產品自動檢測及入庫控制裝置的研制與試驗

李東軍，李 浩，袁振文，王 鵬

（首鋼技師學院機電工程學院，北京 100144）

0 引言

在職業教育領域，教學實訓設備大都是教學裝備制造企業研發生產，職業院校采購使用，也有相關的教科研文獻，但設備的開放性和適用性與職業院校的實際情況，特別是與企業現場崗位技能的相關性，存在較大差異。隨著科學技術的跨越發展，社會在進步，人們的生產、生活在改變。近些年“工業4.0”“中國制造2025”“工業互聯網”“大數據”等由概念轉為生產力，大大促進了智能制造行業的快速發展。作者從事職業教育十幾年，教研專業也一直是機電一體化、電氣自動化等相關領域，見證了智能制造行業的發展和騰飛。我國職業教育隨著經濟社會的發展，進入了一個新的階段，國家的重視，社會的需要，將催生一大批高素質技術技能型人才。作為職業教育的實踐者和引路人，有責任、有義務進行行業技術研究和創新，培養更多社會需要的技術技能型人才。為在職業教育教學中利用教研課題進行研究和創新，研制教學試驗載體，創造條件完成知識技能一體化實訓模型，力求完成對職業院校學生和企業技能人才進行實踐教學和技能培訓，本文研制了一套教學裝置。其中的機械結構和零部件的設計與裝調，核心電氣控制設備和元器件的選型與測試，控制程序的編制與聯機調試等，都是DIY 形式，靈活搭配，“簡約而不簡單”，低成本、超實用、可拓展、全開源，可以參照開發與完善，學為所用、練為提升，注重安全實踐，供交流學習之用。希望本文能夠解決職業教育教學中兩個層面的問題：一是學生或學員層面的技能操作訓練不夠深入、昂貴設備“不敢”操作、與將來就業崗位技能需求脫節等問題；二是職業院校層面的設備預算資金有限、“好鋼用在刀刃上”、工學矛盾突出、提高教師的科研和動手操作能力等問題。如果這些問題得到解決，不僅可以提高學生的崗位適應能力和職業技能水平，還對職業院校教師的“雙師”能力也得到訓練提升，也可以把院校的設備資產“盤活”，提高設備利用率，減少“僵尸”設備的存在。

1 裝置介紹與方案設計

該裝置設計靈感來源于校企合作實際項目，某食品生產加工企業計劃升級改造一套產品自動檢測、搬運、碼垛控制系統，系統旨在解決：多種產品的自動識別，并通過機械手進行搬運，最終將產品碼垛放置在設定的倉位，以備下游環節進一步處理。該系統是典型的機電一體化技術應用案例，作為該項目的主要成員，筆者參與了整個系統的設計與現場裝調工作，實際中企業現場購置了一臺六軸工業機器人進行搬運和碼垛，效率更高、精度更準，成本自然高出了許多，畢竟企業的需求和學校的需要不盡相同，最終項目順利驗收交付，此過程前后經歷了近一年時間，筆者在項目實施過程中，也在不斷的總結和思考，明確企業需要什么樣的人才，理清關鍵技術、核心知識和綜合職業能力的基本要求。

企業現場的設備是生產型的，要求精度高、效率高、穩定性更高，還有食品生產環境的特殊要求，不可能讓學生或學員隨時進行測試和裝調，基于此研發一套教學載體試驗裝置勢在必行，綜合考慮實訓教學設備的數量和損壞概率，不能選取昂貴的設備元件，也不太可能購置大批量的工業機器人進行集成，要盡可能地降低成本，但又不能減少技術含量，綜合考量，裝置的基本設計方案如下。

1.1 整體方案

自制“多功能移動式載盤小車”（已申請實用新型專利），關于“小車”設計與制作本文不再贅述。小車工作臺面可根據實際情況自由拼裝，此裝置臺面尺寸為800 mm×600 mm，采用歐標30150-槽8 的鋁型材板切割拼裝。自動識別模塊由工業相機進行圖像采集，再由PC 圖像數據處理軟件進行實時運算和輸出，驅動PLC 控制系統；三維機械手模塊由步進電機驅動XY軸，Z軸由氣缸搭配吸盤執行取放作業，按照既定程序搬運產品；系統核心控制模塊由PLC 來完成，安裝HMI 進行操作和實時監測，考慮環境保護原則，采用清潔氣源和密封滾珠絲杠模組作為驅動，集成電氣動控制裝置。裝置樣機實物圖片，如圖1所示。

