郝曉東，田懷文，王佰輝

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電機(jī)定子自動(dòng)上料檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝曉東，田懷文，王佰輝

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610036）

為降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善工作環(huán)境、避免工人生產(chǎn)事故，同時(shí)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，研發(fā)電機(jī)定子自動(dòng)上料檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子的自動(dòng)上料以及檢測(cè)。在分析現(xiàn)有工作流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套結(jié)合PLC、觸摸屏、工業(yè)機(jī)器人為一體的系統(tǒng)。通過分析工作流程以及現(xiàn)有的電機(jī)定子檢測(cè)方法，利用西門子SIMATIC Manager，雅馬哈VIP+編寫SFC控制程序和工業(yè)機(jī)器人控制程序，用威綸EasyBuilder Pro設(shè)計(jì)人機(jī)界面，結(jié)合現(xiàn)有插紙裝置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子的自動(dòng)上料和檢測(cè)。

PLC；觸摸屏；電機(jī)定子；工業(yè)機(jī)器人；SFC

電機(jī)定子槽絕緣紙插入是電機(jī)生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在目前生產(chǎn)中，發(fā)電機(jī)定子在前道工序加工完成后，將定子通過傳送帶送入指定位置，通過人工將發(fā)電機(jī)定子放入到定子槽絕緣紙插入機(jī)，等到絕緣紙插入完成后，再由人工搬離定子，這個(gè)過程人工的介入間隔時(shí)間長(zhǎng)、工作效率低、工人的勞動(dòng)強(qiáng)度較大。為降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善工作環(huán)境、避免工人生產(chǎn)事故，同時(shí)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，研發(fā)電機(jī)定子自動(dòng)上料與檢測(cè)系統(tǒng)。

在工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)器人可以通過編程和調(diào)試，模仿人體的一些動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)固定的抓取、搬運(yùn)物件或者操作工具，將工人從重復(fù)繁重的工作中解放出來[1]?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）具有可靠性高、功能完善、易學(xué)易用等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊,尤其是在一些具有大量開關(guān)量和少量模擬量的系統(tǒng)中[2]。工業(yè)觸摸屏在工業(yè)中也被稱作人機(jī)界面，具有人體感應(yīng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于控制器的狀態(tài)顯示以及通信，使得操作人員對(duì)于整個(gè)自動(dòng)化工作流程有更好的了解[3]。將機(jī)械、電氣、工業(yè)機(jī)器人、可編程控制器（PLC）和工業(yè)觸摸屏相結(jié)合，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[4]，這也是本文電機(jī)定子自動(dòng)上料檢測(cè)系統(tǒng)的主要技術(shù)特色。

1 上料檢測(cè)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)圖1所示的某系列的發(fā)電機(jī)自制定子，自動(dòng)上料系統(tǒng)能夠自動(dòng)的將不同內(nèi)徑、外徑、高度的定子鐵芯搬運(yùn)到定子槽絕緣紙插入機(jī)中，在插紙機(jī)工作完成后，根據(jù)插紙過程中傳感器的反饋，將合格品與次品分選存放，從而建立流水式的電機(jī)定子自動(dòng)上料與檢測(cè)設(shè)備。

圖1 電機(jī)定子實(shí)物圖

根據(jù)上料和檢測(cè)功能需求及電機(jī)定子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的自動(dòng)上料與檢測(cè)設(shè)備由六大部分構(gòu)成：旋轉(zhuǎn)料庫(kù)、定子升降裝置、搬運(yùn)機(jī)器人、插紙機(jī)、檢測(cè)裝置和回收裝置，其三維模型如圖2所示[5]。

（1）旋轉(zhuǎn)料庫(kù)：旋轉(zhuǎn)料庫(kù)主要負(fù)責(zé)電機(jī)定子的裝入和定位。該裝置有六個(gè)工位，每個(gè)工位立柱上可以放置50個(gè)電機(jī)定子，將電機(jī)定子搬運(yùn)到該裝置中，旋轉(zhuǎn)輪盤會(huì)將定子運(yùn)送到升降裝置的上端，在升降裝置完成工序后，將下一個(gè)工位的定子運(yùn)送到此處，依次進(jìn)行。

（2）定子升降裝置：定子升降裝置主要負(fù)責(zé)將旋轉(zhuǎn)料庫(kù)的定子送入到機(jī)器人取料位置。傳感器檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)料庫(kù)到位后，經(jīng)氣動(dòng)U形托架將該工位的電機(jī)定子抬升到機(jī)器人取料位置，在機(jī)器人將該工位頂端電機(jī)定子取走之后，繼續(xù)抬升，直至將該工位的定子全部取走。此時(shí)，升降裝置下落，等待下一個(gè)工位。

