基于PLC的锁螺丝自动化控制系统设计.pdf

I 匐 出 基于P L C 的锁螺丝 自动化控制系统设计 Th e desi gn of t h e l O Ck s cr ew aut om at i c cont r oI sy st em ba sed on PLC 王月芹 ，周保廷 ，朱伟博。 WANG Yu e ． q i n。 。ZH0U Ba o ． t i n g ，ZHU W e i b o 1 ．苏州工业职业技术学院，苏州2 1 5 1 0 4 ；2 ．苏州汇川技术有限公司，苏州 2 1 5 1 0 0 ；3 ． 苏州自动化设备有限公司，苏州 2 1 5 1 0 0 摘要针对自主开发的锁螺丝自动化生产设备，设计了基于可编程控制器 P L O 的控制系统 ，该系 统融合了视觉定位、伺服驱动和人机交互等技术。本系统应用于单相国网表自动化生产流水 线，实现了表电压接线端子自动锁螺丝的控制功能。从机械系统结构、控制系统硬件搭建、 控制系统软件设计、报警系统、通信等方面进行了详细的介绍。该设备运行可靠、参数调节 方便、监控界面清晰，解决了现有生产线自动化程度低的问题，提高了产品生产效率。 关键词P L C；视觉定位；伺服驱动 ；触摸屏 中图分类号T P2 7 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 --0 1 3 4 2 O l 4 0 9 上 - 0 1 5 2 -0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． 0 9 I- ． 4 1 0 引言 在现代化 生产流水线 中，自动控制技术起着 越来越重要 的作用 ，所谓 自动控制 ，是指在没有 人直接参 与的情况 ，利用外加 的设备或装置 ，使 生产过程 统称被控对象 的某个工作状态或参 数 即被控量 自动地按照预定的规律运行⋯。单 相国网表生产流水线 中，表电压接线端子上需8 个 锁 螺丝，传统 方式 是依靠人工进行手动锁螺丝 ， 一 方面严重影 响了企业 的产能 ，另一方面造成 了 不 良产 品的漏 检 。企 业要 降低 成本 提高 生 产效 率 ，急需研制 出一 台机械 自动锁 螺丝机 。本文设 计 了基于可编程控制器 P L C 的 自动锁螺丝控制 系 统 。该 系统融合 了视 觉定位 、伺服驱动和人机 交 互等技 术，实现 了表 电压接线端子 自动锁螺丝 的 控制功能 。解决 了现有生产线 自动化程度低的 问 题，提高了产品生产效率。 1 自动锁螺丝机概述 自动锁螺丝机是单相 国网表 白动化 生产流水 线中表电压接线端 子锁螺丝 自动化装置 。本系统 具 有单 表 自动 上料 ，通 过CCD对螺 丝孔 的视 觉 定位 ，找准相应螺丝孔 中心位置，驱动锁螺丝单 元 ，按设定的扭力锁螺丝 ，自动安装入表中所 有 螺丝 ，安装完毕 ，自动 出料流至下道工序。 系统技术要求 正常情况下 ，锁螺丝速 度控 制每5 - 6 秒完成一个螺丝的锁定 。并且锁螺丝的不 成功率小于0 ． 5 ％；系统具有视觉定位异常报警、 浮锁报警、螺丝滑锁报警、搬运不到位报警，螺 丝缺料报警 ，螺丝长度不合格报警 。系统设置八 个工位 一个上料区 、一个视觉定位 区、四个锁 螺丝 区、一个下料区和预 留一个工位 。八工位定 位采用八工位分割器构成 的分度转盘结构 ，在所 有工位都 完成后给 出一个工位切换信号 ，八工位 分割器切换一个工位 ，结构图如图1 所示 。 