基于LabVIEW與PLC的自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：在工業(yè)生產(chǎn)中，有相當(dāng)多的產(chǎn)品組件組裝需要進(jìn)行螺絲鎖付，例如汽車座椅控制器的螺絲鎖付、汽車域控制器的螺絲鎖付及汽車儀表的螺絲鎖付等，在產(chǎn)品的螺絲鎖付這道工序上人工操作所占用的比例仍然較高，研究如何盡可能地使用自動(dòng)化設(shè)備代替人工實(shí)現(xiàn)這些繁忙的螺絲鎖付工作成為迫切的需要。針對(duì)上述問(wèn)題該文設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW和PLC的自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)，該系統(tǒng)以LabVIEW作為上位機(jī)平臺(tái)，PLC作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)上位機(jī)和PLC協(xié)同控制工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的螺絲鎖付功能。在實(shí)際的生產(chǎn)中驗(yàn)證該系統(tǒng)具有一定的可靠性，該控制系統(tǒng)的應(yīng)用使操作人員從繁忙的操作中解脫出來(lái)，可極大地提高產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；PLC；工業(yè)自動(dòng)化；工業(yè)機(jī)器人；硬件系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）28-0127-04

Abstract： In industrial production， there are quite a number of product components that require screw locking， such as screw locking for car seat controllers， screw locking for car domain controllers， and screw locking for car instruments. The proportion of manual operations in the screw locking process of products is still high. How to use automated equipment as much as possible to replace manual work to achieve these busy screw locking work has become an urgent need. Aiming at the above problems， this paper designs an automatic screw locking system based on LabVIEW and PLC. The system uses LabVIEW as the upper computer platform and PLC as the execution mechanism. The upper computer and PLC cooperate to control the industrial robot to realize the screw locking function of the product. The reliability of the system has been verified in actual production. The application of this control system frees operators from busy operations and greatly improves the production efficiency of the production line.

Keywords： LabVIEW; PLC; industrial automation; industrial robot screw; hardware system

現(xiàn)如今大多數(shù)產(chǎn)品的裝配都是采用螺絲鎖付的方式，這種方式具有拆裝方便、可靠性好及可重復(fù)利用等特點(diǎn)，因此在工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[1]。目前，自動(dòng)化生產(chǎn)已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代大規(guī)模生產(chǎn)的中堅(jiān)力量，尤其是一些產(chǎn)品枯燥的螺絲鎖付工作更加需要自動(dòng)化生產(chǎn)方式代替[2-5]，進(jìn)而減輕操作人員的工作負(fù)擔(dān)。

LabVIEW是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，其結(jié)合了圖形化編程方式的高性能與靈活性，并具有多種接口函數(shù)可供調(diào)用，有利于和各種儀器設(shè)備進(jìn)行通信互聯(lián)[6]，因此，LabVIEW已經(jīng)成為當(dāng)前自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件的主要軟件平臺(tái)[7-9]。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中上位機(jī)軟件往往還會(huì)與PLC配合使用，上位機(jī)可作為該系統(tǒng)的大腦，能夠?qū)崟r(shí)控制和監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)模塊的狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前獲取到的系統(tǒng)信息，發(fā)送相應(yīng)的控制指令。PLC作為大部分控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)環(huán)境中具有無(wú)可替代的作用，首先其在控制系統(tǒng)中能夠完成一些較為復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，并且具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，其次是其能夠高效地執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的一系列指令，還能夠收集系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)信息反饋給上位機(jī)，進(jìn)而達(dá)到監(jiān)控系統(tǒng)的目的。此外，一個(gè)完整的自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)往往還需要核心的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)——工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人自問(wèn)世以來(lái)廣泛用于電子、汽車制造、食品包裝、制藥和化工等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域之中[10]。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度要求的不斷提高，人們對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求量也越來(lái)越大。

本文以LabVIEW為軟件編程平臺(tái)，結(jié)合PLC和工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)備選型啟動(dòng)后，人工把將要鎖付的產(chǎn)品組件放入相應(yīng)的定位夾具中，雙手按下啟動(dòng)按鈕，產(chǎn)品定位夾具上的各種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將組件固定，然后鎖釘機(jī)器人將根據(jù)當(dāng)前型號(hào)的產(chǎn)品吸取對(duì)應(yīng)的螺絲進(jìn)行螺絲鎖付，待所有的螺絲鎖付完成后，產(chǎn)品定位夾具上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)松開(kāi)產(chǎn)品，鎖釘機(jī)器人返回待命位置，整個(gè)產(chǎn)品的鎖付過(guò)程結(jié)束。

