摘 要：該文的控制對象為散熱風(fēng)扇風(fēng)輪組裝設(shè)備，其中風(fēng)扇底座由鏈條運輸，風(fēng)輪由2臺SCARA機器人配合裝配，壓合動作由伺服驅(qū)動完成。該文首先對設(shè)備進行動作分析與工位劃分，根據(jù)需求進行硬件選型與硬件系統(tǒng)設(shè)計。然后，通過PLC與機器人編程完成對各工位的動作邏輯控制與抓取位置求解，其中設(shè)備的動作邏輯主要為鏈條將風(fēng)扇底座運輸至指定工位后觸發(fā)風(fēng)輪組裝和壓合動作，機器人動作由PLC通過I/O信號觸發(fā)，大機器人抓取坐標(biāo)通過設(shè)計修正算法由PLC計算，小機器人裝配位置由視覺系統(tǒng)定位，風(fēng)輪壓合過程中通過傳感器采集壓力值以識別不良品。最后，各工位通過交互信號完成所設(shè)定的動作。經(jīng)驗證，該控制系統(tǒng)能實現(xiàn)對散熱風(fēng)扇風(fēng)輪組裝設(shè)備的自動化控制。

關(guān)鍵詞：PLC;SCARA機器人;機器視覺;伺服驅(qū)動;裝配設(shè)備

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0124-04

Abstract： The control object in this paper is the cooling fan wind wheel assembly equipment. The fan base is transported by a chain， the wind wheel is assembled by two SCARA robots， and the pressing action is completed by servo drive. This paper first analyzes the action of the equipment and divides the workstations， and conducts hardware selection and hardware system design according to requirements. Then， the action logic control of each workstation and the solution of the grasping position are completed through PLC and robot programming. The action logic of the equipment is mainly that the chain transports the fan base to the designated workstation and triggers the assembly and pressing actions of the wind wheel. The robot actions are triggered by the PLC through I/O signals. The grasping coordinates of the large robot are calculated by the PLC through a design correction algorithm. The assembly position of the small robot is located by the vision system. During the pressing process of the wind wheel， pressure values are collected through sensors to identify defective products. Finally， each workstation completes the set actions through interactive signals. It has been verified that the control system can realize automated control of the cooling fan and wind wheel assembly equipment.

Keywords： PLC; SCARA robot; machine vision; servo drive; assembly equipment

在自動化領(lǐng)域中，PLC是常用的邏輯控制器，具有開發(fā)速度快、便于維護等優(yōu)勢[1]，而SCARA四軸機器人作為常用的執(zhí)行機構(gòu)，具有通用性強、速度快、精度高等特點[2]，配合視覺系統(tǒng)，應(yīng)用場景靈活[3]。對于如何使用PLC合理設(shè)計各工位邏輯控制、實現(xiàn)多工位最優(yōu)節(jié)拍聯(lián)動及與機器人進行交互是控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵[4-6]。本文就散熱風(fēng)扇風(fēng)輪組裝設(shè)備，設(shè)計了一種多工位、多機器人交互的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)風(fēng)輪組裝的自動化。

1 設(shè)備工作原理與工位劃分

散熱風(fēng)扇風(fēng)輪組裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)各結(jié)構(gòu)組件的功能，可劃分為以下工位：A1鏈條段、A2小機器人段、A3壓合段、A4出料段、A5大機器人段、A6—A9箱體段和B1進料皮帶段。設(shè)備的主要動作如下：操作員將B1進料皮帶段上的風(fēng)扇底座取下并整理線纜后放至A1鏈條段治具上，底座由鏈條運輸至A2小機器人段或A3壓合段后等待風(fēng)輪組裝與壓合。設(shè)備最大可容納左右分布的4個箱體，風(fēng)輪由隔板分層并放置于箱體內(nèi)部，頂升桿將風(fēng)輪頂升至指定高度后，大機器人通過真空吸盤同時將2個風(fēng)輪吸附至同側(cè)的除塵槽上進行除塵，吸放兩風(fēng)輪的間距通過調(diào)位伺服調(diào)整。小機器人通過視覺定位將除塵后的風(fēng)輪裝配至風(fēng)輪底座，最后運輸至壓合工位壓合。壓合過程中對壓力值實時采集，若數(shù)據(jù)不符合工藝要求，不良品運輸至A4出料工位時，通過報警提示由人工取出。

2 硬件選型及硬件系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件組成與連接如圖2所示，主要部件及其功能如下：