自动锁螺丝机动作流程分析如下 1 上料工位 传送带将 电表带入上料区 ，导正气缸将 电表 导正 ，上料传感器检 测到 电表到位 ，启动上料机 械手 ，伺服驱动运行到位 ，升降气缸下降到位 ， 夹爪气缸抓取 电表 ，升降气缸上升到位 ，伺服驱 动 运行 到上 料 工位 ，升 降 气缸升 降 气缸 下 降到 位 ，准确放入到上料工位 。完成上料功能 。如果 有异常要发出搬运不到位报警 。 2 视觉定位工位 视觉定位区采用 日本松下C CD视觉定位 图像 识别 ，负责对工位上 电表所需锁螺丝位置进行定 位 ，并判断8 个锁螺丝位和有无锁螺丝 ，并将信号 数据保存 ，供后续的四个 自动锁螺丝定位 。如发 现信号异常，要发出视觉定位异常报警 。 3 自动锁螺丝l 号工位 自动锁螺丝区根据上工位 的视 觉定位信号 ， 由锁螺丝机械手 自动锁螺丝。每个电表上需要锁8 个螺丝，四个 自动锁螺丝工位各负责 自动锁两螺 丝。 自动锁螺丝l 号工位负责锁1 、2 号螺丝。得到 打螺丝驱动信号后 ，先驱动 锁1 号螺丝 ，再驱动锁 2 号螺丝。 自动锁 螺丝状态下 ，锁螺丝机械手 的伺 收稿日期2 0 1 4 - 0 6 -1 6 基金项目江苏省高等职业院校高级访问工程师计划资助项 目 2 0 1 4 F G 0 8 0 作者简介王月芹 1 9 7 4一 ，女，副教授，硕士，研究方向为机电一体化和自动控制。 [ 1 5 2 ] 第3 6 卷第9 期2 0 1 4 0 9 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参l 匐 化 最活跃 的传感器 。C CD视 觉系统选择 松下WV CL 9 3 4 CH视觉 定位相机 ，2 4 d , 时 自动 后焦调 整 功能 ，确保全天候获取精确 识别所必 须的清晰图 像 ；通过提高 监控效 率降低操作 成本 。 日夜监控 功能的超高灵敏度 F1 ． 4 时 ，彩色模式0 ． 0 9 L u x ， 黑白模式0 ． 0 0 8 L u x 。红外剖切滤波器 自动开关和根 据 彩色／ 黑 白模式开关 ，A BF 自动后焦调节 再调 节后焦 ，以确保彩色和黑白图像的质量 。根据将 C C D图像传感器固定在视觉定位区，通过R S 2 3 2 与 P L C 进行数据链接。 3 监控系统 。根据系统对人机界面的功能要 求，选择汇川触摸屏，此人机界面能与主控 P L C 实时通讯 ，显示 系统寄存器状态和数 值 ，具有丰 富的功能键盘 ，和报警列表功能 ，实时显示 当前 报警信息，并且具有很高的性价比。 4 伺服控制 系统。伺服 系统 要求采用直线滑 块高精度螺旋丝杆及伺服马达，确保重复精度0 ． 0 2 毫米。所以选择 多摩 1 1 T A8 4 8 1 - N0 0 0 0 伺服驱动器 和TS 4 6 0 3 一 N1 6 8 0 一 E 2 0 0 伺服 电机 。伺服驱动器工 作在位置控制模式时 ，速度和位置取决于接 收到 的高速脉冲 的个数和频率 ，脉冲 的个数决定伺服 电机转过的角度 ，脉冲 的频率决定伺服 电机 的转 速 。伺服驱动器采用位置控制模式 ，通过 自带 的 c N1 端 口与P L C连接 ，接收 P L C 输 出使能信号，高 速脉冲和方 向指令，同时向P L C 输入伺服驱动器状 态 ，C N2 端 口与伺服电机光电编码器相连获得伺 服电机实时位置 。满足系统的精度要求。 5 系统气动控制 系统。