基于PLC 板級控制的E 型鐵芯多工位疊片系統設計

劉新波， 廖政棟， 黎 浪

（邵陽學院 多電源地區電網運行與控制湖南省重點實驗室， 湖南 邵陽 422000）

0 引言

目前，在國內外變壓器鐵心制造工藝中，大部分工序已實現自動化，如鐵芯硅鋼片料剪切。 然對于疊裝工序方面，因其工藝復雜，技術要求較高，目前大多數制造商仍然采用傳統手工疊片方式生產，疊片工勞動強度大、生產效率低、產品質量不穩定[1]。 變壓器鐵芯作為變壓器的核心部分，其質量直接影響到變壓器的技術性能、 經濟指標和運行的安全可靠，因此，鐵芯的疊片技術改良和質量控制十分重要[2]。

在對變壓器鐵芯進行疊片時， 不僅要兼顧疊片工藝方面的優化，且還需考慮到產品質量及成本。 浙江大學副教授章昱帆等人對硅鋼片自動疊片研究中， 設計過一套自動疊片裝置，由機架、三維運動機構和運動控制系統等部件組成，采用x-y-z 三維運動模式，選用步進電機驅動同步帶和絲杠直線滑臺來實現平移，氣缸-活塞桿實現垂直方向升降， 以及吸盤真空吸取的方式進行硅鋼片的抓取[3]，這種裝置在結構簡單，操作便利，但體積龐大，在進行大量疊片時，缺乏有效的定位檢測，影響硅鋼片疊片重復定位精度。

針對上述問題，為提高生產效率、降低成本，本文設計一套多工位桌面疊片機器人系統， 主要采用離縫定位方式，由機器視覺系統進行檢測，同時系統以機械臂為執行裝置， 使用觸摸屏對PLC 各軟元件的數據進行修改，PLC之間采用ModBus-RTU 進行數據交換達到聯調聯控的目的，進而驅動機械臂進行E 型變壓器鐵芯自動疊片過程。

1 E 型鐵芯多工位疊片系統簡介、 疊片流程及控制要求

1.1 E 型鐵芯多工位疊片系統簡介

E 型鐵芯多工位疊片系統根據變壓器鐵芯疊片工藝進行疊片[4]，具有實時高精準定位、控制步驟簡單等特點，可將橫剪無縫硅鋼片置于桌面上， 橫剪后的硅鋼片直接吸取、定位并疊片[5]。 E 型鐵芯疊片系統由三軸機械臂、觸摸屏、工業相機、PLC 控制板和控制系統組成，如圖1 所示。機械臂與機械末端吸附裝置組合在一起，根據系統要求將硅鋼片疊放至目標區域。觸摸屏作為人機界面，控制系統的啟停、 疊片參數的設置和機械臂運行過程中的狀態監視。工業相機是組成視覺檢測系統的重要部分，作用有二：其一，指導系統精確疊片，即系統在工作時，每工位機械臂完成一次疊片后， 工位一上機械臂帶動工業相機運動到鐵芯正上方進行拍照， 通過離縫定位方式確定硅鋼片位置有無偏差；其二，信號等待開關作用，當某一工位機械臂完成疊片動作后，觸發下一工位進行工作。 PLC板受觸摸屏的操控， 直接控制機械臂的運行和接受視覺系統檢測數據的反饋。

1.2 多工位疊片系統疊片流程

如圖2 所示，工作臺上面原有5堆硅鋼片，工位一機械臂疊裝底軛，工位二疊裝左柱、中柱，工位三疊裝右柱、 中柱。 通過人機界面進行PLC板參數設置，控制機械臂將硅鋼片按工藝要求，在目標區域特定位置疊裝成“E”字型鐵芯，鐵芯由左柱、中柱、右柱及水平方向底軛4 個部分組成。