PLC（匯川，Easy521-0808TN）：通過EtherCAT對7個伺服電機進行控制，通過Modbus-TCP與大機器人控制柜、觸摸屏進行數(shù)據(jù)交互，通過I/O信號觸發(fā)機器動作，通過485串口采集壓力傳感器的壓力值，通過EtherNet/IP協(xié)議與下游設(shè)備進行通信。

伺服驅(qū)動器（匯川，SV630N）：配編碼器電池并設(shè)置為絕對位置線性模式，省去正負硬限位、原點信號的配線，對于往復(fù)運動的伺服通過軟件設(shè)置正負軟限位。伺服驅(qū)動的組件包括輸送鏈條、壓合電缸、大機械手吸盤調(diào)位組件和箱體頂升組件。

工業(yè)機器人控制柜（隆深，KLS1000/KLS400）：大機器人控制系統(tǒng)為KEBA，風(fēng)輪抓取坐標(biāo)由PLC計算，并通過Modbus-TCP將坐標(biāo)發(fā)送至KEBA控制系統(tǒng);小機器人為納博特，視覺工控機與機器人控制柜通過Socket通信觸發(fā)拍照與傳送定位坐標(biāo)值。

視覺系統(tǒng)（?？低暎た貦C、一千萬像素相機、白色環(huán)形光源）：由于風(fēng)輪與底座有裝配精度要求且鏈條上不同治具存在位置偏差，需采用視覺系統(tǒng)進行定位裝配。

壓力傳感器（斯巴拓，SBT673）、傳感信號變送器（斯巴拓，SBT904-C2）：用于采集風(fēng)輪壓合過程中的壓力值。傳感器信號由變送器采集與處理并通過485串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC處理。

觸摸屏（威綸通，MT8072iP）：采用配方數(shù)據(jù)便于產(chǎn)型切換，使用數(shù)據(jù)采樣功能對每個風(fēng)輪的壓力值進行采集，便于數(shù)據(jù)追溯。

光電傳感器：用于檢測風(fēng)輪、鏈條找零、箱體風(fēng)輪層高識別和隔板滿板。

3 PLC程序設(shè)計

設(shè)備邏輯控制框架如圖3所示，系統(tǒng)收到初始化信號后執(zhí)行初始化動作，初始化完成后由啟動信號觸發(fā)進入自動運行狀態(tài)，各工位獨立執(zhí)行各自的子程序，工位之間的動作交互通過交互信號完成。自動運行狀態(tài)可由暫停信號觸發(fā)暫停，如暫停按鈕、安全門、安全光柵等，設(shè)備收到停止信號后執(zhí)行清料停機動作。

3.1 A1鏈條段

鏈條邏輯控制流程如圖4（a）所示。①其中鏈條移動指定距離采用相對值定位方式以提高節(jié)拍效率，由于鏈條上用于找零感應(yīng)的定位塊僅有一個，因此需記錄鏈條位置，并當(dāng)鏈條旋轉(zhuǎn)一周后，定位塊回位至原點光電附近時，觸發(fā)找零一次以消除累計誤差。②設(shè)備斷電時由于電機保持力矩消失，鏈條會出現(xiàn)微量移動，若再次上電后不進行位置糾正，壓合段頂升缸頂升時會撞擊鏈條治具，因此伺服驅(qū)動器設(shè)置為絕對值編碼器模式以記錄電機位置，可避免鏈條初始化尋找不確定位置的定位塊的時間損耗。

3.2 A2小機器人段

圖4（b）為小機器人段邏輯控制流程，小機器人從除塵區(qū)取料后移動至鏈條治具上方拍照位，當(dāng)收到鏈條段拍照請求信號后，PLC通過I/O信號觸發(fā)機器人執(zhí)行視覺定位與裝配風(fēng)輪動作。

3.3 A5大機器人段

大機器人段邏輯控制流程如圖4（c）所示，箱體風(fēng)輪抓取策略如下：左、內(nèi)箱體設(shè)為最高抓取優(yōu)先級，取料過程中，先將一側(cè)的風(fēng)輪全部抓取完成后再切換另一邊抓取，以避免頻繁切換姿態(tài)。對于同一箱體，取料順序為從左到右、從內(nèi)到外，取料坐標(biāo)通過機器人示教點與抓取算法計算獲得，計算后由PLC發(fā)送至大機器控制器。