上料机械手上升降气 缸和夹爪气缸 、下料机械手上升降气缸和夹爪气 缸 、四个 自动锁 螺丝 电批升降气缸 、上料处产 品 导正气缸和下料处次品区NG托盘气缸 。其中下料 处次品区NG托盘气缸为 由一个单电控 的电磁 阀控 制 ，其他的都是 由双 电控 电磁 阀控制 。系统气动 原理图如图3 所示。 3 软件设计 控制系统的软件设计 由P L C 程序设计和人机界 面程序设计两部分组成。 P L C程序设计 P L C程序设 计是核心 ，系统 P L C程序 由一个主程序和5 个子程序组成 。5 个子程 序分别是子程序1 四个 自动锁螺丝定位控制程序 ， 子程序2 上料传送带 自动程序 ，子程序3 上料 伺服 自动程序 ，子程序4 收料伺服 自动程序 ，子程序5 收料传送带程序 。主程序是核 心，负责 系统初 始 化和C C D数据采集 ，负责系统子程序调 用，负责 与HI M的数据交换 。程序较长 ，这里略。 [ 1 5 4 1 第3 6 卷第9 期2 0 1 4 - 0 9 上 图3 系统 电气原理图 表1 P L C1 的I ／ 0表 输入 输出 X 0 上料处气缸上磁环 B 3 Y0 1 撑 电批上下气缸上 X1 上料处气缸下磁环 B 4 Yl l 拌 电批上下气缸下 X 2 上料料处夹紧气缸夹磁环 B 6 Y2 2 电批上下气缸上 X 3 上料处加紧气缸松磁环 B 5 Y3 电批上下气缸下 X 4 打螺丝3 原点信号 Y4 3 撑 电批上下气缸上 5 打螺丝1 C W限位 Y5 3 电批上下气缸下 X 6 打螺丝1 C C W限位 Y6 销电批上下气缸上 X 7 打 螺 丝2 C W 限位 Y7 斜 电批 上下 气缸 下 Xl 0 打螺丝2 C C W限位 Y1 O 电批1 启动 X1 1 打螺丝3 C W限位 Y1 l 电批1 反转 X1 2 打螺丝3 C C W限位 Y1 2 电批2 启动 X1 3 打螺丝4 C W限位 Y1 3 电批2 反转 X1 4 打螺丝4 C C W限位 Y1 4 电批3 启动 X1 5 1 } } 拧到位信号 B1 4 Y1 5 电批3 反转 X1 6 2 拧到位信号 B1 6 Y1 6 电批4 启动 X1 7 3 拧到位信号 B1 8 Yl 7 电批4 反转 X2 O 错拧到位信号 B 2 0 Y 2 0 离合器控制电源 X2 l 1 电批扭力信号 Y 2 1 分割器电机启动 X2 2 2 静 电批扭力信号 Y 2 2 视觉拍照触发 X2 3 3 样 电批扭力信号 Y 2 3 供螺丝箱启动 X2 4 错电批扭力信号 X2 5 1 电批上下气缸上磁环 B 1 3 X2 6 2 电批上下气缸上磁环 B 1 5 X2 7 3 电批上下气缸上磁环 B 1 7 X3 0 错电批上下气缸上磁环 B 1 9 X 3 1 伺服报警 X 3 2 供螺丝箱1 空报警 X 3 3 供螺丝箱2 空报警 X 3 4 分度盘定位信号 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 生 匐 地 图6 自动 锁螺丝机 照片 4 结束语 本 设 备 已成 功 用于 实 际 生产 。经过 运 行 观 察 ，系统 运行稳定 ，应用P L C实现 自动锁螺丝控 制 系统 的开发 ，能够满足 自动锁 螺丝机构和功 能 的要求 ，同时具 有人机界面友好 、维护方便 、系 统操作简便 ，对工人零要求 ，并方便企 业查询数 据 ，成本投入低 的优点 。对单相 国网表成 品的生 产产生 了较大 的社会效益和经济效益 ，具有较好 的推广价值 。 参考 文献 【 l 】胡寿松． 