圖2 電機(jī)定子自動(dòng)上料裝置SolidWorks三維建模

（3）搬運(yùn)機(jī)器人：搬運(yùn)機(jī)器人主要負(fù)責(zé)電機(jī)定子的抓取搬運(yùn)。該機(jī)器人前端裝有旋轉(zhuǎn)機(jī)械爪[6]，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)在將升降裝置的電機(jī)定子搬運(yùn)到插紙機(jī)構(gòu)的同時(shí)，將已完成插紙工序的電機(jī)定子搬離插紙機(jī)構(gòu)。

（4）插紙機(jī)：插紙機(jī)為現(xiàn)有設(shè)備，主要負(fù)責(zé)將絕緣紙插入到電機(jī)定子的插槽中，本文系統(tǒng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上結(jié)合了工業(yè)觸摸屏，可以時(shí)刻監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工作狀況。

（5）檢測(cè)裝置：檢測(cè)裝置主要負(fù)責(zé)檢測(cè)插紙機(jī)構(gòu)在插紙過程中的漏插，錯(cuò)插。該裝置在電機(jī)定子放置到插紙機(jī)構(gòu)后，伸出到達(dá)定子上方，由探頭與電機(jī)定子插紙后上端凸起的接觸來判斷該位置是否插紙成功。

（6）傳送帶和回收裝置：在經(jīng)過檢測(cè)裝置檢測(cè)過后，搬運(yùn)機(jī)器人將通過檢測(cè)的合格品搬運(yùn)到生產(chǎn)線傳送帶上，將不合格品搬運(yùn)到回收裝置，實(shí)現(xiàn)最終的分選存放。電機(jī)定子運(yùn)動(dòng)流程如圖3所示。

2 上料檢測(cè)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了在滿足裝備工藝要求的同時(shí)滿足操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于編程、工作可靠、維修方便等原則，系統(tǒng)采用PLC，機(jī)器人控制器，觸摸屏技術(shù)相結(jié)合的控制方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)定子的智能上料和檢測(cè)。根據(jù)設(shè)備操作流程和需要，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上搭建控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架，框圖如圖4所示。

圖3 電機(jī)定子運(yùn)動(dòng)流程

可編程控制器選擇西門子S7-200[7]，具體型號(hào)為PLC CPU224XP，14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，2輸入/1輸出共3個(gè)模擬量I/O點(diǎn)，滿足控制系統(tǒng)的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制和各種光電位置傳感器的監(jiān)測(cè)功能[8]。工業(yè)機(jī)器人選擇某品牌水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人，通過配套控制器上的專用STD接口與PLC通信，完成兩者之間的聯(lián)動(dòng)，同時(shí)還可以通過STD接口完成對(duì)相應(yīng)器件的控制。觸摸屏選擇威綸10寸觸摸屏，通過RS232串行通信口與PLC相互通信，實(shí)現(xiàn)界面顯示，開關(guān)機(jī)控制，輸入輸出控制，故障報(bào)警顯示等所有人機(jī)交互工作。

3 上料檢測(cè)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用西門子PLC編程軟件SIMATIC Manager，它具有梯形圖、指令語(yǔ)句表和順序功能流程圖（SFC）三種編程語(yǔ)言，SFC是一種比較新的編程語(yǔ)言，它是通過功能圖來表達(dá)一個(gè)順序控制過程用這種語(yǔ)言編寫程序，可對(duì)每一個(gè)控制過程進(jìn)行控制，并可顯示該過程的實(shí)時(shí)狀態(tài)，相對(duì)于梯形圖和指令語(yǔ)句表更加的直觀。因此，本系統(tǒng)采用SFC作為PLC程序的編程語(yǔ)言，然后用RS－232 作為轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和PLC之間的通訊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于PLC的寫入、校驗(yàn)、調(diào)試、監(jiān)視等功能。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的控制，本系統(tǒng)采用機(jī)器人配帶的編程軟件VIP－Plus，用RS－232C作為轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和工業(yè)機(jī)器人控制器之間的通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)于控制器程序的寫入、校驗(yàn)、調(diào)試、監(jiān)視等功能。

3.1 系統(tǒng)功能塊及程序設(shè)計(jì)

為滿足上料檢測(cè)系統(tǒng)的控制要求，使得控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、功能全面，本系統(tǒng)利用順序功能流程圖語(yǔ)言結(jié)合人機(jī)界面，設(shè)計(jì)自檢功能塊、自動(dòng)運(yùn)行功能塊。