1 硬件系統(tǒng)

自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如圖1所示，該硬件系統(tǒng)主要包括設(shè)備臺(tái)架、電腦顯示器、觸摸屏、產(chǎn)品定位夾具、電氣控制柜、工控機(jī)、鎖釘機(jī)器人、鎖釘螺批和螺絲供料機(jī)等。此外該系統(tǒng)還配有NG螺釘盒，當(dāng)產(chǎn)品的某個(gè)螺釘鎖付失敗時(shí)，機(jī)器人會(huì)把該螺釘放在NG螺釘盒內(nèi)。工控機(jī)安裝在設(shè)備底部；PLC配電盤、鎖釘機(jī)器人控制器、鎖釘螺批控制器安裝在電氣控制柜中；產(chǎn)品定位夾具支持快速換裝功能，可滿足多種型號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)需要；電腦顯示器和觸摸屏安裝在設(shè)備上部便于觀看和操作；鎖釘螺批通過(guò)連接件固定在鎖釘機(jī)器人的Z軸上，然后把機(jī)器人固定在底板上；螺絲供料機(jī)固定在托盤支架上。

自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)各硬件單元通信原理如圖2所示，上位機(jī)通過(guò)TCP/IP通信的方式分別連接到PLC和鎖釘機(jī)器人控制器上，PLC和鎖釘機(jī)器人、螺絲供料機(jī)、螺批控制器之間采用I/O連接。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)PLC需要監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)和控制機(jī)器人復(fù)位，監(jiān)控螺絲供料機(jī)是否有螺絲可取，控制螺批旋轉(zhuǎn)和獲取扭力到位信號(hào)等。觸摸屏和PLC之間采用的是RS485通信，觸摸屏可以實(shí)時(shí)監(jiān)控PLC內(nèi)部各個(gè)軟元件的信號(hào)狀態(tài)，從而達(dá)到可視化的目的。PLC作為主要的執(zhí)行單元，大部分的I/O通信都連接在PLC上，上位機(jī)通過(guò)TCP/IP通信訪問(wèn)PLC內(nèi)部各個(gè)軟元件的當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)而間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)硬件單元的控制和狀態(tài)監(jiān)控。

2 自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)作為整個(gè)自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)的核心，對(duì)各種命令的發(fā)出和各種信息的接收處理起到至關(guān)重要的作用，因此對(duì)上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)顯得非常重要，本系統(tǒng)以LabVIEW為軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序流程圖如圖3所示，上位機(jī)程序的基本邏輯如下：上位機(jī)程序開(kāi)始運(yùn)行后，首先是產(chǎn)品選型，本步驟是要提示客戶進(jìn)行產(chǎn)品型號(hào)的選擇，因?yàn)椴煌漠a(chǎn)品對(duì)應(yīng)不同的鎖螺絲點(diǎn)位及鎖螺絲的數(shù)量，需要調(diào)取不同的配置文件；其次是夾具型號(hào)檢測(cè)，產(chǎn)品型號(hào)選定后要檢查當(dāng)前的產(chǎn)品夾具是否與當(dāng)前所選程序?qū)?yīng)，如果產(chǎn)品夾具和所選產(chǎn)品型號(hào)不對(duì)應(yīng)則程序停止?？刂圃O(shè)備復(fù)位，上位機(jī)向PLC發(fā)送復(fù)位指令控制各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)位，然后再控制機(jī)器人復(fù)位，并使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到待命位置；接著是檢查系統(tǒng)是否復(fù)位正常，如一切正常則系統(tǒng)進(jìn)入鎖螺絲程序等待啟動(dòng)，否則程序停止；然后是程序進(jìn)入鎖螺絲程序后，上位機(jī)等待PLC給出鎖螺絲啟動(dòng)信號(hào)，當(dāng)上位機(jī)獲取到鎖螺絲啟動(dòng)信號(hào)后，上位機(jī)開(kāi)始逐個(gè)調(diào)取螺絲點(diǎn)位的配置信息，通過(guò)TCP/IP通信發(fā)送給鎖釘機(jī)器人，當(dāng)機(jī)器人得到鎖螺絲信息后，通過(guò)配置信息里的參數(shù)，控制機(jī)器人完成取螺絲和鎖螺絲的動(dòng)作；最后當(dāng)所有的螺絲鎖付結(jié)束后，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到待命位置，上位機(jī)向PLC輸出鎖螺絲完成信號(hào)，一個(gè)產(chǎn)品螺絲鎖付的完整上位機(jī)程序結(jié)束。