圖1 多工位疊片系統結構示意圖

圖2 疊片示意圖

多工位疊片系統疊片流程，如表1 所示。機械臂按照表中“疊片步數”序號依次進行疊片，每次采用哪個工位機械臂疊裝鐵芯哪個部分，都與表中“疊片步數”序號相對應。如機械臂第一步疊裝鐵芯，使用工位二機械臂疊裝鐵芯左柱。機械臂在疊片過程中，視覺系統實時進行拍照檢測并反饋結果到主站，從站根據主站反饋的結果，控制機械臂進行調節。

表1 多工位疊片系統疊片流程

1.3 多工位疊片系統的控制要求

多工位疊片系統需要按照E 型變壓器鐵芯疊片工藝進行疊片， 同時在滿足用戶實時調節鐵芯生產的各項參數時可以達到系統仍穩定， 并具有報警功能和自動故障診斷。 具體對系統的控制要求可分為以下幾個方面：

（1）機械臂組：機械臂按要求自動在相應區域疊片。本文多工位疊片系統分三個疊片工位，PLC 作為控制器，控制相應工位的機械臂按要求進行疊片。

（2）外部傳感器：機器人疊片過程中外部傳感器有兩個作用：其一，作為信號等待開關。控制三個工位，依次按順序進行循環疊片；其二，視覺定位。 指導機械臂對變壓器鐵芯進行精確疊片。

（3）人機界面：作為用戶與機器信息交互的媒介，可以在人機界面修改PLC 寄存器的參數調節機械臂每個軸的步進電機脈沖比、回原點速度、加速時間、減速時間、電磁閥通斷、關節坐標設定等，同時監視PLC 的內部寄存器數據，觀察機械臂的運行情況。

（4）報警、故障診斷：系統在疊片狀態時，要有狀態提醒，通過燈光的顏色，反應系統是否處于正常狀態，便于及時糾正。

2 E 型鐵芯多工位疊片系統硬件設計

2.1 E 型鐵芯多工位疊片系統關鍵器件選型

圖3 E 型鐵芯多工位疊片系統控制示意圖

如圖3 所示， 根據E 型鐵芯多工位疊片系統控制要求，選用4 塊PLC 板（可編程邏輯控制器）作為控制器，PLC 板由STC32F407 單片機芯片制成。 PLC 之間采用ModBus-RTU 進行通信，設立主站1 臺、從站3 臺。

在每個工位三軸機械臂中，每個軸搭配一個DRV8825芯片，該系列定位芯片細分可分5檔，最高可達32 細分，工作電壓8.2～24V，且購買價格實惠[6]，如圖4 所示。 定位芯片通過設置脈沖頻率來控制機械臂軸電機轉動速度的大小， 通過脈沖的個數來確定轉動的角度[7]。與機械臂軸控制箱相比性價比更高，它占用空間小、成本低、反應時間快。 定位芯片與PLC 連接， 并采用脈沖信號作為機械臂每個軸的定位控制[8]。脈沖個數控制運動距離，脈沖頻率控制運動速度，因此，三臺機械臂總共有9 軸9 電機，需要9 個定位芯片進行9 個軸的分別控制。

人機界面選用優控S-500A 觸摸屏，經RS-232 串口與PLC 控制器相連。 觸摸屏連接PLC 上后，可在觸摸屏上對PLC 內部寄存器參數設置，控制機械臂、電磁閥和末端吸附裝置，同時監視設備運行狀態。

E 型鐵芯多工位疊片工位一機械臂上裝有3 個大恒DH-HV3110FC 視覺相機，與PC 連接，對外部輸入信號進行處理。當機械臂進行疊片時，視覺相機對硅鋼片之間的縫隙進行拍照， 將圖像信息傳給PC 進行處理，PC 將處理過的信息傳給主站。主站根據PC 的指令，通過ModBus-RTU 將代碼發送給從站，控制機械臂調節硅鋼片位置。

圖4 定位芯片

2.2 I/O 分配

該系統的控制器有4 塊三菱PLC 板，使用ModBus-RTU 通信方式進行分布式控制，主站PLC 輸入有4點； 從站PLC 輸入有21 點、 輸出有33 點，具體分配見表2 和表3。

