段業(yè)寬　(江蘇省常州技師學(xué)院,江蘇　常州　213032)

高速高精度填盤機(jī)智能控制系統(tǒng)研究

段業(yè)寬
(江蘇省常州技師學(xué)院,江蘇常州213032)

傳統(tǒng)的填盤組裝作業(yè)需要大量的人工，且填盤效率不高。本文基于可編程控制技術(shù)，開發(fā)了填盤機(jī)人機(jī)界面（HMI）、影像定位系統(tǒng)，并對(duì)其整體系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行研發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，快速準(zhǔn)確定位，達(dá)到精確填盤作業(yè)，并在企業(yè)中得到良好的應(yīng)用。

填盤機(jī)；人機(jī)界面；影像定位系統(tǒng)

0　引言

在機(jī)械行業(yè)電子器械零部件的精密組裝作業(yè)中，往往需要將許多雜亂無序的微小零件，如微型芯片，有序地排列放置到治具中，以便后續(xù)工序快捷順利地銜接。傳統(tǒng)的填盤過程自動(dòng)化程度不高，生產(chǎn)流水線需要較多的人工參與，效率與精度低。本文基于可編程（PLC）控制技術(shù)，研發(fā)由PLC、人機(jī)界面、影像定位系統(tǒng)構(gòu)成的智能化填盤設(shè)備，并采用軟件編程實(shí)現(xiàn)定位、檢測(cè)、填盤作業(yè)的智能化，保證了填盤組裝的速度。

1　系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

高速填盤機(jī)主要由影像定位機(jī)構(gòu)、真空吸附機(jī)構(gòu)、滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。載料托盤、吸附機(jī)構(gòu)、影像定位機(jī)構(gòu)和治具分別固定于四架滑臺(tái)上，由四臺(tái)伺服直線電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)位置移動(dòng)。根據(jù)填盤工藝過程，在系統(tǒng)整體復(fù)位以后，首先是滑臺(tái)中的直線馬達(dá)啟動(dòng)，控制定位影像系統(tǒng)對(duì)拾料盤上的芯片進(jìn)行信息采集，坐標(biāo)定位，并將采集的信息發(fā)送給PLC，PLC根據(jù)反饋信息控制滑臺(tái)中的直線馬達(dá)動(dòng)作，由吸嘴對(duì)定位到的芯片進(jìn)行吸附。

2　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與功能

2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用下位機(jī)，上位機(jī)控制系統(tǒng)。直線電機(jī)為動(dòng)力裝置，單動(dòng)力旋轉(zhuǎn)吸嘴為控制輸出裝置，輔以傳感器、繼電器、交流接觸器、空氣開關(guān)以及其他輔助元件構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的電控部分。硬件系統(tǒng)由信號(hào)采集模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換與通訊功能模塊，上位組態(tài)功能模塊等構(gòu)成。在整個(gè)定位、吸附、檢測(cè)過程中，PLC除與馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制馬達(dá)實(shí)現(xiàn)位置移動(dòng)，同時(shí)PLC還需要與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)影像系統(tǒng)定位的坐標(biāo)值與PLC程序之間的轉(zhuǎn)換。檢測(cè)芯片坐標(biāo)值的位置傳感器采用的是光電傳感器，直接與PLC的輸入相連。

2.2系統(tǒng)的硬件功能

系統(tǒng)選用三菱Q64ADPLC，具有4096點(diǎn)的最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)，252K的最大程序存儲(chǔ)器容量，可以滿足系統(tǒng)的操作控制要求。在PLC系統(tǒng)中采用的是Q 61P電源模塊，可以實(shí)現(xiàn)輸入電壓從AC100V 到AC120V的變化，不僅可以用于PLC各模塊的集成電路供電，同時(shí)還可以為輸入電路提供24V的工作電源。觸摸屏采用三菱GT1155-QTBD，可以實(shí)現(xiàn)顯示、運(yùn)算、通訊全方位的高速化。且整個(gè)人機(jī)界面操作簡(jiǎn)單，管理功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)有效反饋。