2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC既是本系統(tǒng)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是上位機(jī)獲取其他硬件單元工作狀態(tài)的重要紐帶，自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)的正常運(yùn)行也需要PLC程序的完美配合，圖4展示了PLC程序的基本運(yùn)行邏輯。

上位機(jī)程序啟動(dòng)后，PLC程序運(yùn)行首先是檢測(cè)夾具型號(hào)編號(hào)，PLC根據(jù)產(chǎn)品夾具托臺(tái)上的接近傳感器讀取當(dāng)前產(chǎn)品夾具的感應(yīng)信號(hào)，然后把該信號(hào)傳回上位機(jī)，由上位機(jī)判斷當(dāng)前所使用的夾具是否與上位機(jī)所選程序?qū)?yīng)，從而決定程序是否被繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)PLC在接收到上位機(jī)發(fā)出的控制系統(tǒng)復(fù)位指令后，開(kāi)始驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的各種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和鎖釘機(jī)器人復(fù)位，使鎖釘系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備復(fù)位完成后，PLC程序檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，如果系統(tǒng)運(yùn)行異常，則設(shè)備程序停止；如果沒(méi)有異常則程序會(huì)等待人工啟動(dòng)信號(hào)。在夾具中放入待鎖付的產(chǎn)品組件后，人工雙手按下兩側(cè)的啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)上的各種固定機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，把產(chǎn)品組件固定在夾具上，等到各種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就緒后，PLC向上位機(jī)輸出啟動(dòng)鎖螺絲信號(hào)，上位機(jī)讀到鎖螺釘啟動(dòng)信號(hào)后開(kāi)始控制機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品組件進(jìn)行螺絲鎖付，而PLC程序開(kāi)始等待上位機(jī)輸出鎖螺絲完成信號(hào)，當(dāng)PLC程序檢測(cè)到由上位機(jī)輸出的鎖螺絲完成信號(hào)后，開(kāi)始控制系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)位，機(jī)器人返回待命位置，此時(shí)一個(gè)產(chǎn)品螺絲鎖付的下位機(jī)程序流程結(jié)束。

2.3 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)的主要運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同樣也需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的程序來(lái)配合上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的螺絲自動(dòng)鎖付功能，本系統(tǒng)采用的是一臺(tái)四軸機(jī)器人，其具有3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和1個(gè)Z軸。

圖5是自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)機(jī)器人程序的流程圖。上位機(jī)程序運(yùn)行后，上位機(jī)向PLC發(fā)送控制機(jī)器人復(fù)位的指令，PLC接收到指令后，控制機(jī)器人復(fù)位，然后檢查機(jī)器人是否復(fù)位完成，如果機(jī)器人復(fù)位失敗，則結(jié)束程序運(yùn)行；如果機(jī)器人復(fù)位完成，則執(zhí)行機(jī)器人主程序。進(jìn)入主程序后首先檢測(cè)機(jī)器人有沒(méi)有出現(xiàn)故障報(bào)警，如果機(jī)器人出現(xiàn)故障報(bào)警則程序停止；如果機(jī)器人沒(méi)有出現(xiàn)故障報(bào)警，則程序開(kāi)始等待上位機(jī)發(fā)出鎖螺絲指令，等到有指令輸入后，機(jī)器人根據(jù)輸入的相關(guān)參數(shù)開(kāi)始執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一次吸螺絲和鎖螺絲的動(dòng)作。每鎖完一顆螺絲，機(jī)器人都會(huì)輸出指令執(zhí)行完成的標(biāo)志信號(hào)，如果當(dāng)前螺絲的鎖付動(dòng)作正常結(jié)束，則機(jī)器人開(kāi)始執(zhí)行下一顆螺絲的鎖付動(dòng)作；如果機(jī)器人沒(méi)有輸出指令執(zhí)行完成的標(biāo)志信號(hào)，則說(shuō)明機(jī)器人在螺絲的鎖付過(guò)程中出現(xiàn)異常，程序運(yùn)行停止。

