基于PLC的單焦點鏡片分選機的實現與應用

潘 歡

（速波機器人無錫有限公司，江蘇 無錫 214151）

0 引言

隨著自動化[1]在生產制造業中的普及發展，傳統行業逐漸朝著自動化生產的方向轉型。生產廠商只有提高了生產中的自動化程度才能大幅度地提高生產效率，降低生產成本。在自動化程度較低的眼鏡片檢測分選行業，鏡片的分選打包主要還是通過人工來完成。人工對眼鏡片打包分選不僅需要投入較多的人力資源，而且重復的勞作難免會產生分選偏差，導致最終產品無法滿足要求。

為了解決目前眼鏡片檢測分選[2]行業所遇到的這些問題，本文設計實現了基于PLC控制的單焦點鏡片[3]分選機。從降低人力成本，提高生產效率方面改善了行業現狀，提高了行業自動化程度。

本文主要從電氣控制方面的硬件設計和軟件設計，介紹了單焦點鏡片分選機的設計過程及達到的運行效果。

1 設備工藝要求

單焦點鏡片分選機主要針對的是市場上普遍使用的單焦眼鏡片進行分選打包，包含近視眼鏡片和老花眼鏡片以及其他需要測量鏡片度數的功能性單焦眼鏡片。分選依據參數主要為鏡片厚度值、鏡片度數值、鏡片散光值。用戶可以根據客戶具體需求，在基于PLC的運動控制系統[4]與相機視覺系統[5]的配合下，對眼鏡片進行分選打包以及是否需要增加棉紙的操作，同時在包裝袋上打印對應的鏡片參數。分選機設備提供28種分選類型放置口，分倉規則自由度高，足以滿足大多數客戶需求。

單焦點鏡片分選機具有手動操作模式與自動操作模式2種運行模式供使用者選擇。

1.1 手動操作模式

手動操作模式可以對分選機的單體進行單獨控制，例如氣缸的動作控制，伺服電機單獨點動運行、定位運行、回原點等控制操作，步進電機的單獨點動運行、定位運行、回原點等控制操作。操作員可以在人機界面上觀察系統當前的手動運行狀態與動作情況，方便調試和故障排查。

1.2 自動操作模式

自動操作模式下對上料方式進行了分類，主要分為自動上料以及手動上料方式。自動上料使用標準托盤進行眼鏡片的上料，手動上料模式適用于其他非標準托盤進行上料分選。自動操作邏輯的簡易流程如圖1所示。

圖1 自動操作模式流程

2 控制系統硬件設計

2.1 機械結構

單焦點鏡片分選機設備按照功能要求，機械方面將結構劃分為自動上料區、手動上料區、鏡片檢測區、包裝袋準備區、鏡片打包區5個功能分區。設備整體機械結構如圖2所示。

圖2 單焦點鏡片分選機設備

（1）自動上料區，主要負責標準托盤中的眼鏡片自動上料動作。

（2）手動上料區，主要負責其他托盤眼鏡片的手動上料動作。

（3）鏡片檢測區，主要負責對眼鏡片的厚度、焦度、散光等參數的測量記錄動作，以及自動調焦動作。相機視覺系統利用通訊的方式采集焦度計[6]測量的鏡片度數散光等參數，根據事先設置好的分倉規則進行內部預處理分類。

（4）包裝袋準備區，主要負責鏡片包裝袋的上料，測量參數的打印準備，包裝入袋準備動作。

（5）鏡片打包區，主要負責把包裝完成的眼鏡片按照預先設定的分倉規則，進行入柜放置的動作。

2.2 電氣設備

單焦鏡片分選機控制核心采用基恩士PLC，電機控制方式采用安川MECHATROLINK－II通信[7]協議與安川伺服電機和步進電機進行控制數據通訊。總線的方式控制伺服和步進的運動不僅可以大幅減少配線的工作量，而且還提高了系統的可靠性和抗干擾能力。基恩士KV－ML16V省線型定位運動單元采用MECHATRO?LINK－II協議，最大支持16軸位置控制、速度控制、轉矩控制等控制方式[8]。設備主要電氣設備選型如表1所示。

表1 主要電氣設備選型表

2.3 電氣原理圖

單焦點鏡片分選機電氣原理圖使用AutoCAD軟件進行繪制，主電源使用220 V交流電對系統整體進行供電，系統輔助電源使用480 W的24 V開關電源供給。電源系統如圖3所示。

圖3 設備電源系統原理

基恩士輸入輸出模塊接線方式采用了MIL連接器34針進行連接，因此設備中選用IDC 34中繼端子臺進行轉接，只要將就近的磁性開關，傳感器等外部信號接到對應的中繼端子臺上就可以與PLC之間進行有效信號交互。這樣不僅減少了線纜的使用，同時還降低了后續維護人員排除設備故障的時間。部分中繼端子臺接線如圖4所示。