（1）自檢功能塊。自檢功能塊簡(jiǎn)單來說就是設(shè)備在上電后讓設(shè)備空載運(yùn)行一遍，系統(tǒng)在空載運(yùn)行的時(shí)候判斷各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳感器是否能夠正常工作。同時(shí)為了方便起見，本功能塊還設(shè)計(jì)了手動(dòng)檢測(cè)模式，可以對(duì)單個(gè)部件進(jìn)行操作，同時(shí)可以觸摸屏顯示傳感器元件的反饋信息，以便于設(shè)備維護(hù)人員和維修人員進(jìn)行檢測(cè)和維修，避免由于部分元件失效而引起一些不必要的后果。

（2）自動(dòng)運(yùn)行功能塊。自動(dòng)運(yùn)行功能塊是系統(tǒng)程序的核心功能部分，主要包括三個(gè)循環(huán)程序，旋轉(zhuǎn)料庫(kù)旋轉(zhuǎn)供料循環(huán)、升降裝置送料循環(huán)、工業(yè)機(jī)器人取料分選循環(huán)，這些循環(huán)都是以電機(jī)電子的移動(dòng)到位為轉(zhuǎn)移條件，從而形成整機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行循環(huán)，實(shí)現(xiàn)上料取料檢測(cè)分選的自動(dòng)化。各循環(huán)流程圖如圖5所示。

根據(jù)各個(gè)功能塊要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的SFC總程序，如圖6所示[9]。程序?qū)崿F(xiàn)了自檢、自運(yùn)行兩大大塊各功能，能夠滿足人機(jī)界面的控制和上料檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)定子的上料和檢測(cè)分選要求。

圖6 系統(tǒng)SFC程序塊圖

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用威綸EasyBuilder Pro設(shè)計(jì)基于觸摸屏的上料檢測(cè)裝置的操作及監(jiān)控系統(tǒng)。在引入人機(jī)界面可以使得整個(gè)系統(tǒng)的操作更加簡(jiǎn)單，維修更加方便。觸摸屏的主界面上設(shè)有4個(gè)子界面：系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、歷史信息，如圖7所示[10]。

4 結(jié)論

在滿足電機(jī)定子上料檢測(cè)的功能基礎(chǔ)上,綜合PLC控制的靈活性、工業(yè)機(jī)器人通用性的和工業(yè)觸摸屏的便捷性，設(shè)計(jì)上料監(jiān)測(cè)檢測(cè)設(shè)備的控制系統(tǒng)，編寫PLC控制程序和機(jī)器人控制程序，設(shè)計(jì)繪制人機(jī)界面，滿足了上料檢測(cè)的工藝要求。但是在前端仍需工人將電機(jī)定子搬運(yùn)到旋轉(zhuǎn)料庫(kù)中，后續(xù)研究可以繼續(xù)設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

圖7 人機(jī)界面

[1]王衛(wèi)軍，徐友法，趙鵬，劉立冬，李亞運(yùn)，蘇陳. 分揀機(jī)器人在電機(jī)定子鐵心生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J/OL]. 微特電機(jī)，2017（9）：30-32，36.

[2]張玉鳳. 探討提高可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)可靠性的措施[J]. 機(jī)床與液壓，2005（11）：220.

[3]齊繼陽(yáng)，吳倩，何文燦. 基于PLC 和觸摸屏的氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng)，2013（4）：19-22.

[4]羅庚，田懷文. 電熱管自動(dòng)檢測(cè)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36（17）：13-15.

[5]朱金禧. 電機(jī)定子檢測(cè)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)[D]. 天津大學(xué)，2016.

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[8]莊煥偉，吳奕程，蘇宏英. 基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制方法研究[J]. 機(jī)電一體化，2012（9）：48-50.

[9]陳亞林. 西門子S7-200PLC完全精通教程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[10]陳亞林. PLC、變頻器和觸摸屏實(shí)踐教程[M]. 南京：南京大學(xué)出版社，2008.

System Design of Automatic Feeding and Detection of Motor Stator

HAO Xiaodong，TIAN Huaiwen，WANG Baihui

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610036, China )

The paper is aimed at developing a system of automatic feeding and detection of motor stator. The system is expected to reduce labor intensity, improve work environment, avoid production accident, and improve production efficiency and product quality. Based on the analysis of the existing workflow, a set of control system is designed, which integrates PLC, touch screen and industrial robot. By analyzing the working process and the existing motor stator detection method, the SFC control program and industrial robot control program is written with Siemens SIMATIC Manager and Yamaha VIP+. The man-machine interface is designed with Weinview EasyBuilder Pro. The new system, combined with the existing device, can implement automatic feeding and detection of motor stator.

PLC；touch screen；motor stator；industrial robot；SFC

TP274+.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.014

1006－0316 (2018) 06－0070－05

2017－11－29

郝曉東（1994－），男，山西臨汾人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電自動(dòng)化控制。