviceNet協(xié)議，利用標(biāo)準(zhǔn)板卡的I/O端口實(shí)現(xiàn)對(duì)工具的控制。PLC_1與 PLC_2之間通過(guò)S7 TCP協(xié)議進(jìn)行通訊，PLC_1與PC機(jī)通過(guò)ProfiNet協(xié)議進(jìn)行通訊，用于在PC中實(shí)時(shí)監(jiān)控信號(hào)。工業(yè)機(jī)器人一方面通過(guò)DeviceNet協(xié)議擴(kuò)展的I/O端口分別與PLC_2和PLC_3通訊，另一方面通過(guò)TCP/IP協(xié)議與視覺(jué)檢測(cè)單元進(jìn)行通訊。

圖3 打磨工作站通訊流程

4 打磨工作站軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 PLC程序總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)化打磨系統(tǒng)的PLC程序分為主程序塊、打磨塊、伺服控制塊、三色燈控制塊及通訊塊。主程序塊負(fù)責(zé)調(diào)用打磨塊及與通訊塊，接收機(jī)器人的信號(hào)；打磨塊通過(guò)控制各個(gè)電磁閥與傳感器交互完成各種動(dòng)作；伺服控制塊控制伺服電機(jī)的啟停、位置及速度；三色燈控制塊控制三色燈的亮滅，反映加工狀態(tài)，及時(shí)報(bào)告故障；通訊塊負(fù)責(zé)與機(jī)器人通訊，獲取當(dāng)前加工狀態(tài)。

4.1.1I/O信號(hào)配置及連接

打磨工作站各模塊設(shè)計(jì)完成后，需通過(guò)配置I/O實(shí)現(xiàn)PLC、工業(yè)機(jī)器人、伺服傳送機(jī)構(gòu)、打磨組件和傳感器等設(shè)備的無(wú)縫連接。遠(yuǎn)程I/O輸入模塊負(fù)責(zé)連接工位的檢測(cè)信號(hào)、夾具動(dòng)作信號(hào)、翻轉(zhuǎn)動(dòng)作信號(hào)、升降到位信號(hào)等，作為PLC的輸入信號(hào)；遠(yuǎn)程I/O輸出模塊連接打磨工位夾緊氣缸、旋轉(zhuǎn)工位旋轉(zhuǎn)氣缸、吹屑工位吹氣電磁閥，作為PLC的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)利用傳感器、按鈕等通過(guò)PLC控制氣缸、電磁閥、伺服的動(dòng)作。自動(dòng)化打磨工作站控制系統(tǒng)I/O硬件連接如圖4所示。

4.1.2PLC打磨塊程序設(shè)計(jì)

打磨塊程序主要分成打磨部分及翻轉(zhuǎn)部分。

圖4 自動(dòng)化打磨工作站控制系統(tǒng)I/O硬件連接

PLC打磨部分程序需要實(shí)現(xiàn)接收工業(yè)機(jī)器人的請(qǐng)求打磨信號(hào)，檢測(cè)當(dāng)前輪轂零件位于打磨位還是旋轉(zhuǎn)位，通過(guò)工位上的夾具將輪轂固定，告知機(jī)器人準(zhǔn)許打磨。PLC翻轉(zhuǎn)部分程序需要實(shí)現(xiàn)接收機(jī)器人信號(hào)，使翻轉(zhuǎn)工裝夾持輪轂從打磨(旋轉(zhuǎn))位翻轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)(打磨)位，同時(shí)通過(guò)機(jī)器人信號(hào)復(fù)位打磨子系統(tǒng)的電磁閥，打磨單元函數(shù)塊編程思路如圖5所示。

圖5 打磨單元函數(shù)塊編程思路

4.2 工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

將工業(yè)機(jī)器人的程序分解成：將輪轂零件放于打磨位或旋轉(zhuǎn)位上；從打磨位或旋轉(zhuǎn)位取輪轂零件；將輪轂零件放置于視覺(jué)檢測(cè)位；對(duì)打磨加工區(qū)域進(jìn)行打磨。工業(yè)機(jī)器人打磨程序流程圖如圖6所示。

5 自動(dòng)化打磨工作站調(diào)試

自動(dòng)化打磨工作站設(shè)備主體是由底座、鋁框及亞克力板組成，不僅降低了打磨噪聲，而且改善了打磨工作環(huán)境。設(shè)備整體配備顯示屏來(lái)運(yùn)行顯示上位機(jī)程序；配備三色指示燈用于提醒及警示設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況；配備主電路開(kāi)關(guān)按鈕及急停按鈕用于處理緊急事故，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人夾取輪轂檢測(cè)與打磨拋光的自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程。打磨工作站系統(tǒng)搭建完成后，需不斷調(diào)試優(yōu)化，包括：優(yōu)化機(jī)器人的程序及路徑軌跡、 PLC 控制程序，使設(shè)備運(yùn)行更加流暢安全；優(yōu)化打磨的軌跡，使打磨出來(lái)的零件更符合企業(yè)規(guī)定要求，優(yōu)化打磨方式與打磨路線，使打磨效率更高；不斷排除設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的故障，確保設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，優(yōu)化設(shè)備操作步驟，使企業(yè)工作人員能在短時(shí)間內(nèi)熟練操作設(shè)備及故障的檢測(cè)與排除。經(jīng)過(guò)企業(yè)的實(shí)際投放使用，設(shè)備的打磨效率為人工打磨的3～4倍，且設(shè)備打磨一致性更好，可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 工業(yè)機(jī)器人打磨程序流程圖

6 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化打磨工作站完成了PLC程序控制實(shí)現(xiàn)輪轂零件的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)和打磨，以及工業(yè)機(jī)器人、PLC、視覺(jué)檢測(cè)工位數(shù)據(jù)交換，為智能制造中零件的自動(dòng)化打磨提供了新的見(jiàn)解，未來(lái)可繼續(xù)優(yōu)化該方案，如通過(guò)安裝更加先進(jìn)的視覺(jué)傳感器輔助工業(yè)機(jī)器人的定位打磨，加裝輔助機(jī)器人完成上下料操作，減少工業(yè)機(jī)器人的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的智能化打磨工序，進(jìn)一步提高打磨效率等。