圖4 設備部分端子臺接線

3 控制系統程序設計

3.1 基恩士PLC程序

基恩士PLC型號選用的是KV－7000系列的KV－7500，KV－7500具有超高速CPU內部總線，可以進一步實現設備控制的高速化、高精度處理。PLC內部程序分為輸入點刷新、啟動處理、通訊處理、設備單體控制處理、自動上料區邏輯、鏡片檢測區邏輯、鏡片打包區邏輯、鏡片入柜區邏輯、加棉紙程序邏輯、報警處理、定位控制、輸出點刷新。

（1）輸入點刷新與輸出點刷新。輸入點刷新邏輯和輸出點刷新邏輯都是用于處理外部信號的轉接，方便于后續外部信號點位的變更。

（2）啟動處理。啟動處理邏輯用于設備上電后的一系列初始化處理，例如設備初始上電后電機回原點操作、相機初始化操作、氣缸初始位置檢測操作、設備異常檢測等。

（3）通訊處理。通訊處理用于處理PLC與相機視覺系統之間的通訊邏輯，PLC與相機之間采用TCP的方式進行通訊。通訊內容包含相機拍照結果、眼鏡片分倉等級結果、相機工作狀態等。通訊處理部分程序如圖5所示。

圖5 通訊處理部分程序圖

（4）設備單體控制處理。設備單體控制邏輯用于批量處理單體設備的控制，主要涉及氣缸的手、自動運行，手動與自動模式之間切換運行，調速電機的手自動單獨啟停控制。

（5）自動上料區邏輯。系統自動運行前會自動檢測上料模式，如果用戶選擇了自動上料模式，同時自動上料區托盤就緒時，設備啟動后會進入自動上料狀態。自動上料區邏輯用于處理托盤的自動上下料，將托盤中的鏡片轉移至后續檢測區進行檢測。

（6）鏡片檢測區邏輯。鏡片檢測區用于檢測眼鏡片的厚度、鏡片的散光、鏡片的度數等相關參數。在測量過程中，相機視覺系統會將測量數據發送給紙袋打印機進行打印紙袋操作，將測量等級消息發送給PLC進行后續分倉操作。

（7）鏡片打包區邏輯。鏡片打包區主要包含包裝紙袋的上料、包裝紙袋的打印與準備操作。當眼鏡片進入檢測區后，包裝袋就進行上料操作，等待相機測量參數的傳遞；在收到相機通過以太網發送過來的打印參數后，打印機進行打印操作，打印完成的紙袋會進入打包準備位置，為后續的鏡片入袋做好準備。

（8）鏡片入柜區邏輯。根據相機視覺系統測量結果，按照用戶事先設置好的分倉規則，對當前需要分類的眼鏡片進行對應的分倉操作，將其放置到正確的規則倉中。

（9）加棉紙程序邏輯。針對一些不含棉紙的包裝袋，而鏡片又需要增加棉紙來保護表面不受磨損的情況。單焦點鏡片分選機添加了自動加棉紙的功能，只要用戶運行前選擇了加棉紙模式，設備就會在正常的檢測包裝工序中增加一道加棉紙的工序流程。加棉紙部分邏輯程序如圖6所示。

圖6 加棉紙部分邏輯圖

（10）報警處理。報警處理邏輯對設備各個分區的報警進行處理，報警類型包含氣缸未到位異常報警、打印異常報警、工位殘料報警、伺服異常報警等。具體的報警信息會在觸摸屏中顯示出來，同時報警指示燈閃爍，蜂鳴器響，通過聲光報警的方式來提醒使用者設備處于異常運行當中。

（11）定位控制。定位控制邏輯用于批量處理伺服電機和步進電機回原點，手動點動運行控制和定位運行控制。

3.2 人機界面交互設計

單焦點鏡片分選機使用觸摸屏來進行人機交互，主要用于設備使用人員對分選機進行正常操作、故障排除、參數設置。豐富的人機交互內容可以讓使用者對設備的運行情況更加熟悉，可以快速讓分選機達到投入生產的狀態。

觸摸屏型號選用昆侖通態10寸觸摸屏[9]TPC1061Ti。觸摸屏界面主要分為主界面、操作界面和報警顯示界面。主界面用于顯示分選機整體狀態、手自動運行模式選擇、手自動上料方式選擇、設備啟停等操作；操作界面主要用于操作人員在手動運行模式下，對分選機的單體設備進行手動操作，例如氣缸的運動檢測，伺服電機與步進電機的定位位置調整；報警界面用于顯示設備產生的異常報警內容，便于使用者排除設備故障。觸摸屏中的部分界面截圖如圖7所示。

圖7 聯動測試界面

4 結束語

本文主要從電氣設計方面介紹了基于PLC的單焦點鏡片分選機，從電氣設備選型、原理圖的繪制、基恩士PLC程序的編寫、觸摸屏界面的設計等方面整體展示了分選機的開發過程，展示了設備整體的功能情況及應用場景。

單焦點鏡片分選機的開發使用，極大地提高了鏡片檢測分選行業的自動化程度，降低了企業人力成本投入，對企業的發展有著積極的作用。但是單焦點鏡片分選機主要針對的分選類型是常見的單焦點眼鏡片，對于多焦點的眼鏡片還需開發其他設備進行分選檢測，這也是后面需要研究和探討的開發方向。