基于S7-200的鋁錠激光標刻頭自找正控制系統設計

呂澤成，辛舟

(蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

通過電解法生產的應用于工業的原料被稱為鋁錠，按照國家鋁錠產品標準要求，鋁錠鑄造完成后需粘貼合格證標簽以方便追溯及管理。標簽內容包括生產單位、生產日期、熔煉爐號、牌號、質量、條形碼等信息。傳統標簽粘貼工序參與人員多、部門雜、工序長，導致物流倒運成本、人力及耗材成本高[1-2]。鑒于此，本文提出了一種應用于在線的鋁錠二維碼標刻系統的激光頭自找正機械手。通過PLC控制伺服電機，應用WinCC組態軟件完成上位機對標刻過程的實時監控和遠程控制，同時獲取數據的存儲和報表。與傳統的技術方案相比較，本文提出的方案具有如下優點：1) 通過三維掃描的方法，可以更快更精確地確定待標刻區域，尤其對于放置位置出現了一定偏差的鋁錠，減少了以前人工扶正所需的時間和人力資源；2) 采用機械手的方案，可以實現標刻過程的自動化，大大提高標刻效率，提升產品的競爭力。因此該系統的研發具有很強的實際意義。

1 標刻機械手總體結構設計

1.1 標刻機械手系統結構

標刻機械手系統主要由鋁錠檢測系統、標刻區域確定系統和標刻機械臂組成。

鋁錠檢測系統主要部件是被動式的紅外發生接收裝置和壓力傳感器，當發生器發出的紅外線被遮擋而且稱重傳感器感應到的質量達到了設定值，即可認為檢測到了鋁錠。其中缺一個時判定存在鋁錠都是非常不安全的。

標刻區域確定系統主要是三維掃描儀。三維掃描儀將采集到的鋁錠位置數據傳送給控制器，同時控制器采用特定的算法，計算出標刻區域的位置，即二維碼位置探測圖形的位置。

標刻機械臂主要包括伺服驅動直線運動定位系統，由伺服電機、伺服驅動器、同步帶等組成；主要實現標刻機械臂的x、y方向的移動和繞z軸的轉動。為了實現標刻機械臂激光頭的精確定位，采用了光柵尺，同時可以實現運動的閉環控制。系統結構如圖1所示。

1—鋁垛；2—激光標刻頭；3—二維碼掃描裝置；4—三維掃描激光掃描儀；5—稱重傳感器；6—水平位移裝置圖1 系統結構示意圖

1.2 標刻機械手控制工藝分析

鑒于鋁錠在輸送帶上的位置比較隨機，但是其總體都處于一個水平面內，因此機械手屬于具有x、z方向直動和繞z軸旋轉的3個自由度。在初始狀態下，機械臂位置處于原點；當系統啟動，而且三維掃描儀給出了二維碼標刻位置的坐標時，標刻機械臂帶動激光標刻頭到達指定位置且確認后，激光標刻開始，完成激光標刻后，繼續回到原點。當下一垛鋁錠到達時，重復上述動作。

2 標刻機械手系統硬件設計

標刻機械手系統硬件設計主要是PLC控制系統硬件的選型和設計以及伺服驅動系統硬件的選型和設計。

2.1 PLC控制系統硬件設計

由前部分系統總體設計和控制工藝分析可知，系統中主要的數據采集和數據處理是通過Modbus RTU通訊協議來完成，因此采用了西門子200系列小型化CPU226，該型號控制器具有一個模擬量輸入通道，因此在采集稱重信號時無需再配置模擬量模塊；另外還配置了一塊CP243-1以太網通訊模塊，方便通訊；除此之外，下層網絡中還配置了路由器，以實現與上位機、伺服系統和三維掃描器的通訊。具體網絡構架見圖2。

圖2 系統網絡構架

2.2 伺服驅動系統設計

由于西門子S7-200系列PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6內部集成了Modbus RTU通訊協議，因此在選擇伺服驅動器時優先考慮支持該通訊協議的型號。最終選擇的伺服放大器為富士公司的RYH201F5-VV2，伺服電機選擇了富士公司的GYS201D-RC2。主要的參數設置如下：控制模式為位置控制模式；指令脈沖旋轉方向設置為方向信號=0時前進，方向信號=1時后退；指令脈沖輸入方式選擇使用脈沖+方向方式控制驅動器運行；電機旋轉一圈的脈沖數設置為6 000；其他設置選擇默認即可。

3 標刻機械手系統軟件設計

標刻機械手系統軟件設計主要包括PLC程序設計和SQL server 2005數據庫設計、Excel中報表模版的設計以及WinCC 組態軟件中上位監控畫面和標刻結果存儲、分析軟件的設計。

