張 敏，阮澤鵬

（廣東理工學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，肇慶 526100）

電子行業(yè)在產(chǎn)品貼片工序過程中會(huì)留下大量未用完的貼片元件，如電阻、電容等需要退庫盤點(diǎn)剩余的數(shù)量。目前，仍有許多工廠使用傳統(tǒng)的人工盤點(diǎn)、統(tǒng)計(jì)和登記，這樣不僅效率低下，而且盤點(diǎn)數(shù)目的精確度不高。據(jù)深圳某公司統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)人工完成一盤物料的盤點(diǎn)、統(tǒng)計(jì)和貼標(biāo)需要一個(gè)工人綜合用時(shí)3 min；半自動(dòng)X-Ray 計(jì)數(shù)器設(shè)備（X-Ray計(jì)數(shù)器）需要一個(gè)工人綜合用時(shí)1 min；而用全自動(dòng)的X-Ray 計(jì)數(shù)器設(shè)備（料盤上料機(jī)+X-Ray 計(jì)數(shù)器+料盤貼標(biāo)機(jī)）僅需用時(shí)17 s。文中設(shè)計(jì)的全自動(dòng)上料系統(tǒng)就是配合全自動(dòng)X-Ray 計(jì)數(shù)設(shè)備完成進(jìn)料工序，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率，減少雇員支出的目的。

1 料盤上料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1 總體控制流程設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是采用三菱FX3U 系列PLC 作為控制核心元件，結(jié)合三菱觸摸屏的操作界面，利用單相異步電動(dòng)機(jī)將放置料盤的運(yùn)料小車驅(qū)動(dòng)上升到指定的位置，并通過對射傳感器來精確定位料盤上升的高度[1]。料盤上升到指定位置后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手沿著X 軸到達(dá)料盤上升位置，再沿Z 軸下降抓取料盤，然后再將料盤橫移到自動(dòng)X-Ray 計(jì)數(shù)器的進(jìn)料口等待放料，放下料盤后返回初始位置，重復(fù)以上工序，即完成全自動(dòng)料盤上料流程，其控制系統(tǒng)流程如圖1 所示。

圖1 上料控制系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of feeding control system

1.2 其他控制功能設(shè)計(jì)

左、右上料工位設(shè)計(jì)：為保證不間斷供料，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙工位上料車進(jìn)料，兩個(gè)儲存工位互不影響，設(shè)備運(yùn)行期間也可以更換上料車。當(dāng)上料車裝載完待清點(diǎn)的料盤后，按下觸摸屏上的左或右工位，上料車則會(huì)上升至取料工位，等待機(jī)械手取料；當(dāng)左、右工位抓料完成后，蜂鳴器連續(xù)響三聲提示料盤抓完，請及時(shí)更換裝滿料盤的上料車。

急?？刂圃O(shè)計(jì)：若遇到如料盤卡死或料盤脫落等緊急情況時(shí)，則按下急停按鈕，排除問題后，釋放急停按鈕，此時(shí)在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，按下復(fù)位按鈕，當(dāng)所有軸和氣缸都回歸原點(diǎn)后，再點(diǎn)擊觸摸屏中的啟動(dòng)按鈕或機(jī)臺的實(shí)物啟動(dòng)按鈕，方可進(jìn)入自動(dòng)模式，讓設(shè)備正常運(yùn)行。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控硬件選型

從系統(tǒng)的輸入、輸出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，該控制需要24 個(gè)輸入點(diǎn)和18 個(gè)輸出點(diǎn)，考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，PLC 的點(diǎn)數(shù)還需預(yù)留10%～20%的余量，故最終選擇FX3U-64MT 的PLC[2-3]。同時(shí)，設(shè)計(jì)中選取了GT2710-VTBA 型號三菱觸摸屏，主要用于與PLC 進(jìn)行人機(jī)界面交互，方便地顯示PLC 數(shù)據(jù)和現(xiàn)場設(shè)備的動(dòng)作狀態(tài)，仿真PLC 實(shí)時(shí)工作的效果，實(shí)現(xiàn)可視化操作[4-5]。上料機(jī)構(gòu)需要垂直升降，實(shí)現(xiàn)將料盤移送到指定高度的控制，結(jié)合驅(qū)動(dòng)負(fù)載類型、額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速等因素核算，選用兩臺晟邦28 軸立式0.75 kW 帶剎車的單相異步電動(dòng)機(jī)做左右工位上料小車的升降電機(jī)。同時(shí)系統(tǒng)選用了Kinco 3S57Q-04056 型步進(jìn)電機(jī)用于精確定位X 軸和Z 軸位置，并進(jìn)一步將它們聯(lián)合組成動(dòng)力設(shè)備抓取及運(yùn)送料盤。步進(jìn)電機(jī)需要配合步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器使用，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的主要功能是接收來自PLC 的Y0 或Y1 輸出端的一定頻率、一定數(shù)量的脈沖信號，可對步距角做進(jìn)一步細(xì)分，讓定位能更加精確，設(shè)計(jì)中選用了Kinco3M458 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。

