基于PLC載帶料盤(pán)的條碼智能擦除控制系統(tǒng)??

王 丹 陳志豪

(①梧州學(xué)院，廣西梧州543002；②東莞愛(ài)諾特工業(yè)機(jī)器人技術(shù)咨詢(xún)有限公司，廣東東莞523808)

載帶是用來(lái)對(duì)電子元器件進(jìn)行包裝的帶狀產(chǎn)品，其長(zhǎng)度方向上有凹部，可承放電子元件[1]。利用載帶承放電子元件，并將其纏繞在有卷軸的圓形料盤(pán)上[2]，可實(shí)現(xiàn)電子元器件包裝的自動(dòng)化操作[3]。而電子元件被利用后，料盤(pán)可回收循環(huán)使用，料盤(pán)的循環(huán)利用是現(xiàn)代企業(yè)智能倉(cāng)儲(chǔ)物流非常重要的環(huán)節(jié)[4]。當(dāng)料盤(pán)被循環(huán)使用時(shí)，需要去除舊的條形碼，貼上新的條形碼。傳統(tǒng)的擦除舊條形碼的方式是人工采用涂抹的方法，該方法準(zhǔn)確率較高，但是存在效率較低，且人工參與度高的問(wèn)題。隨著智能倉(cāng)儲(chǔ)概念的推廣[5]，降低人工成本以及提高物流效率的呼聲越來(lái)越高，因此需要開(kāi)發(fā)具有自動(dòng)擦除料盤(pán)條形碼，自動(dòng)回收等功能的自動(dòng)化設(shè)備。本課題在已設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了智能擦除料盤(pán)條形碼設(shè)備的控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)料盤(pán)取料、放料、激光擦除等控制，實(shí)現(xiàn)料盤(pán)條形碼的擦除與再循環(huán)利用，從而提高了料盤(pán)循環(huán)使用的效率，減少了人工成本，成為智能倉(cāng)儲(chǔ)物流中關(guān)鍵的一環(huán)。

1 結(jié)構(gòu)和控制要求

智能擦除料盤(pán)條形碼的設(shè)備主要包括取料系統(tǒng)，送料系統(tǒng)，激光擦除系統(tǒng)。工作過(guò)程是:

(1)二次回收的料盤(pán)被放置到取料系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)取料機(jī)構(gòu)取料放置送料系統(tǒng)。

(2)送料系統(tǒng)通過(guò)滾筒等輸送機(jī)構(gòu)將料盤(pán)輸送到激光擦除系統(tǒng)中。

(3)激光擦除系統(tǒng)通過(guò)激光傳感器和視覺(jué)傳感器配合完成條形碼擦除工作，并輸送至回收盒，供二次回收利用。

1.1 取料系統(tǒng)

取料機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)臺(tái)、取料吸盤(pán)和激光測(cè)距等。模塊構(gòu)成。轉(zhuǎn)臺(tái)上有4根定位桿，每隔90°放置，工作人員把需要處理的料盤(pán)穿過(guò)中間的孔放置在定位桿上即可，每根定位桿上可放置的料盤(pán)數(shù)由料盤(pán)厚度決定，取料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

控制要求為:

(1)按下啟動(dòng)按鈕之后，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制器通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)下的光電開(kāi)關(guān)判斷哪個(gè)定位桿上有料盤(pán)，發(fā)出信息號(hào)給控制系統(tǒng)，使馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，將料盤(pán)旋轉(zhuǎn)至取料吸盤(pán)下方。

(2)激光測(cè)距模塊讀取定位桿上最上面的料盤(pán)至取料吸盤(pán)的距離，并發(fā)信號(hào)給控制器。

(3)控制器通過(guò)控制伺服電動(dòng)機(jī)，將取料吸盤(pán)下降移動(dòng)至接近料盤(pán)的位置，然后緩慢移動(dòng)，直至吸住料盤(pán)。

(4)取料吸盤(pán)帶動(dòng)料盤(pán)上升，離開(kāi)定位桿，將料盤(pán)移動(dòng)到送料機(jī)構(gòu)上方。

1.2 送料系統(tǒng)

送料機(jī)構(gòu)主要由滾筒輸送模塊、視覺(jué)模塊等組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

控制要求為:

(1)視覺(jué)模塊給料盤(pán)背面拍照，確認(rèn)背面是否有未擦除的條形碼，并將結(jié)果發(fā)送給控制器。

(2)取料吸盤(pán)下降到合適位置后，放下料盤(pán)，料盤(pán)落在滾筒上，等待輸送。

(3)如果下一環(huán)節(jié)的激光系統(tǒng)處理完料盤(pán)，則此時(shí)送料機(jī)構(gòu)啟動(dòng)滾筒，將要處理的料盤(pán)輸送至激光擦除系統(tǒng)。

1.3 激光擦除系統(tǒng)