影像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析是填盤機(jī)的核心部分。該系統(tǒng)中有兩類影像系統(tǒng)：定位影像系統(tǒng)和檢測(cè)影像系統(tǒng)。主要完成數(shù)據(jù)的采集，坐標(biāo)的處理以及吸嘴中心點(diǎn)吸附位置的校正。其主要功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集：定位影像系統(tǒng)檢測(cè)拾料盤上的最優(yōu)產(chǎn)品數(shù)是否為6。滿足要求時(shí)將當(dāng)前影像攝取范圍內(nèi)的芯片的坐標(biāo)（X、Y）和角度（θ）等坐標(biāo)信息反饋給PLC，并顯示在顯示器上。達(dá)到坐標(biāo)檢測(cè)精度低于0.01mm，角度檢測(cè)精度低于0.05度。

（2）坐標(biāo)處理：影像系統(tǒng)通過內(nèi)部設(shè)定的芯片中心點(diǎn)的坐標(biāo)值與采集到的信息進(jìn)行比對(duì)，得出數(shù)據(jù)誤差，為后續(xù)坐標(biāo)調(diào)整做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

（3）位置校正：位置校正其實(shí)并不是對(duì)吸嘴吸附芯片中心點(diǎn)位置的校正，當(dāng)檢測(cè)影像系統(tǒng)檢測(cè)出吸嘴吸附位置與設(shè)定值存在偏差時(shí)，PLC反饋信息，控制系統(tǒng)兩個(gè)直線馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，從而通過吸嘴以及治具盤的坐標(biāo)補(bǔ)償，完成精確填盤。實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)檢測(cè)精度低于0.01mm，角度檢測(cè)精度低于0.02度。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1PLC控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括PLC控制軟件和HMI人機(jī)界面軟件。對(duì)于PLC的輸入點(diǎn)信號(hào)主要有傳感器的信號(hào)以及遠(yuǎn)方控制信號(hào)，系統(tǒng)部分開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)。數(shù)字量輸出信號(hào)主要是電磁閥的信號(hào)，以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及線圈的控制輸出線圈信號(hào)。在PLC控制軟件的編寫中，主回路的的整體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的邏輯性，交流接觸器和繼電器與主回路之間存在互鎖關(guān)系，依此為依據(jù)我們可以用許多小的子程序分別描述系統(tǒng)不同功能的主要電控元件，對(duì)各個(gè)子程序的掃描執(zhí)行順序進(jìn)行編排整合以后加入整個(gè)主程序之中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電氣主控回路的要求。

在系統(tǒng)的控制程序中，初始化的子程序主要完成對(duì)時(shí)間和計(jì)數(shù)寄存器、輸入輸出點(diǎn)、中間變量等的復(fù)位功能。輔助開關(guān)的子程序主要完成操作控制的邏輯判斷和操作保存。報(bào)警信號(hào)掃描子程序主要完成對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)電氣控制元件發(fā)生故障時(shí)的報(bào)警功能。

3.2控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的人機(jī)界面采用了三菱公司GT115-QTBD觸摸屏，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面觸摸屏與PLC的通信，首先要確定一個(gè)物理層通信介質(zhì)。觸摸屏與PLC的通信連接線，選用三菱Q系列的PLC8針圓形母座插頭專用通信電纜，以建立觸摸屏和PLC之間通信介質(zhì)的硬連接。

4　結(jié)語

針對(duì)當(dāng)前機(jī)械式填盤組裝設(shè)備存在的不足，研發(fā)了具有智能控制系統(tǒng)的高速高精度填盤機(jī)，使得操作系統(tǒng)方便、準(zhǔn)確、快捷，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)檢測(cè)和記錄更加準(zhǔn)確和全面，為坐標(biāo)位置定位以及吸嘴吸附數(shù)據(jù)的采集和分析提供了可靠的依據(jù)，極大地提高了填盤精度，實(shí)現(xiàn)了填盤過程的自動(dòng)化和精確化，且設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。

[1]王青青，楊利峰，張青，張明.可編程控制器在GIS開關(guān)設(shè)備只能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].江蘇電器，2008(08):014.

[2]趙勇強(qiáng)，倪俊芳.基于可編程控制器自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)的研制[J].江蘇電器，2008(02):58-60.

[3]張還，李勝多.三菱系列PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.