基于PLC的電機(jī)裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李玉爽，張 旭

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241006)

0 引言

在“十四五”期間，我國(guó)將加大對(duì)智能化制造和核心創(chuàng)新技術(shù)的研究。縱觀國(guó)內(nèi)制造業(yè)市場(chǎng)，隨著自動(dòng)化水平的進(jìn)一步提高，我國(guó)機(jī)械行業(yè)相對(duì)于其他國(guó)家并不處于優(yōu)勢(shì)[1]。

本文以電機(jī)模型裝配為例，利用PLC和機(jī)器人設(shè)計(jì)裝配方案及系統(tǒng)，使電機(jī)裝配生產(chǎn)線的操作靈活簡(jiǎn)便，并且利用RFID技術(shù)及變位機(jī)模塊完成電機(jī)裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 電機(jī)裝配站基本配置

本文設(shè)計(jì)的電機(jī)裝配站系統(tǒng)需要用到PLC、工業(yè)機(jī)器人、多工位旋轉(zhuǎn)臺(tái)等模塊，并將這些模塊進(jìn)行合理布局。

1.1 電機(jī)裝配站硬件組成

1.1.1 工業(yè)機(jī)器人選型

本系統(tǒng)采用的是普通的FANUC Robot M-10iA六軸工業(yè)機(jī)器人。所選用機(jī)器人可應(yīng)用于機(jī)床上下料搬運(yùn)、工廠里的流水線裝配，因此可以適用于電機(jī)裝配站的使用。

1.1.2 PLC選型

目前市場(chǎng)上的PLC種類繁多，本系統(tǒng)采用西門子S7-1200系列，它是新一代模塊化小型PLC。

1.1.3 傳感器的選型

本系統(tǒng)選用光電開(kāi)關(guān)(光電傳感器)來(lái)判斷夾爪有無(wú)到位等多種情況。

1.1.4 多工位旋轉(zhuǎn)臺(tái)的選型

本電機(jī)裝配站采用多工位旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行供料，其多工位旋轉(zhuǎn)臺(tái)用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)需要選用靜力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大的步進(jìn)電機(jī)，因此選擇型號(hào)為FL42BYG48的步進(jìn)電機(jī)。

1.2 控制系統(tǒng)整體方案確定

電機(jī)整體裝配流程如圖1所示。

本電機(jī)裝配站主體采用PLC進(jìn)行控制，其控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)與識(shí)別系統(tǒng)通信連接，采用RS232與機(jī)器人通信[1]。

圖1 電機(jī)整體裝配流程

其中識(shí)別入庫(kù)技術(shù)可采用兩種方案：一是采用RFID技術(shù)識(shí)別入庫(kù)；二是采用視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別入庫(kù)。方案一技術(shù)比較成熟，產(chǎn)品容易規(guī)模化落地，成本比較低，因此本系統(tǒng)采用RFID識(shí)別入庫(kù)方案。

1.3 工作站整體布局

裝配工作站主要由供料單元、裝配單元和入庫(kù)單元組成。

(1) 供料單元。由多工位旋轉(zhuǎn)臺(tái)提供轉(zhuǎn)子，根據(jù)PLC指令進(jìn)行旋轉(zhuǎn)供料和機(jī)器人供料單元控制。

(2) 裝配單元。由機(jī)器人手臂夾取轉(zhuǎn)子，并與定子進(jìn)行裝配，再夾取電機(jī)的端蓋進(jìn)行最后的裝配。

(3) 入庫(kù)單元。用機(jī)器人夾取裝配好的電機(jī)，然后應(yīng)用RFID技術(shù)識(shí)別入庫(kù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求對(duì)供料單元、裝配單元、入庫(kù)單元在桌面上進(jìn)行合理布局。

2 電機(jī)裝配站電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)PLC的I/O分配

通過(guò)分析系統(tǒng)的要求與過(guò)程確定所需要的部分I/O點(diǎn)，I/O分配如表1所示。

表1 I/O分配表

2.2 各控制單元的設(shè)計(jì)

2.2.1 供料單元

供料單元控制流程如圖2所示。

圖2 供料單元控制流程

設(shè)計(jì)供料單元梯形圖時(shí)，首先將機(jī)器人輸出各指令對(duì)應(yīng)機(jī)器人變量映射到DB塊中與轉(zhuǎn)盤命令一一對(duì)應(yīng)，并使機(jī)器人命令軸運(yùn)轉(zhuǎn)到四個(gè)絕對(duì)位置的輸出對(duì)應(yīng)著轉(zhuǎn)盤模塊應(yīng)該到達(dá)相應(yīng)四個(gè)位置命令。

2.2.2 裝配與入庫(kù)單元

本單元為電機(jī)的轉(zhuǎn)子和端蓋的裝配。圖3為入庫(kù)單元控制流程。

RFID技術(shù)又稱無(wú)線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，俗稱電子標(biāo)簽。本系統(tǒng)中使用RFID識(shí)別入庫(kù)。

設(shè)置RFID載碼體參數(shù)命令與返回狀態(tài)，具體如下：

發(fā)→◇AA 11 11 60 00 06 F1 40 00 16 00 00 0F 00 00 DD FE，設(shè)置載碼體擴(kuò)展參數(shù)命令。