圖1 裝置樣機前視圖

1.2 控制要求

（1）全系統由人機界面（HMI）進行操作和狀態監測，要求能夠完成：頁面I，系統的用戶登錄和權限認證、企業LOGO 信息、設備名稱及功能描述等；頁面II，手動調試頁面，具備所有執行元件的手動調試功能，比如供料氣缸的動作、檢測氣缸的動作、XY軸的點動運行控制、Z軸氣缸的動作、吸盤開閉、貨架定位、回零等；頁面III，自動運行頁面，能夠完整、連續、周期運行自動搬運及碼垛程序，具有啟動、停止、計數、回零、狀態監測等功能；頁面IV，動態監視、數據統計、報警確認等（可拓展）。

（2）井式供料機構控制：要求推料氣缸，能夠平穩的將料倉中的模擬產品，推送到供料平臺，并具備聯鎖保護、缺料報警等功能。

（3）檢測模塊控制：要求檢測氣缸初始為伸出狀態，產品到達檢測位置一時（材質檢測），短暫停頓，然后檢測氣缸縮回，產品到達檢測位置二時（視頻檢測），短暫停頓，然后檢測氣缸復位，等待下一步處理。

（4）“三維”搬運機械手功能較為復雜，總體要求是：能夠在產品到達指定位置時，通過XY軸二維絲杠模組將Z軸移動到指定位置，通過電磁閥控制Z軸氣缸的“升降”運動，同時控制“吸盤開閉”進行產品的搬運及碼垛，特別要求，在完成一個周期（至少10 個貨物的擺放）后，機械手能夠自行判定自動循環運行或回到“零點”。

（5）裝置機電控制系統的安裝與接線：要具備緊急停止功能；具有“啟動、停止、復位”自動運行時的實物按鈕；具備“電源指示、運行指示、報警指示”等狀態燈的顯示等。

（6）裝置可根據實際教學、培訓和開發情況，靈活搭配，自行拓展，完成相關知識和技能的學習和訓練。

2 硬件搭配與機械調整

2.1 核心設備選型與通訊測試

裝置的核心設備為PLC、HMI 和工業相機，PLC 為可編程控制器，在工業控制領域應用非常普遍，具有結構簡單、性能優良、易于使用等優點，又有種類較多、價格差異較大、編程語言各異等情況，但控制原理和編程思路基本相同，所以可根據實際情況自主選擇，須注意的是，本裝置有步進∕伺服電機控制，需要配置至少具有兩路高速脈沖輸出的PLC型號。本裝置選擇應用廣泛、性價比較高的西門子S7-200Smart 系列，具體型號為ST40 DC∕DC∕DC。HMI 為人機界面，俗稱“觸摸屏”，品牌型號種類也很多，這里選擇易學易用、性價比較高的國產品牌，昆侖通泰MCGS 7062Ti DC24V。工業相機及配套采集處理模塊，選擇“智海合達”多功能視頻檢測平臺，XG200 及MD：190629 模塊，該檢測平臺具有高效快捷、簡單易用、功能強大、綠色軟件等優勢。整個裝置的設備元件清單如表1所示。

表1 裝置的設備元件清單

核心設備之間的通信采用ProfiNet 網絡，簡單易用，也是未來工業互聯網的應用基礎，工業相機及視頻采集模塊與PC機的通信限于條件，本機采用USB通信。核心設備通信示意圖，如圖2所示。

圖2 核心設備通信示意圖

2.2 步進電機控制原理及接線測試

步進電動機是一種把電脈沖信號轉換成機械角位移的控制元件。步進電機可分為反應式，永磁式，混合式，各有優點，按實際需求選擇，反應式的步距角小，精度高；永磁式的力矩大；混合式的具有精度高，力矩大的特點，但成本較高。

步進電機接收到一個電脈沖信號，就會相應的轉動一個固定的角度，這個固定的角度，就是步進電機其中的一個重要參數——步距角。步進電機是靠脈沖數量來轉動的，需要轉多少圈就給相應個數的脈沖數，以此，步進電機能夠達到準確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，也就是控制多長時間給一個脈沖，從而達到調速的目的。改變繞組通電順序，控制電機正反轉。所以，可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動方向。本裝置XY軸采用的步進電機及驅動器的接線，參考圖3所示（圖示為X軸，Y軸基本相同，見圖注）。