激光擦除系統(tǒng)主要由激光擦除模塊和激光定位、視覺(jué)模塊、翻轉(zhuǎn)模塊等構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

控制要求:

(1)激光定位模塊，確定料盤(pán)的垂直方向的位置，控制器根據(jù)位置，調(diào)整料盤(pán)在垂直方向的距離，使其處于最佳擦除位置。

(2)視覺(jué)模塊拍照確定未擦除的條形碼的準(zhǔn)確位置，發(fā)送給激光擦除模塊。

(3)激光擦除模塊通過(guò)激光刻蝕原理擦除舊的條形碼；根據(jù)上一系統(tǒng)，拍照確定的背面是否有條形碼，控制器判斷是否需要將料盤(pán)送入到翻轉(zhuǎn)模塊中，將料盤(pán)翻轉(zhuǎn)后進(jìn)行背面條形碼的擦除。

(4)擦除完后通過(guò)滾筒將處理后的料盤(pán)輸送到物料回收盒。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

2.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

該控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器，系統(tǒng)主要由以下模塊組成:PLC控制器，通訊模塊，工控機(jī)模塊，機(jī)器視覺(jué)模塊，激光擦除模塊，觸摸屏，擴(kuò)展I/O模塊，伺服控制模塊等，如圖4所示。PLC控制器通過(guò)RS232通訊模塊與工控PC機(jī)進(jìn)行通訊；通過(guò)編程口與HMI觸摸屏通信；通過(guò)脈沖輸出控制伺服電動(dòng)機(jī)；通過(guò)擴(kuò)展I/O模塊與激光測(cè)距模塊通訊；通過(guò)本地I/O采集傳感器信號(hào)，控制異步電動(dòng)機(jī)及其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2 PLC選型及I/O分配

根據(jù)PLC工作原理與企業(yè)實(shí)際使用要求，其中主要的元器件選型如下:

(1)通過(guò)分析控制系統(tǒng)的實(shí)際輸入輸出情況，在預(yù)留一定I/O點(diǎn)數(shù)的情況下，確定輸入端55個(gè)點(diǎn)，預(yù)留10個(gè)點(diǎn)，共需65個(gè)輸入點(diǎn)；輸出端51個(gè)點(diǎn)，預(yù)留10個(gè)點(diǎn)，共需62個(gè)輸出點(diǎn)，故共需要127個(gè)數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)。選用三菱PLC的FX3U-80MR序列[6]，同時(shí)擴(kuò)展 I/O模塊48ET，觸摸屏采用威綸通 TK6071ip(800×480)。

(2)由于激光傳感器測(cè)距之后輸出模擬量信號(hào)，PLC需要讀取模擬量信息，因此選用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊三菱FX 2N-2AD與PLC通訊。

(3)工控機(jī)將激光擦除模塊與機(jī)器視覺(jué)模塊的信號(hào)發(fā)給PLC，采用的是串口通信模式，因此選用三菱FX 3U-232-BD[7-8]模塊與工控機(jī)通訊。

(4)取料模塊中，轉(zhuǎn)臺(tái)需要定位，因此采用伺服電動(dòng)機(jī)控制，參數(shù)為額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最大速度250 mm/s，分辨率為131 072 plus。由于系統(tǒng)中最大的測(cè)距范圍是2 000 mm，精度為2 mm，因此選用量程50～3 100 mm，重復(fù)精度為0.5 mm的DT35激光測(cè)距模塊，可測(cè)量自然物體，不需要反射器，重復(fù)精度0.5 mm。

(5)由于需要確定料盤(pán)條形碼的位置，因此采用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。本課題選用分辨率為2 590像素×1 942像素，感光器尺寸 5.7 mm×4.3 mm的 Basler acA2500-14gc相機(jī)，鏡頭選用4 mm固定焦距，光圈范圍F1.8-F22，分辨率為500萬(wàn)像素的Basler Lens C125-0418-5M。

(6)料盤(pán)條碼擦除原理是利用激光刻蝕條碼來(lái)完成。本系統(tǒng)選用10 W，工作幅面300 mm×300 mm的分體式光纖打標(biāo)機(jī)中的激光模塊。

PLC的I/O分配采用組合模式，X0-X7主要是采集啟動(dòng)停止等按鈕的信息；X10-X17，X20-X27主要采集送料系統(tǒng)的信號(hào)；X30-37，X40-X47主要采集取料系統(tǒng)的信號(hào)；X50-X57主要采集激光擦除系統(tǒng)的信號(hào)；Y0-Y7是用來(lái)發(fā)脈沖信號(hào)，控制伺服電動(dòng)機(jī)；Y10-Y17主要是控制指示燈；Y20-Y27主要是用來(lái)控制送料系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；Y30-Y37主要是用來(lái)控制取料系統(tǒng)的運(yùn)行；Y40-Y47，Y50-Y57主要是用來(lái)控制激光擦除系統(tǒng)的運(yùn)行。每一組I/O點(diǎn)都有預(yù)留，以便于后續(xù)設(shè)備更新或完善。

