基于PLC與工業機器人控制的開關面板組裝系統的設計

2021-06-17 09:04:30鄭重

電子制作 2021年8期

鄭重

（佛山市三水區工業中等專業學校，廣東佛山，440600）

0 概述

我國是一個制造業大國，在企業生產過程中需要投入大量的人力，勞動密集型的企業，用人成本成為了企業一筆沉重的負擔。電氣設備的生產企業就是其中一個典型的例子。由于開關面板每一個配件的大小、結構都不一樣，裝配的過程中需要精準的定位以及適當的力度，安裝精度要求較高，因此社會上開關面板的裝配仍然以手工裝配為主。

開關面板的手工裝配造成了一線生產工人的勞動強度過大，重復、單調的工作容易讓一線生產員工感到厭倦，人員流失非常大，企業無法吸引年輕的勞動力，企業面臨著用人成本高、員工缺乏等困難。基于以上情況，我們通過PLC與工業機器人的協同控制，設計出一套開關面板自動裝配的系統。PLC具有強大的邏輯控制功能以及與外圍設備通信的能力，可以及時處理現場反饋的信息。工業機器人具有較高的重復精度，動作靈活，可以有效完成開關面板的組裝環節。

1 控制系統設計思路

開關面板的各個配件通過PLC控制的傳送帶送到定位卡口，實現初步定位，并由傳感器反饋配件到位情況給PLC，PLC通過I/O通信，給機器人一個啟動信號，機器人將各個配件搬到定位平臺，然后按照開關面板的裝配順序完成開關面板的裝配。最后通過視覺系統檢查產品的裝配情況，不合格的產品由機器人搬到廢料平臺，合格產品由機器人搬到成品區。整個系統的設計同時需滿足以下要求：①生產效率：450個/小時；②適用范圍：86型、118型、120型；③安裝精度：±1mm。

根據控制要求進行模型設計，開關面板的組裝由傳送帶、機器人、定位裝配平臺、視覺檢測四部分組成。整個系統的模型如圖1所示。

系統的控制流程：（1）產品放到傳送帶；（2）傳送帶把部件送到末端；（3）機器人進行裝配工作；（4）視覺檢測。

圖1 系統模型

2 硬件系統的設計

由于開關面板的型號、大小、形狀各有不同，本文以組裝86型開關面板來進行設計。如系統需要組裝其他型號開關面板，則只需在傳送帶、定位工作臺的作簡單的機械調整，同時適當的修改機器人的程序即可完成不同型號開關面板裝配。

■2.1 傳送帶與電機選型

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即可。電機由變頻器進行控制，頻率為30Hz即可。為了檢測開關面板的到位情況，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

產線員工（或工業機器人）將開關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發送信號，由ABB機器人進行裝配。本次設計共需7位輸入信號、5位輸出信號,考慮到設計留有一定的余量以及后續設備更新功能等要求，為此本次設計選出三菱FX3U-32MR/ES，即16個輸入與16個輸出的繼電器輸出PLC。

■2.3 機器人以及夾具選型

由于開關面板的屬于比較小的電氣設備，重量較小，所帶夾具約為1.5kg，機器人裝配開關面板時需要移動的距離小于1米，且負荷均較小，所以本次選取ABB工業機器人，型號為IRB-1200-7/0.7即可。86型開關面板由外面板、內板、翹板以及翹板底座四部件構成。各個部件大小形狀各不相同。其中外面板和內板尺寸相差不大，可以采用相同的吸盤工具進行操作。而翹板面積較外面板和內板小，可選較小的吸盤進行作業即可。翹板底座則需要用手指式的夾具進行作業。為了提高生產效率，避免頻繁的更換機器人末端工具，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

當86開關面板組裝完成后，由視覺系統來檢測面板是否合格，面板的安裝是否有缺漏。本系統采用的視覺系統為基恩士視覺系統，視覺系統主要包括視覺驅動器、照明擴展單元、相機、顯示器以及電源模塊等。電源模塊為驅動模塊和光源模塊提供DC24V電源。相機與組裝平臺的距離約為0.7米，本次選取的相機型號為CV-H100M,采用反射照明的方式，視覺系統通過RS232與ABB機器人進行通訊。視覺系統結構如圖2所示。

圖2 視覺系統

3 軟件系統的設計

■3.1 系統參數及IO的設置

本系統使用的變頻器型號為FR-E500，主要作用為驅動三相異步電動機。PLC負責整個系統的控制，傳感器信號處理以及與機器人的通信。而工業機器人主要負責開關面板的安裝與檢測，各個環節的相關參數與IO設置如表1、表2。

表1 三菱PLCI/O分配表

表2 工業機器人輸入輸出信號

■3.2 程序的設計與分析

3.2.1 PLC程序設計

在這個系統中，PLC主要負責傳送帶的控制、光纖傳感器信號的處理以及機器人啟動、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 機器人程序設計

PROC main() !主程序

AccSet 75, 100; ！加速度設置

WordSpeed:=[1000,1000,0,0]！速度設置

vmax := v1000; ！最大速度

Vmin:=v50 ！最小速度

MoveJ home, WordSpeed, z50,mytoolWObj:=wobj0; ！以工作速度回home點

WaitRobInPos;

！程序執行進入等待，直到機械臂到達停止點

WaitRoberoSpeed;

！進入等待，直到機械臂達到零速度

WHILE di3 = 1 DO ！等待PLC發送裝配信號

Position neiban, neiban1;

！內板的定位與安裝

Position_finger qb_base, qb_base1;

！翹板底座的定位與安裝子程序

Position qiaoban, qiaoban1;

！翹板的定位與安裝子程序

Position waiban, waiban1;

！外面板的定位與安裝子程序

Vision;

！啟動視覺檢測子程序，合格品與不合格品區別處理

ENDWHILE

WaitTime 0.3;

ENDPROC

PROC Vision() ！視覺檢測子程序

Open "HOME:", iodev1Bin;

！打開串行通道，與視覺系統進行通信

ClearIOBuあ iodev1;

！清除iodev1數據

WriteStrBin iodev1, "T1