圖3 X∕Y軸步進電機及驅動器接線示意圖

2.3 機械調整及氣路調試

本裝置機械部分由標準鋁型材、鈑金預制件、鋁板鋁塊零部件、滾珠絲杠模組、標準連接件等組成，限于篇幅不再說明，可根據實際情況自行設計、裝配，機械調整重要的是防止“機械干涉”，要做到位置精確、平滑順暢、牢固可靠等。

氣路的安裝和調試，可以使用FluidSIM 軟件進行仿真和測試，根據裝置功能要求，預制氣缸安裝位置和初始狀態，根據實際情況選用單電控或雙電控電磁閥，配置電磁閥組，并做好密封加壓試驗，氣路調試的關鍵是，通過調整單向節流閥，手動調試氣缸的動作速度，達到平穩高效、密封不漏等。

3 軟件設計與編程調試

本裝置在設計和裝調過程中，會用到不同的軟件環境或平臺，限于篇幅，僅做簡單介紹。PLC 根據選型選擇不同的編程軟件，本文使用“STEP 7-MicroWIN SMART”V2.2 版，該軟件環境界面友好、功能強大，與以往S7-200各版本編程環境相比較，做了較大優化，但內核未變，所以很容易上手。觸摸屏根據選型不同也會有不同的編程環境，本文使用“MCGSE組態環境”，MCGS 嵌入版7.7，該軟件為國產化優秀軟件，使用簡單，驅動豐富，便于集成。其他軟件環境如多功能視頻檢測平臺-免安裝版∕安裝版，FluidSIM 中文版V5.6，Solid-Works2016等，本文不再贅述。

3.1 HMI畫面組態及編程調試

3.1.1 存儲地址及數據類型

在進行HMI 畫面組態之前，要明確該觸摸屏的控制對象和變量地址的規范定義，關于MCGSE軟件環境的學習和使用，需要結合具體任務重復訓練，達到熟練應用。本文在開始編程之前，需要了解一些常用的數據類型，如表2所示（基于STEP 7-Micro∕Win Smart）。

表2 常用的存儲空間或數據類型說明

3.1.2 畫面設計及核心要點

（1）首頁∕登錄畫面組態

關鍵對象（控件）包括：標簽、畫面屬性、位圖、普通按鈕、簡單腳本等。基本包含的元素有：標題、LOGO、登錄信息、用戶管理、使用說明、畫面切換、系統退出∕關閉等。核心要點是，“對象”基本屬性和操作屬性的設置，以及較復雜屬性的配置。首頁畫面組態如圖4所示。

圖4 首頁畫面組態

（2）手動調試畫面組態

關鍵對象包括：方框（圖層）、輸入框（I∕O）、圓形（代表指示燈）、普通按鈕、時間∕日期等。基本包含的元素有：標題、標簽、操控按鈕、數據采集、狀態監測、系統元件的使用等。核心要點是，“對象”基本屬性和操作屬性的設置，“數據對象值”的操作，“變量”的選擇方式和采集方法，動畫屬性及IO表達式組態等。手動調試畫面組態如圖5所示。

圖5 手動調試畫面組態

（3）自動運行畫面組態

關鍵對象包括：標簽、普通按鈕、圓形、入庫信號采集等。基本包含的元素有：標題、標簽、操控按鈕、狀態監測、手動∕自動切換等。核心要點是，手動∕自動的聯鎖切換設置，入庫信號采集表達式的組合運算，其他拓展動畫屬性等。自動運行畫面組態如圖6所示。

圖6 自動運行畫面組態

3.1.3 HMI變量地址預分配（對應PLC內部變量）

HMI 變量實際上是根據其控制設備（PLC）進行實時采集生成或者數據中心預定義，為了達到控制要求，在HMI 和PLC 之間建立通信鏈接后，能夠實現變量、數據實時更新及互通，因此需要在進行PLC 編程之前，完成HMI 變量（數據操作對象）進行預定義，實際上是PLC 數據存儲地址的預分配過程，這一點需要讀者充分理解和規范使用。根據前面組態的畫面，如表3所示。

3.2 PLC程序設計及編程調試

3.2.1 系統I∕O地址分配

首先要根據系統控制要求，確認系統輸入（Input）和輸出（Output）的地址；其次，完成實際接線和儀表檢測。PLC系統的I∕O地址分配表，如表4所示。

3.2.2 搭建程序結構

依據系統I∕O 地址，在PLC 編程環境中編寫“符號表”。根據系統控制要求和模塊化編程思路，需要搭建整體程序結構框架，為后續編程和調試，做好接口和統籌。參考程序結構如圖7所示。

