李 根，李 航，吳孜越

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

基于CPAC的球泡燈自動化裝配系統(tǒng)設計*

李 根，李 航，吳孜越

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

介紹了一種自動化裝配系統(tǒng)，用于LED球泡燈裝配過程中的自動化操作。根據(jù)裝配工藝要求，確定裝配工序，設計裝配機械結構，完成實體三維建模。系統(tǒng)設計以固高CPAC伺服試驗平臺為基礎，采用集成了工業(yè)計算機和運動控制器的嵌入式自動化多軸運動控制器。設計人機交互界面實現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)輸入、狀態(tài)監(jiān)控。測試結果表明：系統(tǒng)實現(xiàn)了對LED球泡燈裝配線上各裝配點各個動作的有效控制及運動仿真，具有廣泛的市場前景。

LED球泡燈；CPAC；自動化裝配

0 引言

LED(Light Emitting Diode)球泡燈是一種能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)白熾燈泡的新型燈具，它具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、尺寸小等優(yōu)點，在人們的日常生活中得到了廣泛的應用[1-2]。目前，國內企業(yè)的LED球泡燈組裝生產大多由人工進行，為了解決LED球泡燈生產手工所產生的效率低下以及質量不穩(wěn)定等問題，希望開發(fā)一套適用于LED球泡燈自動化裝配操作的控制系統(tǒng)，以達到提高生產效率、保證質量和降低經濟成本的目的。目前國內針對LED生產線整體的設計分析還比較少，文獻[3]基于Win CC組態(tài)軟件設計，實現(xiàn)了對生產線實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、分析和診斷的系統(tǒng)；文獻[4]針對生產線各個工位之間生產節(jié)拍的平衡問題，利用仿真軟件對整條生產線的裝配節(jié)拍進行了仿真優(yōu)化；文獻[5]設計了LED球泡燈的在線快速檢測系統(tǒng)，提高了成品件檢測效率和產品質量。

本系統(tǒng)以CPAC平臺為硬件開發(fā)核心，以組態(tài)軟件Otostudio為軟件平臺，以LED球泡燈裝配為對象，借助于固高可編程自動化控制器，結合模塊化設計的思想，開發(fā)一款具有良好的開放性、便于移植的LED球泡燈自動化裝配系統(tǒng)。開發(fā)完成的系統(tǒng)應能實現(xiàn)對對LED球泡燈裝配線上各裝配點各個動作的有效控制和運行狀態(tài)的監(jiān)控與診斷。

1 機械結構設計

LED球泡燈主要包括燈頭模塊(包含驅動電源和內套)、燈體、光源板、導熱板及緊固螺釘部分，其中驅動電源的出線端需穿過燈體焊接到光源板上。如圖1所示。

根據(jù)球泡燈的結構特征，采用自上而下的設計順序，確定了燈體裝入，光源板安裝、焊接和緊固，燈罩裝入的裝配工序。

1.燈頭模塊 2.燈體 3.導熱板和光源板 4.燈罩圖1 LED球泡燈結構圖

設計采用混合型結構，零部件均為自動送料。整條線通過機械手將配件和工位轉臺連接，完成裝配。按照以上劃定工序設計機械結構主要包括以下幾部分：平臺主體、機械抓手、運動導軌、夾具體，其中平臺主體起承重作用，用于安裝電機、氣缸和機械抓手等設備。如圖2所示。

圖2 LED燈生產線實體造型圖

1.1 燈體裝入結構設計

該工位的設計是用來安裝燈體部分。當夾具夾持燈頭模塊來到此工位，氣動機械抓手從傳送帶抓取燈體對應安裝到燈頭上，由于燈體與燈頭之間是螺紋連接，所以要進行扭轉安裝，該動作由電機帶動機械手旋轉燈體完成。