2.2 其他硬件選型

設(shè)計(jì)中根據(jù)需求選用了型號為SMC MY3B20G-700 的機(jī)械式無桿氣缸和型號為SMC MHZ2-16D的手指氣缸；系統(tǒng)還選用兩個(gè)型號為4V210-08 和4V220-08 兩位五通的電磁閥，其中一個(gè)用于控制抓取氣缸的夾緊和松開，另一個(gè)電磁閥控制料盤傳送氣缸的伸出和回退；選用了SMC 3C-D-Z73L 型號的磁性開關(guān)，用于檢測氣缸是否到位；選用了型號為E3Z-T61 的歐姆龍對射式光電開關(guān)檢測物料，主要通過對射紅外線判斷左右上料小車上是否有料盤；同時(shí)，系統(tǒng)還選用型號為EE-SX672 的歐姆龍U 槽型光電開關(guān)，主要用做電機(jī)的限位，防止誤操作或故障、電機(jī)越程及原點(diǎn)定位等控制；在開關(guān)電源的選擇上，由于觸摸屏功率為6.5 W，2 個(gè)電磁閥功率為6 W，所有傳感器功率為3 W，2 個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器功率為250 W，4 個(gè)中間繼電器功率為4 W，合計(jì)269.5 W?？紤]預(yù)留20%～30%的余量，最終選擇型號為LSR-350-24 的明緯開關(guān)電源。其余常規(guī)硬件就不再描述。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序總體設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場控制需要，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)和手動(dòng)運(yùn)行2 種控制模式，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)2 種模式的良好切換，程序總體設(shè)計(jì)思路如圖2 所示。

圖2 總控程序示意圖Fig.2 Schematic diagram of general control procedure

總控程序包含三大部分，即其他程序、自動(dòng)程序及手動(dòng)程序。其他程序部分主要包含顯示控制、檢測控制，報(bào)警控制等輔助程序；自動(dòng)控制程序部分主要完成自動(dòng)循環(huán)控制流程；手動(dòng)控制程序主要完成安裝、調(diào)試及手動(dòng)回原點(diǎn)等手動(dòng)操作程序?？偝绦蛟O(shè)計(jì)中，用X10 作為自動(dòng)/手動(dòng)選擇開關(guān)，用功能指令CJ 完成程序跳轉(zhuǎn)控制，當(dāng)X10 得電時(shí)，跳過自動(dòng)程序，直接跳轉(zhuǎn)到P0 指針的指示程序處，系統(tǒng)處于手動(dòng)控制運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)X10 不得電，順序執(zhí)行自動(dòng)控制程序，當(dāng)執(zhí)行到P0 指針的跳轉(zhuǎn)程序時(shí)，因執(zhí)行CJ P63 指令，直接跳過手動(dòng)程序，跳轉(zhuǎn)到END程序結(jié)束處，其中P63 指針為程序的END 處，不需要標(biāo)識[6]。

3.2 手動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

PLC 程序設(shè)計(jì)除了自動(dòng)控制程序外，為增強(qiáng)系統(tǒng)的多元操作性以及方便安裝、調(diào)試、手動(dòng)回原點(diǎn)等，還增加了手動(dòng)控制程序。在安裝調(diào)試階段，手動(dòng)操作比自動(dòng)操作更加具備可行性及靈活性。當(dāng)按鈕切換為手動(dòng)時(shí)，進(jìn)入手動(dòng)程序。在觸摸屏的手動(dòng)界面，按下任意觸摸屏控制按鈕，相應(yīng)的電機(jī)或者氣缸執(zhí)行手動(dòng)程序，具體可參看圖3 手動(dòng)調(diào)試界面設(shè)計(jì)。