3.2.3 運動控制向導關鍵參數設置

由于本裝置配備了兩套步進電機及驅動器，電機通過聯軸器連接兩組滾珠絲杠模組，命名為X軸、Y軸，Y軸整體裝配在X軸上，X∕Y軸兩端分別安裝機械式碰撞微動開關，作為極限位置，在X∕Y軸中間合適位置安裝機械式微動開關，作為“機械零點”位置，X∕Y軸配合運動可以完成平面任意坐標定位。X∕Y軸的運動由PLC 提供的高速脈沖輸出點（脈沖）和普通輸出點（方向）進行控制，在編程應用中一般使用“運動控制向導”來完成。限于篇幅，不再一一截圖演示，讀者可根據向導窗口，逐一完成關鍵參數的設置，最后形成一個“映射”表單，如圖8 所示。同時，軟件會根據用戶的參數選擇生成若干個“系統子程序”（POU 限制編輯），本次試驗每個軸（軸0 或軸1），選擇生成了4 個子程序，分別為：AXIS0_CTRL、AXIS0_MAN、AXIS0_GOTO、AXIS0_REEEK、AXIS0_RUN（可選，拓展應用）。

表3 HMI變量地址預分配表

3.2.4 PLC變量地址預分配

在系統控制程序的編制過程中，會用到很多的內部變量，為了不造成存儲地址沖突，也是為了編程的規范性和可讀性，需要進行有計劃的分配，PLC 內部變量地址預分配（部分需要配合HMI使用），如表5所示。

表4 系統I/O地址分配表（ST40=24DI+16DO）

圖7 系統PLC程序結構

圖8 運動控制向導

3.2.5 主程序的編制及說明

前文已經定義7 個子程序，在主程序中均要調用，調用一般有“條件調用”和“無條件調用”，其中“手動調試”和“自動運行”需要聯鎖，采用“手自切換”條件調用；由于“自動推料測試”“自動檢測測試”“自動取料測試”“自動放料測試”在制作HMI 畫面時固定在“自動運行畫面”內，所以也采用“手自切換”條件調用，即只有在切換到“自動運行畫面”時才能進行“半自動”測試；“回零復位”子程序，在手動測試和自動運行時均可以調用，所以采用“無條件調用”，即使用SM0.0 （Always_On） 觸 點 永 久 激 活。X∕Y軸 的Axis0_CTRL、Axis1_CTRL 系統子程序需要在主程序中無條件調用，僅調用一次。另外，其他輔助功能，如“多線圈替代”“指示燈狀態”等，一般可放在主程序中進行編寫。

表5 PLC內部變量地址預分配

3.3 回零/復位子程序的編程調試

回零∕復位子程序可采用多種方式編寫程序，只要實現X、Y軸“一鍵回機械零點”即可，還要檢測和復位必要的狀態信號和數據變量，本系統主要使用了Axis0_RSEEK、Axis1_RSEEK 系統子程序完成“回零”功能，將需要回零的實物按鈕或HMI 按鈕觸點，并聯接入Start 輸入參數，需要注意的是一定要使用“上升沿觸點指令”。其他輔助“復位”功能，不在贅述。

3.4 工業相機自動檢測的方法與數據處理

工業相機實時采集視頻圖像數據，多功能視頻檢測平臺是一款基于機器視覺技術的顏色、字母、數字識別軟件，可以查看通信記錄以及測試數據，其具有功能完善、識別率高、識別速度快、識別功能可擴充等特點，該軟件還簡潔、易用、美觀，使識別工作變的輕松且高效。字符樣本采集和系統參數設置界面，如圖9所示。

4 聯機調試與試驗優化

4.1 手動調試與試驗優化

聯機調試之前，要建立ProfiNet通信網絡，設置核心設備的局域網IP 地址為（參見前述通信示意圖）：PLC，192.168.0.2；HMI，192.168.0.3；PC，192.168.0.100。

手動調試HMI 畫面組態，如前圖5 所示。控制要求如下。

（1）步進電機（XY軸）控制：X軸左移、右移；Y軸前移、后移；X∕Y軸當前位置坐標數據采集與實時監測。

（2）氣動控制：推料氣缸伸出∕縮回；檢測氣缸伸出∕縮回；Z軸氣缸伸出∕縮回；吸盤開啟∕關閉；各氣缸當前位置的實時監測。

（3）貨架定位：5 個金屬倉位的編號及定位控制；5個尼龍倉位的編號及定位控制；取料點和檢測點的定位控制；各點位的實時監測。

（4）傳感器監測：料倉監測（缺料報警）、料臺監測（有料聯鎖）、檢測中心（金屬檢測）。

（5）手動、自動模式切換及聯鎖控制等。

手動調試的程序編寫比較簡單，以“點動”、“置∕復位”為主，調用Axis0_MAN、Axis1_MAN 系統子程序完成X∕Y軸“手動運動”功能。使用MOV_DW 指令，完成X∕Y軸當前坐標數據向“點位”坐標數據的傳送。