該結構主要包括：夾具體、送料部分、執(zhí)行部分。夾具體負責工序之間的流轉，只有當上一工序完成才能進入下一工序或直接進入下一個工作循環(huán)；送料部分將燈體模塊依次向前輸送，補充物料；執(zhí)行部分由電機和氣缸組成，氣缸負責將燈體移送到安裝位置，再由電機進行燈體與燈頭座之間的扭轉安裝。機械結構如圖3所示。

1.氣動導軌 2.燈體 3.平臺主體 4.夾緊氣缸 5.傳感器 6.氣動抓手 7.行程氣缸 8.齒輪齒條 9.V型塊 10. 送料架 11.立柱 12.步進電機 13.夾具導軌

圖3燈體裝入機械結構圖

1.2 光源板安裝結構設計

光源板是LED燈的發(fā)光部分，該部分要對其進行安裝、緊固和焊接操作。如圖4所示。

光源板安裝是取光源板安放到燈體需要通過焊接與驅動電源線進行連接，該工位的機械結構為一個門架式兩軸氣動機械手，其運動主要有氣動爪沿門架的左右運動、氣爪軸的上下運動、氣爪的開合運動以及氣爪繞其自身的回轉運動(來調節(jié)安裝孔的位置)，均由電機驅動。該工位的運動控制包括三個電機的開關及運動時間控制，氣缸的開關及行程控制。由于光源板的定位要求較高，設計采用視覺系統(tǒng)來輔助檢測定位螺絲孔的位置，釆用“先看-后動”的視覺控制和自校正實現(xiàn)待裝件及載具的測量、對準操作，并且實現(xiàn)遠程監(jiān)控[6-7]。

緊固工位是依靠螺絲機構將其緊固到燈體的導熱板上。該機構由四部分組成：供料器、螺絲電批、鎖螺絲機械手和控制器。螺絲電批安裝在鎖螺絲機械手上，與供料器相連接，電批由控制器通過電路連接控制。該工位螺絲機械手軸的回轉運動由電機驅動。

焊接工位結構為一個門架式單軸機械手。送錫機構安裝在焊接機械手上，焊錫通過焊接機械手內部送到焊頭。焊接機構包括焊接機械手的上下運動、焊接爪的預熱。該工位的焊接機械手的上下運動由電機驅動，需要控制電機的開關時間、運動時間、以及焊頭的預熱開關的開合，送料機構的送料時間，送料量等。

(a)光源板安裝

(b)光源板緊固

(c)光源板焊接圖4 光源板總體機械結構圖

1.3 燈罩裝入結構設計

該工位的結構是一個門架式單軸機械式吸管，如圖5所示。該工位的運動包括機械吸軸的上下運動，吸管的吸合運動。其中機械吸管軸的上下運動為電機驅動，吸管的吸合運動為氣缸驅動。該工位的運動控制需要控制電機的開關時間，轉動時間，氣缸的開合時間及氣缸行程。該工序與燈體裝入工序相類似，在此不再贅述。

1.氣動導軌 2.支撐柱 3.燈罩 4.送料導軌 5.送料平臺立柱 6.固定平臺 7.傳送導軌 8.夾具體 9.吸管 10.氣缸

圖5燈罩安裝結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

CPAC是將 PC 技術與運動控制技術相結合的產物。它以標準 X86架構的 CPU 和芯片組為系統(tǒng)處理器，采用高性能 DSP 和 FPGA作為運動控制協(xié)處理器。其高度集成在一個體積較小的控制器內，構成了一個完整的控制系統(tǒng)，能夠處理多軸運行、多信號處理，可以實現(xiàn)普通 PC 機的所有基本功能[8]。系統(tǒng)架構如圖6所示。

圖6 CPAC系統(tǒng)架構圖

CPAC平臺硬件由固高GUC系列通用一體化控制器、數(shù)控人機顯示面板、伺服電機系統(tǒng)、電源模塊和接線端子板等組成。

GUC通過VGA接口與顯示面板連接，通過PS/2 接口與鼠標連接，通過CAN總線方式外接端子板；端子板與伺服電機系統(tǒng)及外部輸入輸出設備通過電纜相連。在上位機開發(fā)軟件上編寫程序，編譯無誤后通過網線可直接將程序下載到GUC控制器中，經過運算處理，將結果反饋到顯示面板。其結構原理圖如圖7所示。