收←◆AA 07 07 60 02 78 F4，設(shè)置成功后返回此狀態(tài)碼。

在設(shè)置載碼體參數(shù)后對(duì)載碼體內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和寫入。

圖3 入庫(kù)單元控制流程

2.2.3 通信單元設(shè)置

機(jī)器人與PLC之間采用Modbus/TCP協(xié)議通信[2]。

(1) 設(shè)置Modbus TCP。在PLC程序列表中新建數(shù)據(jù)塊并命名為connect,其類型為TCON_IP_v4的變量，展開(kāi)變量并修改。

(2) 通信梯形圖。調(diào)用MB_CLIENT函數(shù)，其中MB-MODE為讀寫模式，其有兩種模式，1表示機(jī)器人讀取PLC里的數(shù)據(jù)，0表示工業(yè)機(jī)器人把數(shù)據(jù)傳送給PLC。MB_DATA_ADDR為機(jī)器人存放數(shù)據(jù)的首地址。MB_DATA_LEN為讀取數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度,PLC寫入工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為9個(gè)字。MB_DATA_PTR是PLC存放寫出或者讀入數(shù)據(jù)的緩存區(qū)。

3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

3.1 RFID的HMI界面設(shè)計(jì)

根據(jù)RFID的指令和功能設(shè)計(jì)如圖4所示的RFID的HMI。其有收發(fā)的編碼顯示，也可以手動(dòng)設(shè)置載碼體，讀寫頭上電后需要先設(shè)置一次載碼體[3]。針對(duì)其對(duì)應(yīng)的載碼體到位、寫數(shù)據(jù)完成和讀數(shù)據(jù)完成模塊進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，在沒(méi)有進(jìn)行操作的時(shí)候工作燈為白色，工作時(shí)工作燈變綠色。當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候，工作燈會(huì)由白色變紅色，以提示發(fā)生錯(cuò)誤，并設(shè)置有清除緩沖區(qū)的手動(dòng)按鈕。

3.2 轉(zhuǎn)盤的HMI界面設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)裝配中供料單元的工作過(guò)程設(shè)置轉(zhuǎn)盤HMI，具體見(jiàn)圖5。風(fēng)扇模擬電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)正反轉(zhuǎn)，右下角為轉(zhuǎn)盤位置模擬，位于正上方為位置1，每個(gè)位置相對(duì)位置1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°[4]。

3.3 機(jī)器人的HMI界面設(shè)計(jì)

HMI設(shè)置有關(guān)于機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行的相關(guān)界面，在自動(dòng)運(yùn)行中，當(dāng)機(jī)器人報(bào)警時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈就會(huì)由灰色變紅色提示報(bào)警。

4 電機(jī)裝配工作站的聯(lián)合仿真

本文采用ROBOGUIDE仿真軟件對(duì)工作站進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

圖4 RFID的HMI界面

圖5 轉(zhuǎn)盤的HMI界面

4.1 三維模型的導(dǎo)入

4.1.1 新建工作站項(xiàng)目

點(diǎn)擊新建工作單元建立新的工作單元，選擇HANDINGPRO類型，選擇對(duì)應(yīng)的FANUC Robot M-10iA機(jī)器人。

4.1.2 工作站三維模型的導(dǎo)入

將模型導(dǎo)入并對(duì)其布局，如圖6所示。

圖6 裝配站的布局

4.2 系統(tǒng)聯(lián)合仿真

本節(jié)僅對(duì)裝配電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了介紹，裝配端蓋、識(shí)別入庫(kù)與轉(zhuǎn)子裝配仿真程序略。

4.2.1 機(jī)械手臂的開(kāi)合

手爪模型如圖7所示，機(jī)械手爪在不工作的狀態(tài)時(shí)為打開(kāi)狀態(tài)，在夾取工件的時(shí)候?yàn)殚]合狀態(tài)。

4.2.2 機(jī)器人執(zhí)行程序

機(jī)器人的部分執(zhí)行程序如下：

[1] J P[1] 100% FINE //機(jī)器人原點(diǎn)

[2] L P[3] 1000mm/sec CNT100 //接近夾取點(diǎn)

[3] L P[2] 100mm/sec FINE //到達(dá)夾取點(diǎn)

[4] CALL ZHUANZIPICK //調(diào)用夾取程序

[5] L P[7]1000mm/sec CNT100 //夾取后位于夾取點(diǎn)上

[6] J P[5] 50% F INE //放置接近點(diǎn)

[7] L P[4] 100mm/sec FINE //放置點(diǎn)

[8] CALL ZHUANZIDROP //調(diào)用放置程序

[9] J P[6] 100% FINE //回到安全點(diǎn)

圖7 手爪模型

5 結(jié)論

本文以提高工作效率和提高裝配的精度為目的，結(jié)合PLC和機(jī)器人進(jìn)行了電機(jī)裝配的仿真工作。通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的分析完成了相關(guān)PLC程序編寫、HMI界面設(shè)計(jì)，最終利用ROBOGUIDE軟件進(jìn)行了聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了工作站的可行性。