2.3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

采用編程軟件三菱GX Works2設(shè)計(jì)PLC程序，自動(dòng)過(guò)程程序流程如圖5所示。

控制系統(tǒng)程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思路[9-10]，將程序分為若干個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，供用主程序調(diào)用。主要模塊有激光測(cè)距模塊、通訊模塊、伺服控制模塊、自動(dòng)模塊和手動(dòng)模塊等。由于部分模塊代碼較長(zhǎng)，現(xiàn)將較簡(jiǎn)單的兩個(gè)模塊代碼列出來(lái)，參考如表1、表2。

表1 激光測(cè)距模塊參考代碼

表2 伺服電動(dòng)機(jī)控制模塊參考代碼

2.4 調(diào)試

在實(shí)際的系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行中存在的問(wèn)題及解決方案:

(1)激光測(cè)距偏差

在第一環(huán)節(jié)料盤(pán)取料時(shí)，吸盤(pán)上的激光測(cè)距模塊測(cè)得料盤(pán)至吸盤(pán)的距離后，吸盤(pán)下降相應(yīng)的距離去取待處理的料盤(pán)。但是料盤(pán)經(jīng)過(guò)反復(fù)使用后，會(huì)存在形變的問(wèn)題，因此激光測(cè)得料盤(pán)與吸盤(pán)的距離可能是料盤(pán)凸起部分與吸盤(pán)的距離，當(dāng)吸盤(pán)下降相應(yīng)的位置后，不能將料盤(pán)全部吸住。解決方式是:首先在吸盤(pán)上增加對(duì)射光電傳感器，然后將吸盤(pán)下落的距離分成快速段和慢速段。運(yùn)動(dòng)過(guò)程是讓吸盤(pán)快速下降至剛接觸料盤(pán)的位置，然后慢速下降，同時(shí)安裝在吸盤(pán)上的對(duì)射光電傳感器檢測(cè)到料盤(pán)完全擋住了信號(hào)時(shí)，即可停止慢速下降，表明吸盤(pán)已經(jīng)貼住料盤(pán)表面。

(2)控制直線(xiàn)模組的電動(dòng)機(jī)異響

伺服電動(dòng)機(jī)安裝在直線(xiàn)模組頂端，帶動(dòng)直線(xiàn)模組上下運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)吸盤(pán)上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)模組運(yùn)行到下方時(shí)，不會(huì)發(fā)出任何異響，但是運(yùn)動(dòng)到上方靠近電動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)有很大的異響。經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)當(dāng)電動(dòng)機(jī)在下方運(yùn)動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)離電動(dòng)機(jī)，絲桿的柔性增大了整個(gè)系統(tǒng)的柔性，所以電動(dòng)機(jī)不會(huì)有高頻的震動(dòng)。而當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到靠近電動(dòng)機(jī)時(shí)，系統(tǒng)的剛性大大增加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)有了高頻的震蕩，從而發(fā)出了異常的響聲。解決方法:重新調(diào)整伺服驅(qū)動(dòng)的PID參數(shù)，將系統(tǒng)的剛性適度降低，避免這種異響的發(fā)生。

(3)PLC采集距離數(shù)據(jù)時(shí)刷新頻率低

為了測(cè)出料盤(pán)距離吸盤(pán)的高度，需要在吸盤(pán)移動(dòng)到取料轉(zhuǎn)臺(tái)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)距離，最小值即為最上方的料盤(pán)至吸盤(pán)的距離。本程序在PLC中運(yùn)行時(shí)，掃描周期大概為50 ms，即50 ms會(huì)更新一次距離，這樣會(huì)導(dǎo)致激光測(cè)距模塊的光點(diǎn)打在料盤(pán)鏤空位置的情況出現(xiàn)。解決方法:將讀取距離的代碼寫(xiě)四段，分布在程序中，這樣一次掃描周期就有四次更新了，大約10 ms更新一次，這樣大大提高了采集的頻率。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)傳統(tǒng)的料盤(pán)條碼擦除操作過(guò)程存在人工參與度較高，人工完成效率低等問(wèn)題，為解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了智能擦除料盤(pán)條碼控制系統(tǒng)。

(2)該系統(tǒng)以三菱FX 3U序列PLC為核心，以威綸通觸摸屏為人機(jī)交互串口，實(shí)現(xiàn)了料盤(pán)取料、送料及條碼自動(dòng)擦除功能。

(3)該系統(tǒng)投入到3C企業(yè)試運(yùn)行兩個(gè)月后正式投入運(yùn)行，人工成本得到極大改善，同時(shí)增加了料盤(pán)條碼的擦除效率，使得料盤(pán)循環(huán)利用周期縮短，降低了企業(yè)的物流成本，為其帶了了利益。