圖7 CPAC與端子板結構原理圖

CAPC主要由嵌入式計算機和運動控制模塊兩大部分構成。嵌入式計算機包括CPU、內存、顯示接口、USB接口、標準鍵盤、鼠標PS/2接口、RS232接口、RTL8139網口以及WinCE嵌入式操作系統(tǒng)。運動控制模塊實現(xiàn)CPAC的核心功能，包括電機控制模塊、現(xiàn)場總線模塊、I/O模塊以及其他擴展功能模塊。

CPAC通過工業(yè)總線連接端子板，在端子板上引出不同功能的接口: 控制軸接口、數(shù)字量輸入接口、數(shù)字量輸出接口、RS232調試接口、輔助編碼器接口、擴展模塊接口、端子板電源接口、運動控制器連接接口。

3 系統(tǒng)軟件設計

CPAC平臺的開發(fā)環(huán)境OtoStudio符合國際IEC61131-3工業(yè)控制語言標準，常用編程語言有：ST(結構文本)、FBD(功能框圖)、LD(梯形圖)；此外還支持文本化和圖形化混合編程，用戶可以將復雜的數(shù)學運算和運動控制與邏輯控制和過程控制相融合，具有多擴展、多線程、語言移植性好、模塊化等優(yōu)點。在開發(fā)環(huán)境中開發(fā)完成之后的程序經編譯生成機器碼，下載至嵌入式運動控制器中運行。

整條線的驅動采用電機與氣缸相結合的方案，夾具部分由電機驅動，執(zhí)行機械手由氣缸驅動，為了確定每個動作的到位信息和配送料狀態(tài)，每個工位都安裝了相應的檢測裝置。

該LED球泡燈裝配線的系統(tǒng)設計以模塊化設計為主，首先將各個工序的工藝文件寫入到模塊當中，再以工序順序將其進行邏輯上的整合。整個系統(tǒng)按功能可分為運動控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、狀態(tài)監(jiān)視模塊和人機交互界面四大模塊，其系統(tǒng)架構如圖8所示[9-10]。

運動控制模塊主要對電機和氣缸的動作進行規(guī)劃，接收反饋信號完成對電機和氣缸的動作控制。

數(shù)據(jù)處理模塊主要包括傳感器信號采集、A/D轉換等。采集到的傳感器信號模擬量數(shù)據(jù)要經過軟件內部函數(shù)轉化為數(shù)字量，再反饋回控制器形成閉環(huán)控制或者直接作為結果顯示在人機交互界面上。

狀態(tài)監(jiān)視模塊包括故障報警單元和I/O單元，I/O單元對整個裝配過程進行實時監(jiān)控，若在生產過程中出現(xiàn)異常，則系統(tǒng)立即停止運行并返回報警信息。

人機交互界面包括運動控制界面、圖形擬合界面和監(jiān)視界面。在人機交互界面上不僅能夠控制生產流程、改變生產參數(shù)，還可以實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況。

圖8 控制系統(tǒng)原理圖

在程序開始運行時，系統(tǒng)要對當前狀態(tài)進行判斷，即電機的正負限位、是否報警、高低電平、是否原點等的狀態(tài)獲取，隨后開始規(guī)劃運動。

部分關鍵代碼如下。

初始化設定：

IF Enable THEN

rtn:=GT_GetDi(MC_LIMIT_POSITIVE,P_LIMIT);

rtn:=GT_GetDi(MC_LIMIT_NEGATIVE, N_LIMIT);(*讀取正負限位開關電平*)

rtn:=GT_GetDi(MC_ALARM, ALARM);

(*讀取驅動器報警電平*)

rtn:=GT_GetDi(MC_HOME,HOME);

(*讀取原點開關電平*)

rtn:=GT_GetDi(MC_GPI, GPI);