自动控制原理[ M】 ． 北京 科学出版社， 2 0 0 1 ． 【 2 】汇川公司H2 U系列P L C 软、硬件手册[ M】 ． 2 0 1 3 ． 【 3 】胡文翔， 蔡政， 郭伟玮， 等． 面向R S 一 4 8 5 控制网络的Mo d b u s 协 议扩展及应用[ J ] ． 自动化仪表． 2 0 1 3 ； 4 3 4 5 9 6 2 ． [ 4 】王士绅， 隋修宝， 陈钱， 顾国华- 古速高清C C D自适应相关 双采样技术[ J ] ． 红外与激光工程． 2 0 1 4 ； 1 3 4 1 5 5 ． 1 5 9 ． 重‘ 矗‘ 童‘ 蠡I 蠡‘ 蠡‘ {矗} 鑫‘ 盘‘ {＆‘ {＆‘ {＆‘ {重● {鑫‘ {重‘ {＆‘ 盘‘ 童‘ 岛‘{＆‘ ． 出．{蠡‘妇． ． 【 上接第 1 4 5 页 】 国 因 磊i c 嗣 ． ． ． I ． ． ． ． ． ． ． ． ． 圈 图6 四轮 转向控制 系统框图 而 、 5 { 、 、 、 ／ ／ 、 ＼ ＼，一 一 “ - 4 ／ ／ ，、 ＼ t ／ ， 、、／ 一一一一 ／ 图7 原地绕车时各车轮运动关 系简图 2 4 ． 2 控 制系统 原地绕车控制 系统框 图如图8 所示，在操作人 员选择原地绕车按钮 时，位置传 感器实时的采 集 左右轮距B，中央控制器通过上述数学模型计算出 相应 的偏转 角 6值 ，再通过 电液 比例 方向阀控 制 液压缸 的伸缩 ，从 而控制四个车 轮的偏转角，保 证各轮的旋转中心为喷药机的几何中心 。 3 结论 依据上述四轮转 向控制 系统 的研 究，该系统 [ 1 5 6 1 第3 6 卷第9 期2 0 1 4 - 0 9 上 圈 I ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． _ _ J I 国 辞 圆 圈 ．f lJ 1 同曹 ’J 方 向 闽l ； j；一 反 箍 编 码 器l i 国 曲 囤 i 方 向 闲 I 堕 壁 曲 赢 仁 反 馈 编 码 嚣l 窜 z l I 国 啐 圈 ’I 方 向 阍 I 里 赢 ． 一 图8 原地 绕车控制系统框图 可以实现轮距可调的四轮驱动的 自走式喷药机的 转向系统的控制。若是在转向时进行轮距调节 ， 根据本 论文所研究的控制系统也可以实时的根据 轮 距调 整车轮 的偏转 角 ，保证转 向与轮距调节可 以同时进行。因此，本论 文所研 究的大型 自走式 喷药机的四轮转向控制 系统是比较合理可靠 的。 参考文献 【 1 】倪静． 高地 隙四轮液压 驱动喷雾机 电液防 滑控制 系统设 计及试验【 D】 ． 江苏大学， 2 0 1 1 ． 【 2 】王志新． 汽车四轮转向系统【 J 】 ． 公路与汽车， 2 0 0 6 1 5 - 8 ． 【 3 1李松龄． 汽车构造 [ MI ． 知识产权 出版社， 2 0 1 0 ． [ 4 】刘惟信． 汽 车设 计【 M】 ． 清华大学 出版社， 2 0 0 1 ． 【 5 】曾锦锋， 陈晨， 杨蒙爱． 基于阿克曼转向原理的四轮转向机 构设计 【 J 】 ． 轻工机械， 2 0 1 3 ， 3 1 3 1 3 1 9 ． 【 6 】王百超 ， 郝博． 四轮转向 同步控制 系统的研 究与电子设计 【 J ] ． 电子元器件应用， 2 0 0 7 ， 9 1 2 4 7 5 0 ． 一 匡 匝 鲻鐾 爵 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m