圖3 手動(dòng)調(diào)試界面設(shè)計(jì)Fig.3 Design of manual debugging interface

3.3 自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制程序是該控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心部分，在整個(gè)控制過程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作具有明確的先后順序，如果采用PLC 中傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)編程法設(shè)計(jì)控制程序，會(huì)比較繁瑣且易出錯(cuò)，給程序的調(diào)試及設(shè)備維護(hù)帶來困難，而采用順序功能圖編程思路則能達(dá)到事半功倍的效果[7]。因此該系統(tǒng)的自動(dòng)控制程序采用步進(jìn)順控編程的方法，即SFC 編程方式。當(dāng)選擇自動(dòng)模式時(shí)，首先要按下復(fù)位按鈕，完成復(fù)位后再按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開啟自動(dòng)運(yùn)行模式；按下暫停按鈕，可以暫停運(yùn)行；遇到緊急情況或者電機(jī)越程故障，可立即按下急停按鈕，PLC 所有輸出停止。該自動(dòng)控制程序的基本運(yùn)行原理可參看圖4自動(dòng)調(diào)試界面設(shè)計(jì)。

圖4 自動(dòng)調(diào)試界面設(shè)計(jì)Fig.4 Design of automatic debugging interface

4 觸摸屏可視化界面設(shè)計(jì)

觸摸屏的主要作用是在現(xiàn)場運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的控制及處理，合理的設(shè)計(jì)使得界面直觀、操作方便、穩(wěn)定性強(qiáng)，且通過操作界面可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)置及采集、歷史數(shù)據(jù)查詢及診斷、報(bào)警分析和遠(yuǎn)程Web 監(jiān)控等。合理的人機(jī)界面有助于可視化直觀監(jiān)控從而減輕操作人員的工作量[8-9]。結(jié)合控制系統(tǒng)需求，選用三菱GT2710-VTBA 型號觸摸屏完成可視畫面監(jiān)控及操作設(shè)計(jì)，并可根據(jù)用戶需要設(shè)計(jì)多個(gè)控制和監(jiān)視畫面，此處列舉幾個(gè)典型界面功能進(jìn)行分析，說明可視化操作效果。

4.1 手動(dòng)調(diào)試界面設(shè)計(jì)

手動(dòng)調(diào)試界面設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是為了方便安裝調(diào)試、單獨(dú)控制某個(gè)氣缸，以及測試時(shí)能夠獲取X 軸、Z 軸工位、放料位、取料位的精確位置。具體畫面如圖3 所示。

該界面最上部分設(shè)置了各種手動(dòng)控制區(qū)，如當(dāng)按下“左物料上升”按鈕時(shí)，旁邊的指示燈會(huì)亮，表示左邊工位料盤上升。設(shè)置按鈕動(dòng)作為點(diǎn)動(dòng)模式，即按住則左物料上升，左電機(jī)會(huì)一直運(yùn)行，直到松手或者到設(shè)定位置時(shí)才停止上升，其他以此類推。

該調(diào)試界面右上角設(shè)置了三色燈，顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。即待機(jī)狀態(tài)為黃色，自動(dòng)運(yùn)行為綠色，報(bào)警狀態(tài)為紅色。其下方設(shè)置了手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕，當(dāng)旋鈕撥到手動(dòng)時(shí)，可按手動(dòng)界面的按鈕進(jìn)行調(diào)試；當(dāng)旋鈕撥到自動(dòng)時(shí)，可啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行模式。同時(shí)，在轉(zhuǎn)換按鈕下方設(shè)置了界面切換按鈕，按下自動(dòng)界面，可切換到自動(dòng)調(diào)試界面，按下參數(shù)界面，可切換到參數(shù)設(shè)置界面，按下報(bào)警界面，可切換到報(bào)警界面，方便操作者切換及監(jiān)控各個(gè)界面內(nèi)容。

4.2 自動(dòng)調(diào)試界面設(shè)計(jì)

自動(dòng)調(diào)試界面的設(shè)計(jì)是為方便日常監(jiān)控，一般設(shè)備運(yùn)行時(shí)，都會(huì)停留在此界面。如圖4 所示。

該觸摸屏最上面長條部分為報(bào)警顯示區(qū)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生報(bào)警時(shí)，報(bào)警條會(huì)顯示當(dāng)前時(shí)間、報(bào)警注釋等信息，使報(bào)警內(nèi)容一目了然。其下部分區(qū)域設(shè)置了觸摸屏按鈕，實(shí)現(xiàn)手/自切換、啟動(dòng)、復(fù)位、暫停、報(bào)警清除和急停等功能，方便操作人員現(xiàn)場控制。其中，啟動(dòng)、復(fù)位和報(bào)警消除按鈕動(dòng)作設(shè)置為點(diǎn)動(dòng)，暫停和急停按鈕動(dòng)作設(shè)置為位反轉(zhuǎn)。復(fù)位完成是按下復(fù)位按鈕，所有電機(jī)和氣缸回到設(shè)定的位置，該指示燈亮。中下部分區(qū)域用指示燈指示順序工作流程，包含電機(jī)動(dòng)作、氣缸動(dòng)作及是否到位等信息，當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行達(dá)到某個(gè)步驟，其指示燈會(huì)亮。