(*讀取通用輸入電平*)

……

氣缸運動參數(shù)設定：

1:(*抓取氣爪張開，豎直方向向下移動*)

QIZHUA_IO_OUT[15]:=FALSE;

GONGWEI_IO_OUT[10]:=TRUE;

IF QIGANG_DOWN_IO_IN[10]=TRUE THEN

GONGWEI_IO_OUT[10]:=FALSE;

iStep:=2;

END_IF;

2:(*氣爪閉合抓住光源板，豎直方向向上移動*)

QIZHUA_IO_OUT[15]:=TRUE;

Start_TIME:=TRUE;

TON1(IN:= Start_TIME, PT:=t#1s );

IF TON1.Q THEN

Start_TIME:=FALSE;

TON1(IN:=Start_TIME, PT:=t#1s );

GONGWEI_S_IO_OUT[10]:=TRUE;

IF QIGANG_UP_IO_IN[10]=TRUE THEN

GONGWEI_S_IO_OUT[10]:=FALSE;

END_IF;

iStep:=3;

END_IF

……

電機運動參數(shù)設定：

rtn:=GT_GetTrapPrm(AXIS,ADR(TrapPrm));

(*讀取trap運動參數(shù)*)

TrapPrm.acc:=AXIS_PARA.TrapPrm.acc:=0.8;

TrapPrm.dec:=AXIS_PARA.TrapPrm.dec:=0.8;

TrapPrm.smoothTime:=0;

TrapPrm.velStart:=3;

rtn:=GT_SetTrapPrm(Axis,ADR(TrapPrm));

IF rtn <> 0 THEN

RETURN;

END_IF

(*設置點位運動模式參數(shù),加速度,減速度,平滑時間,起跳速度*)

rtn:=GT_SetVel(Axis,lrVel);

(*設置目標速度*)

rtn:=GT_SetPos(Axis,diPos);

(*設置目標位置*)

rtn:=GT_Update(SHL(WORD#1,Axis-1));

(*啟動點位運動*)

4 系統(tǒng)測試結果

系統(tǒng)模擬運行、測試結果均可在人機界面上顯示。用戶可以通過人機界面將程序、工位參數(shù)等指令發(fā)送給系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過人機界面將各工位運動狀態(tài)、故障報警等參數(shù)反饋至用戶，實現(xiàn)了對現(xiàn)場生產過程的操控、調整和監(jiān)控。

程序啟動后，系統(tǒng)自動跳轉至主界面，主要包含坐標信息、報警信息、運動狀態(tài)信息、手動操作區(qū)、按鍵區(qū)等。用戶可以選擇運動控制界面、圖形擬合界面和IO界面，各界面之間可以相互切換。運動界面包括自動操作和手動操作，可顯示電機實時運動狀態(tài)；IO界面包含正負限位信號、零點位置捕獲信號和氣缸的開閉信號；圖形擬合界面用于模擬顯示裝配線中各個工位的運行情況。如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主界面及運動擬合界面

系統(tǒng)模擬仿真運行以CPAC硬件平臺為基礎進行，通過網線將計算機與控制器相連，在聯(lián)機模式下登錄，待系統(tǒng)檢查無誤后系統(tǒng)能夠控制電機、氣缸按程序指令進行動作。該仿真實驗能夠檢查相應工序的動作配合是否正確一致。仿真平臺如圖10所示。

1.人機交互面板 2.端子板 3.電機 4.IO口 5.氣缸 6.控制器圖10 CPAC實驗平臺

以燈體裝入工序為例，當運動指令發(fā)出，送料開始，主傳送機構沿夾具導軌將燈體送至機械抓手下方指定位置，其位置由傳感器確定；到位后傳送機構停止，同時氣缸機械手緩慢下降，該距離由限位開關設定；到位后夾緊氣缸將燈體輕輕夾緊，氣缸聯(lián)動機械抓手一并向上抬起移至夾具上端，具體位置由接近傳感器識別；氣缸下移到達指定位置，電機帶動抓手和燈體進行扭轉安裝，安裝完成后，機械手回到原位。其運行邏輯流程圖如圖11所示。