3.1 PLC程序設計

在下位的PLC程序設計中，主要實現的邏輯控制為當檢測到鋁錠到達指定位置，并且獲得二維碼標刻區域的位置坐標時，機械臂啟動，并且向該區域移動；當3個坐標均到達指定位置時，啟動激光標刻裝置，5s后關閉激光標刻裝置，啟動二維碼掃描裝置，掃描并進行比對，檢驗合格，則將數據存入數據庫，并向控制器發送完成標志，掃描裝置停止；隨后機械臂返回到坐標原點，同時將該鋁錠輸送出去。在這個過程中，為了防止意外情況下高能量的激光束對操作人員或其他人員造成危害，設置稱重模塊信號在檢測過程中發生快速減則系統停止，并且返回坐標原點。系統控制邏輯見圖3。

圖3 PLC主程序設計邏輯

3.2 機械臂系統設計

a) 機械臂系統結構設計

由于本機械臂系統為三自由度的機械臂且負載較小，因此其結構設計如下：底部選擇x、y方向的伺服電機帶動絲杠螺母副，行程均為200mm；為實現繞z軸的轉動，關節電機采用伺服電機，可實現精確的角位移控制；在豎直桿的上方焊接一個法蘭，可將標刻裝置和QR掃描儀裝在上面，并且使其軸線在標準位置時與鋁垛的待標刻面垂直。通過借鑒數控機床進給機構，在實現運動功能的同時可大大節約成本。

b) 機械臂控制系統設計

對于基于PLC的伺服控制系統，西門子S7-200系列PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6提供了位置控制向導功能，用以快速地實現位置控制模塊的組態。在該向導下，可快速完成工藝需要的電機的最高速度、加減速時間和啟動停止速度等參數[3-4]。

為節省輸出點數，此處采用了通訊的方式來實現數據的給定。根據前述要求，該程序采用調用子程序的方式來完成。在主程序中，主要實現機械手的工作狀態的選擇，子程序來實現機械手的工作線路。在這個系統中，其主要工作過程及程序設計邏輯如圖4所示。

圖4 機械臂主要工作過程

3.3 SQL Server 2005數據庫設計及Excel中報表模版的設計

WinCC從6.0版本開始，在變量歸檔的過程中，歸檔的數據采用壓縮存儲的方式存儲于自帶的SQL Server 2005數據庫中[5-6]，這對于將采集到的數據進行進一步的處理帶來了很大的障礙，因此需要在SQL Server 2005建立表格[7]，完成所需要數據的存儲。

在這個項目中，需要存儲的數據主要有以下6組：1) 生產單位；2) 生產日期；3) 熔煉爐號；4) 牌號；5) 質量；6) 操作員或者檢驗員。在SQL Server 2005中建立數據庫，命名為QRCode_Date，在該數據庫下創建表，存儲上述6組參數。

通過在Excel 2003中設計報表的模版，每月或有需要時在上位機點擊報表按鈕，可將具體處理后數據導入到報表的相應位置。從而實現每月對生產情況進行統計，這種方法可以實現復雜報表的設計。

3.4 WinCC 組態軟件中上位監控畫面設計

WinCC是全球通用的應用程序，適合所有工業領域的解決方案，可用于辦公環境和制造業，可以提供高效成熟的組態。WinCC的亮點之一是其整體的開放性[8]，它可靈活地與標準用戶程序結合使用，建立HMI，滿足實際的需要。除此之外，在組態方面WinCC提供了豐富的組態庫和ActiveX控件[9]，用于用戶方便地建立友好的人機界面；在通訊方面支持用于連接到SIMATIC S5/S7/505控制器(例如通過S7協議集)的通訊[10]和如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(動態數據交換)及OPC(用于過程控制的OLE)等非專用過程通訊，在數據存儲和歸檔方面集成了SQL Server 2005大型數據庫，數據歸檔能力強[11]。

在這個項目中，WinCC主要實現如下功能：1) 實現機械手系統控制的可視化，在上位機可實時監控各個傳感器的數據、電機的運行情況和需要的參數的實時設置；2)數據的存儲，可以實時地將掃描對比正確的二維碼及其數據存入數據庫中，方便查詢和再次處理。3)實現數據的共享，可以通過其他的軟件將采集到數據庫中的數據存入企業服務器，實現了部門間的數據共享，大大提高了數據的利用效率。4)系統報警，WinCC提供了高效的報警記錄系統，在該系統下編輯報警信息，可以方便操作人員和后續維護人員的操作和維護。

4 結語

本文設計的鋁錠連鑄機激光標刻自找正機械手系統綜合了PLC控制技術、伺服驅動技術、計算機技術等手段，實現了鋁錠位置的三維掃描、標刻區域的自動計算和激光標刻頭的自找正等功能，大大降低了企業成本。其特點如下：1) 具有很高的可靠性。可編程邏輯控制器自身可靠性高，S7-200系列CPU對于外界干擾具有很強的抵抗力，因此其工作穩定性好；2) 伺服系統精度高、定位精確、運行可靠；3) 上位軟件操作方便、畫面美觀、方便擴展。