電機定子自動上料檢測系統設計

郝曉東，田懷文，王佰輝

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電機定子自動上料檢測系統設計

郝曉東，田懷文，王佰輝

（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610036）

為降低工人勞動強度、改善工作環境、避免工人生產事故，同時提高生產效率和產品質量，研發電機定子自動上料檢測系統，以實現電機定子的自動上料以及檢測。在分析現有工作流程的基礎上，設計出一套結合PLC、觸摸屏、工業機器人為一體的系統。通過分析工作流程以及現有的電機定子檢測方法，利用西門子SIMATIC Manager，雅馬哈VIP+編寫SFC控制程序和工業機器人控制程序，用威綸EasyBuilder Pro設計人機界面，結合現有插紙裝置，實現電機定子的自動上料和檢測。

PLC；觸摸屏；電機定子；工業機器人；SFC

電機定子槽絕緣紙插入是電機生產過程中的一個重要環節。在目前生產中，發電機定子在前道工序加工完成后，將定子通過傳送帶送入指定位置，通過人工將發電機定子放入到定子槽絕緣紙插入機，等到絕緣紙插入完成后，再由人工搬離定子，這個過程人工的介入間隔時間長、工作效率低、工人的勞動強度較大。為降低工人勞動強度、改善工作環境、避免工人生產事故，同時提高生產效率和產品質量，研發電機定子自動上料與檢測系統。

在工業生產中，工業機器人可以通過編程和調試，模仿人體的一些動作，實現固定的抓取、搬運物件或者操作工具，將工人從重復繁重的工作中解放出來[1]。可編程序控制器（PLC）具有可靠性高、功能完善、易學易用等優點，這些優點使得可編程控制器的應用領域十分廣闊,尤其是在一些具有大量開關量和少量模擬量的系統中[2]。工業觸摸屏在工業中也被稱作人機界面，具有人體感應功能，能夠實現對于控制器的狀態顯示以及通信，使得操作人員對于整個自動化工作流程有更好的了解[3]。將機械、電氣、工業機器人、可編程控制器（PLC）和工業觸摸屏相結合，是現代工業自動化技術發展的趨勢[4]，這也是本文電機定子自動上料檢測系統的主要技術特色。

1 上料檢測系統功能與結構分析

針對圖1所示的某系列的發電機自制定子，自動上料系統能夠自動的將不同內徑、外徑、高度的定子鐵芯搬運到定子槽絕緣紙插入機中，在插紙機工作完成后，根據插紙過程中傳感器的反饋，將合格品與次品分選存放，從而建立流水式的電機定子自動上料與檢測設備。

圖1 電機定子實物圖

根據上料和檢測功能需求及電機定子結構特點，設計的自動上料與檢測設備由六大部分構成：旋轉料庫、定子升降裝置、搬運機器人、插紙機、檢測裝置和回收裝置，其三維模型如圖2所示[5]。

（1）旋轉料庫：旋轉料庫主要負責電機定子的裝入和定位。該裝置有六個工位，每個工位立柱上可以放置50個電機定子，將電機定子搬運到該裝置中，旋轉輪盤會將定子運送到升降裝置的上端，在升降裝置完成工序后，將下一個工位的定子運送到此處，依次進行。

（2）定子升降裝置：定子升降裝置主要負責將旋轉料庫的定子送入到機器人取料位置。傳感器檢測到旋轉料庫到位后，經氣動U形托架將該工位的電機定子抬升到機器人取料位置，在機器人將該工位頂端電機定子取走之后，繼續抬升，直至將該工位的定子全部取走。此時，升降裝置下落，等待下一個工位。

圖2 電機定子自動上料裝置SolidWorks三維建模

（3）搬運機器人：搬運機器人主要負責電機定子的抓取搬運。該機器人前端裝有旋轉機械爪[6]，可以同時實現在將升降裝置的電機定子搬運到插紙機構的同時，將已完成插紙工序的電機定子搬離插紙機構。

（4）插紙機：插紙機為現有設備，主要負責將絕緣紙插入到電機定子的插槽中，本文系統在現有的基礎上結合了工業觸摸屏，可以時刻監控整個系統的工作狀況。

（5）檢測裝置：檢測裝置主要負責檢測插紙機構在插紙過程中的漏插，錯插。該裝置在電機定子放置到插紙機構后，伸出到達定子上方，由探頭與電機定子插紙后上端凸起的接觸來判斷該位置是否插紙成功。

（6）傳送帶和回收裝置：在經過檢測裝置檢測過后，搬運機器人將通過檢測的合格品搬運到生產線傳送帶上，將不合格品搬運到回收裝置，實現最終的分選存放。電機定子運動流程如圖3所示。

2 上料檢測控制系統硬件設計

為了在滿足裝備工藝要求的同時滿足操作系統簡單、易于編程、工作可靠、維修方便等原則，系統采用PLC，機器人控制器，觸摸屏技術相結合的控制方式，實現系統對電機定子的智能上料和檢測。根據設備操作流程和需要，在機械結構的基礎上搭建控制系統硬件結構框架，框圖如圖4所示。

圖3 電機定子運動流程

可編程控制器選擇西門子S7-200[7]，具體型號為PLC CPU224XP，14輸入/10輸出共24個數字量I/O點，2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點，滿足控制系統的需求，實現對電機的控制和各種光電位置傳感器的監測功能[8]。工業機器人選擇某品牌水平多關節機器人，通過配套控制器上的專用STD接口與PLC通信，完成兩者之間的聯動，同時還可以通過STD接口完成對相應器件的控制。觸摸屏選擇威綸10寸觸摸屏，通過RS232串行通信口與PLC相互通信，實現界面顯示，開關機控制，輸入輸出控制，故障報警顯示等所有人機交互工作。

