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

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，我國將加大對智能化制造和核心創(chuàng)新技術(shù)的研究。縱觀國內(nèi)制造業(yè)市場，隨著自動化水平的進一步提高，我國機械行業(yè)相對于其他國家并不處于優(yōu)勢[1]。

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

1 電機裝配站基本配置

本文設(shè)計的電機裝配站系統(tǒng)需要用到PLC、工業(yè)機器人、多工位旋轉(zhuǎn)臺等模塊，并將這些模塊進行合理布局。

1.1 電機裝配站硬件組成

1.1.1 工業(yè)機器人選型

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

1.1.2 PLC選型

目前市場上的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)選用光電開關(guān)(光電傳感器)來判斷夾爪有無到位等多種情況。

1.1.4 多工位旋轉(zhuǎn)臺的選型

本電機裝配站采用多工位旋轉(zhuǎn)臺進行供料，其多工位旋轉(zhuǎn)臺用步進電機進行驅(qū)動，使轉(zhuǎn)盤進行旋轉(zhuǎn)運動。本系統(tǒng)需要選用靜力矩和轉(zhuǎn)動慣量比較大的步進電機，因此選擇型號為FL42BYG48的步進電機。

1.2 控制系統(tǒng)整體方案確定

電機整體裝配流程如圖1所示。

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

圖1 電機整體裝配流程

其中識別入庫技術(shù)可采用兩種方案：一是采用RFID技術(shù)識別入庫；二是采用視覺系統(tǒng)識別入庫。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識別入庫方案。

1.3 工作站整體布局

裝配工作站主要由供料單元、裝配單元和入庫單元組成。

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

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

(3) 入庫單元。用機器人夾取裝配好的電機，然后應(yīng)用RFID技術(shù)識別入庫。

根據(jù)設(shè)計需求對供料單元、裝配單元、入庫單元在桌面上進行合理布局。

2 電機裝配站電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)PLC的I/O分配

通過分析系統(tǒng)的要求與過程確定所需要的部分I/O點，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

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)計供料單元梯形圖時，首先將機器人輸出各指令對應(yīng)機器人變量映射到DB塊中與轉(zhuǎn)盤命令一一對應(yīng)，并使機器人命令軸運轉(zhuǎn)到四個絕對位置的輸出對應(yīng)著轉(zhuǎn)盤模塊應(yīng)該到達相應(yīng)四個位置命令。

2.2.2 裝配與入庫單元

本單元為電機的轉(zhuǎn)子和端蓋的裝配。圖3為入庫單元控制流程。

RFID技術(shù)又稱無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，俗稱電子標簽。本系統(tǒng)中使用RFID識別入庫。

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)后對載碼體內(nèi)的數(shù)據(jù)進行讀取和寫入。

圖3 入庫單元控制流程

2.2.3 通信單元設(shè)置

機器人與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表示機器人讀取PLC里的數(shù)據(jù)，0表示工業(yè)機器人把數(shù)據(jù)傳送給PLC。MB_DATA_ADDR為機器人存放數(shù)據(jù)的首地址。MB_DATA_LEN為讀取數(shù)據(jù)的長度,PLC寫入工業(yè)機器人的數(shù)據(jù)長度為9個字。MB_DATA_PTR是PLC存放寫出或者讀入數(shù)據(jù)的緩存區(qū)。

3 人機交互界面設(shè)計

3.1 RFID的HMI界面設(shè)計

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

3.2 轉(zhuǎn)盤的HMI界面設(shè)計

根據(jù)電機裝配中供料單元的工作過程設(shè)置轉(zhuǎn)盤HMI，具體見圖5。風扇模擬電機的點動正反轉(zhuǎn)，右下角為轉(zhuǎn)盤位置模擬，位于正上方為位置1，每個位置相對位置1順時針旋轉(zhuǎn)90°[4]。

3.3 機器人的HMI界面設(shè)計

HMI設(shè)置有關(guān)于機器人自動運行的相關(guān)界面，在自動運行中，當機器人報警時，對應(yīng)的指示燈就會由灰色變紅色提示報警。

4 電機裝配工作站的聯(lián)合仿真

本文采用ROBOGUIDE仿真軟件對工作站進行仿真設(shè)計及驗證。

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 新建工作站項目

點擊新建工作單元建立新的工作單元，選擇HANDINGPRO類型，選擇對應(yīng)的FANUC Robot M-10iA機器人。

4.1.2 工作站三維模型的導(dǎo)入

將模型導(dǎo)入并對其布局，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)僅對裝配電機轉(zhuǎn)子進行了介紹，裝配端蓋、識別入庫與轉(zhuǎn)子裝配仿真程序略。

4.2.1 機械手臂的開合

手爪模型如圖7所示，機械手爪在不工作的狀態(tài)時為打開狀態(tài)，在夾取工件的時候為閉合狀態(tài)。

4.2.2 機器人執(zhí)行程序

機器人的部分執(zhí)行程序如下：

[1] J P[1] 100% FINE //機器人原點

[2] L P[3] 1000mm/sec CNT100 //接近夾取點

[3] L P[2] 100mm/sec FINE //到達夾取點

[4] CALL ZHUANZIPICK //調(diào)用夾取程序

[5] L P[7]1000mm/sec CNT100 //夾取后位于夾取點上

[6] J P[5] 50% F INE //放置接近點

[7] L P[4] 100mm/sec FINE //放置點

[8] CALL ZHUANZIDROP //調(diào)用放置程序

[9] J P[6] 100% FINE //回到安全點

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和機器人進行了電機裝配的仿真工作。通過對整個系統(tǒng)的分析完成了相關(guān)PLC程序編寫、HMI界面設(shè)計，最終利用ROBOGUIDE軟件進行了聯(lián)合仿真，驗證了工作站的可行性。