在手動調試試驗和優化過程中，要調整裝置動作速度和運動的“平滑性”，要注重“點位”坐標數據的準確性，以便后續自動運行時的精確定位運動。

圖9 字符樣本采集和系統參數設置界面

4.2 自動調試與試驗優化

（1）半自動子程序的編程調試與試驗優化

自動運行HMI 畫面組態，如前圖6 所示。畫面左側設計了4個按鈕，主要為了完成4個執行子程序，這些子程序需要被重復調用，因此需要分別調試和優化。具體為：自動推料測試、自動取料測試、自動放料測試、自動檢測測試，其中前3 個子程序相對比較簡單，不再贅述。最后一個自動檢測測試子程序，除需要完成規定的動作外，還需要完成產品材質（金屬和尼龍）的判斷和保存、產品類型（數字序號、字母編號或者顏色種類等）的識別和處理，經過程序運算和對比，確定目標倉位，并將目標倉位的坐標定位數據傳送到中轉變量（表5），以備下一步處理。

（2）全自動周期運行子程序的編程調試與試驗優化

自動運行子程序為該裝置的終極調試目標，完成全自動、周期性循環工作，直至按下停止按鈕或者達到預定條件，系統才停止工作。為完成全自動工作，需要進行裝置全工作流程分析，如表6所示。

表6 裝置系統全工作流程分析

一個周期的運行共完成推料1 次、取料2 次、放料2次、檢測1 次、步進運動3 次，其中XY軸步進運動使用Axis0_GOTO、Axis1_GOTO 系統子程序完成運動控制功能。如此進行往復周期運動，循環周期內XY軸不必回零點，可直接判斷運動到所需位置，直至按下停止按鈕或者達到預定條件（如倉庫已滿、料倉缺料等）狀態，系統停機。

自動運行子程序的編寫，相對比較復雜一些，可采用多種方式實現，本文采用比較指令和MOV_W指令配合來完成，即在初始步或初始化過程中，將VW1000（僅供參考）數據字賦值為0，當按下啟動按鈕時，通過MOV_W命令賦值VW1000為1，通過比較指令==I進行比較，若滿足條件，開始第1步動作，調用推料子程序，完成工作后，賦值VW1000為2，繼續比較指令，若滿足條件，開始第2步動作，……，以此類推，直至完成所有動作步序。

5 應用實踐與反饋拓展

該裝置經過多輪次的試驗和驗證，運行狀態良好，已在職業院校機電一體化、電氣自動化相關專業建制班級進行一體化實訓教學應用，教學效果優良，學生反饋很好。在職工職業技能訓練和培訓中，學員的反饋更為豐富，不僅提升了個人操作技能和知識儲備，還應用于崗位工作實踐中，自主進行技術革新和廢舊設備改造，創造了經濟效益，提升了企業技能人才的綜合職業素養。另外，該裝置在某職工職業技能大賽中被采用，取得了良好的效果。當然，裝置不可能包含所有的知識點和技能點，在實踐中需要進一步拓展，進一步開發，不斷優化，不斷賦能，考量成本和性價比，完善更多功能于一體的教學載體。

6 結束語

本著“學為所用、練為提升”的設計思想與應用理念，進行了產品自動檢測及入庫控制裝置的研制與試驗，過程中遇到過諸多困難，有技術性的，有安全性的，也有經費和管理方面的。本文從硬件到軟件，從理論到實踐，從應用到拓展，詳細說明了教學載體裝置的研制與試驗全過程。注重提供方法，用一個具體的案例，提出和解決職業教育教學中存在的一些問題，比如該裝置能夠提高學生的技能操作訓練水平，深度拆裝組合訓練，不怕損壞設備；師生同練，大大提高了教師的課堂駕馭能力和業務水平；靈活組合，多班次共用，大大提高了設備的利用率。總之，職業教育和技能培訓需要教學載體，需要實物裝備，越真實越貼近現場越好，創造條件完成知識和技術的融入，通過實操訓練實現技術技能型人才的綜合提升，是為終極目標。隨著《新職業教育法》的正式實施，我國的職業教育將會更高、更強。