對于不同的產(chǎn)品，料框?qū)臃胖蔑L(fēng)輪的個數(shù)可能不同，第n個抓取點坐標(biāo)值的通用計算公式如下

，

結(jié)合圖5所示，式中：Pn（Pnx，Pny），TF（TFx，TFy）分別為第n個目標(biāo)抓取點、第一抓取示教點;Lx，Ly分別為相鄰的2個產(chǎn)品x與y方向的間距;Nx，Ny分別表示x或y方向的第n個抓取點，均為正整數(shù);Ymax為y方向產(chǎn)品的最大個數(shù)。其中，由于裝配誤差，箱體邊緣方向與機器人坐標(biāo)軸存在旋轉(zhuǎn)方向的偏移，如圖5（b）所示，因此需要對坐標(biāo)值進行修正，根據(jù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系，修正后的抓取點Cn（Cnx，Cny）可表述為

式中：TE（TEx，TEy）為最后抓取示教點，Xmax為x方向產(chǎn)品的最大個數(shù)。

3.4 A6—A9箱體段

箱體段邏輯控制流程如圖4（d）所示，由于箱體風(fēng)輪初始層數(shù)不確定，箱體初始化時需對層高進行識別，升降桿先下降至最低位后再慢速上升，當(dāng)箱體頂部的對射光電被遮擋時，由當(dāng)前位置推算風(fēng)輪層數(shù)，最后根據(jù)識別的層數(shù)定位至目標(biāo)高度。自動運行過程中，當(dāng)前層風(fēng)輪全部取走后，PLC將觸發(fā)機器人取隔板并對層高進行調(diào)整;當(dāng)料框中所有風(fēng)輪取走后，設(shè)備將進行空框提示，由人工換框后點擊按鈕觸發(fā)箱體初始化。

3.5 A3壓合段

壓合段邏輯控制流程如下：壓合組件由伺服控制升降高度，先快速下降至風(fēng)輪上方后，后慢速下壓風(fēng)輪至指定位置，下壓過程傳感器對壓力進行采集，根據(jù)工藝要求判斷壓合是否異常。

4 工業(yè)機器人程序設(shè)計

2臺機器人的動作均由PLC通過I/O控制，每個I/O點對應(yīng)一套執(zhí)行動作，圖6、圖7分別為機器人與PLC交互的控制程序，其中，PLC觸發(fā)機器人執(zhí)行動作子程序前，先確認機器人動作完成信號（如Q1.0）為FALSE，再觸發(fā)動作信號（如I1.0～I1.7），以確保動作觸發(fā)信號僅在機器人無調(diào)用動作子程序時生效。此外，通過建立機器人后臺程序監(jiān)測實時坐標(biāo)，以輸出安全高度、安全區(qū)域等信號至PLC，根據(jù)安全區(qū)域信號與工位間的交互信號，實現(xiàn)2臺機器人在除塵區(qū)域取放料的動作協(xié)同，避免碰撞的同時提高節(jié)拍效率。

大機器人動作子程序可分為：①姿態(tài)初始化;②取風(fēng)輪;③放風(fēng)輪;④左右手姿態(tài)變換;⑤取內(nèi)隔板;⑥取外隔板;⑦垂直上升至安全高度;⑧放隔板。子程序中先判斷軸2關(guān)節(jié)值，若大于0將執(zhí)行左側(cè)動作，反之執(zhí)行右側(cè)動作，以節(jié)省控制柜I/O資源。由于機架尺寸的限制，機器人左右料框取料切換時，需在限定區(qū)域內(nèi)通過子程序4進行姿態(tài)調(diào)整，如圖8所示。

小機器人動作子程序包括：①運動至拍照位;②—⑤至4個除塵槽取料位;⑥垂直上升至安全高度;⑦垂直下降至取料高度;⑧拍照觸發(fā)及風(fēng)輪裝配。其中，視覺系統(tǒng)僅與機器人通信，包括拍照信號的觸發(fā)與定位坐標(biāo)值的傳輸。

5 結(jié)論

本文通過對散熱風(fēng)扇風(fēng)輪組裝設(shè)備的動作分析與工位劃分，進行了硬件選型與系統(tǒng)搭建，并設(shè)計了PLC與工業(yè)機器人程序，以搭建設(shè)備所需的控制系統(tǒng)。在PLC程序設(shè)計中，建立了設(shè)備邏輯控制框架與設(shè)備工位并行的子程序，并設(shè)計出了大機器人抓取風(fēng)輪的算法。在機器人程序中，機器人動作由PLC通過相應(yīng)的I/O信號觸發(fā)。最后，各工位通過交互信號進行連接，實現(xiàn)了對散熱風(fēng)扇風(fēng)輪組裝設(shè)備的組裝、壓合、檢測工序的控制。

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第一作者簡介：黃銘賢（1995-），男，碩士。研究方向為工業(yè)自動化。