圖11 燈體裝入運行邏輯流程圖

根據(jù)前述設計方案開發(fā)出的生產線，目前還處于分段安裝開發(fā)測試階段，單步測試運行良好。如圖12所示為該生產線。

圖12 LED生產線實體圖

5 結束語

根據(jù)LED球泡燈的結構特點，設計一種LED球泡燈自動化裝配系統(tǒng)。根據(jù)生產對象確定了裝配工序流程，進行了裝配機械結構的設計?；贑PAC開放試驗平臺，完成了整個裝配系統(tǒng)的設計并仿真實現(xiàn)了LED球泡燈裝配的自動化操作，開發(fā)了人機交互界面，便于生產管理和遠程操作。經過測試，系統(tǒng)實現(xiàn)了預期功能、運行穩(wěn)定、人機交互良好。本系統(tǒng)可應用到與LED球泡燈結構相類似的其他電子元器件的生產過程中，有很高的實用價值和市場前景，同時也為同類產品的提高提供了參考。

[1] 談述戰(zhàn),陳麗娜,王德禧,等.中國LED照明產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J].國外塑料,2013,31(3):41-43.

[2] 阮軍.中國半導體照明產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].演藝科技,2011(6):25-28,71.

[3] 徐輝,張靜,李莉,等.LED球泡燈裝配線管控系統(tǒng)設計[J].機電一體化,2013,19(7):66-69,78.

[4] 曾寧,王廣耀,劉劍,等.LED球泡燈裝配生產線優(yōu)化設計與仿真[C].第十四屆全國LED產業(yè)發(fā)展與技術研討會論文集,2014.

[5] 劉云飛,李明,李悅,等.LED球泡燈在線檢測系統(tǒng)設計[J].機械制造,2014,52(9):77-79.

[6] 褚樂添,朱蘭娟.基于機器視覺的LED燈具自動裝配線[J].計算機光盤軟件與應用,2014(23):127-129.

[7] 郝永鵬,于大國,李少敏,等.基于光視覺技術的深孔直線度檢測系統(tǒng)[J].組合機床與自動化加工技術,2016(2):51-53,59.

[8] 許陽.基于CPAC的六自由度開放式機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)[D].廣州:廣東工業(yè)大學,2013.

[9] 劉魯,常曉玲.基于工業(yè)控制網絡的立體倉庫堆垛機PLC控制系統(tǒng)設計[J].組合機床與自動化加工技術,2015(1):93-96.

[10] 繆澤宇,孔凡玉,李愛琴,等.基于PLC的多工位刷光線加工機床控制系統(tǒng)設計[J].組合機床與自動化加工技術,2016(9):40-42,46.

DesignofAutomaticAssemblySystemforBulbLampBasedonCPAC

LI Gen，LI Hang，WU Zi-yue

(School of Mechatronics Engineering，Henan University of Science & Technology，Luoyang Henan 471003，China)

It introduces an automatic assembly system, which is used for the automatic operation in the assembly process of LED bulbs. According to the process requirements, the assembly process is determined, assembly mechanical body is designed and three-dimensional model is accomplished. The system is designed based on the gugao CPAC servo test platform, and the embedded automatic multi-axis motion controller is integrated with the industrial computer and motion controller. The design of human-computer interaction interface to achieve the input of the system parameters, and state monitoring. The test results show that the system realizes the effective control and motion simulation of the various assembly points in the assembly line of LED bulbs, and has a broad market prospect.

LED bulbs；CPAC；automatic assembly

1001-2265(2017)11-0073-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.11.019

2017-01-16；

2017-03-02

河南科技大學教育教學改革基金(2015YB-004)

李根(1992—)，男，河南商丘人,河南科技大學碩士研究生，研究方向為運動控制技術、精密測試理論與技術，(E-mail)lyligen520@163.com。

TH16；TG502

A

(編輯李秀敏)