3 系統(tǒng)運(yùn)行分析

對(duì)自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)的上位機(jī)程序、PLC程序、機(jī)器人程序開(kāi)發(fā)完成后，需要把這幾部分程序聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，進(jìn)而使這些模塊化的程序形成一個(gè)整體，把整個(gè)系統(tǒng)的程序進(jìn)行調(diào)試后，運(yùn)行該系統(tǒng)并分析其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，觀察設(shè)備運(yùn)行邏輯是否滿足預(yù)期。首先是人工啟動(dòng)上位機(jī)程序，并選擇要生產(chǎn)的產(chǎn)品型號(hào)，然后觀察產(chǎn)品夾具上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能否正常復(fù)位，等產(chǎn)品夾具運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)位完成后，機(jī)器人也開(kāi)始復(fù)位，等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)全部復(fù)位就緒后，上位機(jī)界面操作提示框顯示“可以放入產(chǎn)品，然后按下雙啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)鎖螺絲”。觀察觸摸屏的監(jiān)控界面，夾具復(fù)位完成信號(hào)、機(jī)器人復(fù)位完成信號(hào)、機(jī)器人待命信號(hào)、等待下位機(jī)啟動(dòng)信號(hào)都出現(xiàn)OK狀態(tài)，此時(shí)說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)正常運(yùn)行起來(lái)，并處于待命狀態(tài)。將產(chǎn)品樣件放入產(chǎn)品定位夾具中，觸摸屏監(jiān)控界面產(chǎn)品感應(yīng)信號(hào)出現(xiàn)OK狀態(tài)，雙手按下啟動(dòng)按鈕，產(chǎn)品定位夾具運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定好產(chǎn)品組件，機(jī)器人開(kāi)始運(yùn)動(dòng)吸取螺絲，然后到預(yù)定點(diǎn)位完成一顆螺絲的鎖付工作，機(jī)器人會(huì)重復(fù)上述吸螺絲和鎖螺絲的動(dòng)作，直到產(chǎn)品的所有螺絲鎖付完成，產(chǎn)品定位夾具的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)位，機(jī)器人回到待命位置，所有的交接信號(hào)恢復(fù)到原始狀態(tài)。在螺絲鎖付的過(guò)程中，如出現(xiàn)螺絲吸取失敗，或者螺絲鎖付失敗的情況，根據(jù)程序設(shè)定的規(guī)則，機(jī)器人會(huì)把這顆螺絲放到NG螺釘盒內(nèi)。

通過(guò)對(duì)自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)分析可知，該系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程符合設(shè)計(jì)預(yù)期，能夠勝任產(chǎn)線自動(dòng)化鎖付產(chǎn)品螺絲的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW和PLC的自動(dòng)鎖螺絲系統(tǒng)，本系統(tǒng)以LabVIEW為上位機(jī)軟件平臺(tái)并配合PLC協(xié)同控制工業(yè)機(jī)器人完成產(chǎn)品的螺絲鎖付工作。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要人工將待鎖付的產(chǎn)品組件放入產(chǎn)品的定位夾具中，并需要人工確認(rèn)按下雙啟動(dòng)按鈕，此時(shí)下位機(jī)PLC控制各種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將產(chǎn)品組件固定，同時(shí)向上位機(jī)輸出鎖釘啟動(dòng)信號(hào)，待上位機(jī)讀取到鎖釘啟動(dòng)信號(hào)后，上位機(jī)便將該型號(hào)產(chǎn)品的配置信息逐條發(fā)送給機(jī)器人使其完成產(chǎn)品的螺釘鎖付工作。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，該自動(dòng)化鎖螺絲系統(tǒng)可以滿足生產(chǎn)線自動(dòng)鎖螺絲的生產(chǎn)需求，減少了人工操作的時(shí)間，在一定程度上提高了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

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