3 上料檢測控制系統軟件設計

本系統采用西門子PLC編程軟件SIMATIC Manager，它具有梯形圖、指令語句表和順序功能流程圖（SFC）三種編程語言，SFC是一種比較新的編程語言，它是通過功能圖來表達一個順序控制過程用這種語言編寫程序，可對每一個控制過程進行控制，并可顯示該過程的實時狀態，相對于梯形圖和指令語句表更加的直觀。因此，本系統采用SFC作為PLC程序的編程語言，然后用RS－232 作為轉換器來實現計算機和PLC之間的通訊，進而實現對于PLC的寫入、校驗、調試、監視等功能。對于工業機器人的控制，本系統采用機器人配帶的編程軟件VIP－Plus，用RS－232C作為轉換器來實現計算機和工業機器人控制器之間的通訊，實現對于控制器程序的寫入、校驗、調試、監視等功能。

3.1 系統功能塊及程序設計

為滿足上料檢測系統的控制要求，使得控制系統操作簡單、穩定可靠、功能全面，本系統利用順序功能流程圖語言結合人機界面，設計自檢功能塊、自動運行功能塊。

（1）自檢功能塊。自檢功能塊簡單來說就是設備在上電后讓設備空載運行一遍，系統在空載運行的時候判斷各個運動機構和傳感器是否能夠正常工作。同時為了方便起見，本功能塊還設計了手動檢測模式，可以對單個部件進行操作，同時可以觸摸屏顯示傳感器元件的反饋信息，以便于設備維護人員和維修人員進行檢測和維修，避免由于部分元件失效而引起一些不必要的后果。

（2）自動運行功能塊。自動運行功能塊是系統程序的核心功能部分，主要包括三個循環程序，旋轉料庫旋轉供料循環、升降裝置送料循環、工業機器人取料分選循環，這些循環都是以電機電子的移動到位為轉移條件，從而形成整機的自動運行循環，實現上料取料檢測分選的自動化。各循環流程圖如圖5所示。

根據各個功能塊要求，設計控制系統的SFC總程序，如圖6所示[9]。程序實現了自檢、自運行兩大大塊各功能，能夠滿足人機界面的控制和上料檢測系統對電機定子的上料和檢測分選要求。

圖6 系統SFC程序塊圖

3.2 人機界面設計

本系統使用威綸EasyBuilder Pro設計基于觸摸屏的上料檢測裝置的操作及監控系統。在引入人機界面可以使得整個系統的操作更加簡單，維修更加方便。觸摸屏的主界面上設有4個子界面：系統自檢、系統自動運行、系統參數設置、歷史信息，如圖7所示[10]。

4 結論

在滿足電機定子上料檢測的功能基礎上,綜合PLC控制的靈活性、工業機器人通用性的和工業觸摸屏的便捷性，設計上料監測檢測設備的控制系統，編寫PLC控制程序和機器人控制程序，設計繪制人機界面，滿足了上料檢測的工藝要求。但是在前端仍需工人將電機定子搬運到旋轉料庫中，后續研究可以繼續設計與改進。

圖7 人機界面

[1]王衛軍，徐友法，趙鵬，劉立冬，李亞運，蘇陳. 分揀機器人在電機定子鐵心生產線上的應用[J/OL]. 微特電機，2017（9）：30-32，36.

[2]張玉鳳. 探討提高可編程控制器應用系統可靠性的措施[J]. 機床與液壓，2005（11）：220.

[3]齊繼陽，吳倩，何文燦. 基于PLC 和觸摸屏的氣動機械手動作系統的設計[J]. 液壓與氣動，2013（4）：19-22.

[4]羅庚，田懷文. 電熱管自動檢測線控制系統設計[J]. 制造業自動化，2014，36（17）：13-15.

[5]朱金禧. 電機定子檢測控制系統的軟件設計和開發[D]. 天津大學，2016.

[6]李福運. 基于六點定位原理的工業機器人通用夾具設計[J]. 機械，2017，44（6）：77-80.

[7]林鈺涵，王聰，鄭廣生，等. 基于PLC和組態王的油庫消防監控聯動系統[J]. 機械，2015，42（7）：43-46，77.

[8]莊煥偉，吳奕程，蘇宏英. 基于PLC的步進電機控制方法研究[J]. 機電一體化，2012（9）：48-50.

[9]陳亞林. 西門子S7-200PLC完全精通教程[M]. 北京：化學工業出版社，2008.

[10]陳亞林. PLC、變頻器和觸摸屏實踐教程[M]. 南京：南京大學出版社，2008.

System Design of Automatic Feeding and Detection of Motor Stator

HAO Xiaodong，TIAN Huaiwen，WANG Baihui

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610036, China )

The paper is aimed at developing a system of automatic feeding and detection of motor stator. The system is expected to reduce labor intensity, improve work environment, avoid production accident, and improve production efficiency and product quality. Based on the analysis of the existing workflow, a set of control system is designed, which integrates PLC, touch screen and industrial robot. By analyzing the working process and the existing motor stator detection method, the SFC control program and industrial robot control program is written with Siemens SIMATIC Manager and Yamaha VIP+. The man-machine interface is designed with Weinview EasyBuilder Pro. The new system, combined with the existing device, can implement automatic feeding and detection of motor stator.

PLC；touch screen；motor stator；industrial robot；SFC

TP274+.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.014

1006－0316 (2018) 06－0070－05

2017－11－29

郝曉東（1994－），男，山西臨汾人，碩士研究生，主要研究方向為機電自動化控制。