右側(cè)區(qū)域的左、右工位選擇區(qū)用于選擇左工位或者右工位上料小車，可以二者同時(shí)選中。假如同時(shí)按下左工位和右工位，左工位上料小車的料盤抓取完畢，X 軸會(huì)自動(dòng)到達(dá)右工位抓料，在右工位抓料的同時(shí)，可以把左工位的小車移出來裝料，這樣可以不停機(jī)地24 h 循環(huán)作業(yè)。該界面最下面部分區(qū)域用來顯示已經(jīng)完成運(yùn)輸料盤的計(jì)數(shù)顯示和計(jì)數(shù)清零操作。

4.3 參數(shù)設(shè)置界面設(shè)計(jì)

參數(shù)設(shè)置界面主要是輸入和顯示PLC 內(nèi)部的參數(shù)，從而可以調(diào)整某些參數(shù)和觀察數(shù)據(jù)的變化。如圖5 所示。

圖5 參數(shù)設(shè)置界面設(shè)計(jì)Fig.5 Design of parameter setting interface

該界面左上部分設(shè)計(jì)了各類參數(shù)設(shè)置功能區(qū)，可實(shí)現(xiàn)X 軸和Z 軸的速度或位置參數(shù)的設(shè)置及顯示；一輛上料小車可以放50 盤7 寸的料盤，該區(qū)域左、右料盤數(shù)量用來顯示實(shí)際剩余料盤數(shù)。該界面右上部分設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)寫入和數(shù)據(jù)清零功能區(qū)，為了防止誤碰操作，應(yīng)用寫入和清零功能時(shí)，需長按該界面上的仿真按鈕3 s，直到指示燈亮，方可完成該參數(shù)設(shè)置功能。

該界面左下部分為操作動(dòng)作指示功能區(qū)，當(dāng)在現(xiàn)場或在觸摸屏上按下相應(yīng)按鈕時(shí)，旁邊的指示燈會(huì)閃爍表示正在執(zhí)行該功能，長亮則表示已經(jīng)到位。設(shè)置該功能參數(shù)界面主要是為了調(diào)試時(shí)獲取X 軸、Z 軸的放料位、取料位和左右工位的判斷。

4.4 報(bào)警界面設(shè)計(jì)

報(bào)警是指當(dāng)系統(tǒng)中的某一些量的值超過了所規(guī)定的界限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)警告信息，表明該數(shù)據(jù)的值已經(jīng)達(dá)到或超限，提醒操作人員[10]。報(bào)警界面將系統(tǒng)所發(fā)生故障的事件記錄起來，方便操作者管理和記錄設(shè)備的故障時(shí)間和故障事件，具有較強(qiáng)的可視化功能。如可設(shè)置料盤小車是否到位、是否缺料、入料口接收裝置是否到位等信息。當(dāng)報(bào)警事件解除后，要及時(shí)復(fù)位。其設(shè)計(jì)界面如圖6 所示。

圖6 報(bào)警界面設(shè)計(jì)Fig.6 Alarm interface design

5 結(jié)語

總體而言，對剩余電子元器件料盤的盤點(diǎn)、統(tǒng)計(jì)和貼標(biāo)的全套自動(dòng)化設(shè)備，需要上料機(jī)構(gòu)、計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)及貼標(biāo)機(jī)構(gòu)三大部分的機(jī)械及電氣結(jié)構(gòu)環(huán)環(huán)相扣、緊密配合才能完成。而自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)，尤其是雙工位自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)作為整個(gè)自動(dòng)控制的前驅(qū)部分，其設(shè)計(jì)的合理性、自動(dòng)化程度和人工操作的可視化程度決定了后續(xù)機(jī)構(gòu)的可操作性及可延續(xù)性，直接影響全套設(shè)備的自動(dòng)化程度及生產(chǎn)效率。參照本次設(shè)計(jì)的全自動(dòng)上料系統(tǒng)，完成一盤剩余電子元器件料盤的退庫清點(diǎn)，在不同盤點(diǎn)方式下的參數(shù)對比情況如表1 所示。

表1 多方式清點(diǎn)料盤的參數(shù)對比Tab.1 Parameter comparison of multiple ways of counting material tray

實(shí)踐證明，該自動(dòng)上料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大幅提升了退庫清點(diǎn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確率及自動(dòng)化程度、提高企業(yè)生產(chǎn)效率和節(jié)省大量的人力資源成本。