3 E 型鐵芯多工位疊片系統軟件設計

3.1 主控模塊設計

表2 主站PLC I/O 分配表

在本E 型鐵芯多工位疊片系統中的程序設計，PLC的程序設計有控制主程序和通信程序。

（1）控制主程序。 E 型鐵芯多工位疊片系統工作，如圖5 所示。 在設備通電后，系統狀態初始化，進行觸摸屏疊片參數設置。

自動模式中，機械臂自動循環進行疊片。開始自動模式時，所有機械臂回原點等待指令進行下一步工作。每個工位疊片完成時都經過視覺工業相機檢測檢測是否達到預先設置疊片精度，否則進行自動調整，直至達到預先設置精度再進行下一步驟。

手動模式中，操作者可選擇任意工位進行操作，包括對機械臂控制、對硅鋼片取放或硅鋼片疊放位置重新選擇。

程序編寫使用軟件為Gx-Works2， 軟件具有簡單工程和結構化工程兩種編程方式， 支持梯形圖、 指令表、SFC、 ST 及結構化梯形圖等編程語言， 可實現程序編輯，參數設定，網絡設定，程序監控、調試及在線更改，智能功能模塊設置等功能[9]。

（2）通信程序。主站和各從站采用ModBus-RTU 通信，控制主程序主要在從站PLC 中， 通信端口用電纜連接起來達到主站對從站控制， 從而使三個工位機械臂集中控制。 通信程序中， 將16 位字H0 寫入主站PLC 寄存器D8421，設定主站；將16 位字H10 寫入工位一PLC 寄存器D8421，16 位字H1 寫入PLC 寄存器D8434， 設定為從站一；將16 位字H10 寫入工位二PLC 寄存器D8421，16位字H2 寫入PLC 寄存器D8434，設定為從站二；將16位字H10 寫入工位三PLC 寄存器D8421，16位字H3 寫入PLC 寄存器D8434；設定為從站三。 通過ADPRW 通信指令，將主站的X6 輸入信號寫入從站數據寄存器中， 同時從站的各反饋信號也傳入到主站中的寄存器， 進行數據交換。

表3 從站PLC 控制器I/O 分配表

圖5 E 型鐵芯多工位疊片系統工作流程圖

3.2 人機界面設計

本文選用優控S-500A 觸摸屏作為人機界面設計，觸摸屏軟件設計采用YKBuilder V5.1 編程軟件。 人機界面中，設計了以下幾種模式界面：氣泵設置、手動運行模式、自動運行模式、信號等待、通訊設置、電機設置。這幾種界面的主要作用是用來設置系統中各工位機械臂運行速度、鐵芯疊片精度、鐵芯疊片次數以及對系統在運行中進行監控。

圖6 為自動運行模式畫面，A1、A2、A3 分別代表機械臂X、Y、Z 軸。 畫面包含以下內容：①機械臂關節坐標實時位置、機械臂關節坐標增加量、機械臂運行速度及機械臂運行步數等畫面記錄； ②系統運行、 急停、DI 模式及DO 狀態顯示一系列指示燈；③循環、急停和手動 自動虛擬按鈕。

圖6 自動運行模式畫面

系統正常運行時，指示燈顯示綠色，按下急停，運行燈滅，急停指示燈點亮。 DI（數字信號輸入模塊）模式和DO（數字信號輸出模塊）狀態，即開關量信號，需要外部傳感器配合才可有效觸發工作。 在圖中DI模式，DO 狀態燈點亮， 輸出開關打開，PLC 接入外部傳感器輸入信號， 此時PLC控制機械臂工作；當DO 狀態燈滅， 此時DO 輸出開關關閉，外部傳感器信號被屏蔽，此時機械臂暫停工作。 人機界面上設入DI、DO 模式，可使機械臂有規律、連貫性的工作，防止機械臂撞機。

4 結束語

本文設計的一種應用于E 型變壓器鐵芯生產的自動疊片機器人，采用基于機器視覺的離縫檢測方案，并利用國產PLC 板進行自動化程序設計，控制精度高，具有良好的操控性， 進一步提高了自動化E 型變壓器鐵芯生產效率，大大節約企業生產人工成本，適合廣大變壓器廠商使用。