呂澤成，辛舟

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

通過(guò)電解法生產(chǎn)的應(yīng)用于工業(yè)的原料被稱(chēng)為鋁錠，按照國(guó)家鋁錠產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，鋁錠鑄造完成后需粘貼合格證標(biāo)簽以方便追溯及管理。標(biāo)簽內(nèi)容包括生產(chǎn)單位、生產(chǎn)日期、熔煉爐號(hào)、牌號(hào)、質(zhì)量、條形碼等信息。傳統(tǒng)標(biāo)簽粘貼工序參與人員多、部門(mén)雜、工序長(zhǎng)，導(dǎo)致物流倒運(yùn)成本、人力及耗材成本高[1-2]。鑒于此，本文提出了一種應(yīng)用于在線的鋁錠二維碼標(biāo)刻系統(tǒng)的激光頭自找正機(jī)械手。通過(guò)PLC控制伺服電機(jī)，應(yīng)用WinCC組態(tài)軟件完成上位機(jī)對(duì)標(biāo)刻過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，同時(shí)獲取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和報(bào)表。與傳統(tǒng)的技術(shù)方案相比較，本文提出的方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：1) 通過(guò)三維掃描的方法，可以更快更精確地確定待標(biāo)刻區(qū)域，尤其對(duì)于放置位置出現(xiàn)了一定偏差的鋁錠，減少了以前人工扶正所需的時(shí)間和人力資源；2) 采用機(jī)械手的方案，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)刻過(guò)程的自動(dòng)化，大大提高標(biāo)刻效率，提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。因此該系統(tǒng)的研發(fā)具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

1 標(biāo)刻機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 標(biāo)刻機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

標(biāo)刻機(jī)械手系統(tǒng)主要由鋁錠檢測(cè)系統(tǒng)、標(biāo)刻區(qū)域確定系統(tǒng)和標(biāo)刻機(jī)械臂組成。

鋁錠檢測(cè)系統(tǒng)主要部件是被動(dòng)式的紅外發(fā)生接收裝置和壓力傳感器，當(dāng)發(fā)生器發(fā)出的紅外線被遮擋而且稱(chēng)重傳感器感應(yīng)到的質(zhì)量達(dá)到了設(shè)定值，即可認(rèn)為檢測(cè)到了鋁錠。其中缺一個(gè)時(shí)判定存在鋁錠都是非常不安全的。

標(biāo)刻區(qū)域確定系統(tǒng)主要是三維掃描儀。三維掃描儀將采集到的鋁錠位置數(shù)據(jù)傳送給控制器，同時(shí)控制器采用特定的算法，計(jì)算出標(biāo)刻區(qū)域的位置，即二維碼位置探測(cè)圖形的位置。

標(biāo)刻機(jī)械臂主要包括伺服驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)，由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、同步帶等組成；主要實(shí)現(xiàn)標(biāo)刻機(jī)械臂的x、y方向的移動(dòng)和繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)刻機(jī)械臂激光頭的精確定位，采用了光柵尺，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—鋁垛；2—激光標(biāo)刻頭；3—二維碼掃描裝置；4—三維掃描激光掃描儀；5—稱(chēng)重傳感器；6—水平位移裝置圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 標(biāo)刻機(jī)械手控制工藝分析

鑒于鋁錠在輸送帶上的位置比較隨機(jī)，但是其總體都處于一個(gè)水平面內(nèi)，因此機(jī)械手屬于具有x、z方向直動(dòng)和繞z軸旋轉(zhuǎn)的3個(gè)自由度。在初始狀態(tài)下，機(jī)械臂位置處于原點(diǎn)；當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)，而且三維掃描儀給出了二維碼標(biāo)刻位置的坐標(biāo)時(shí)，標(biāo)刻機(jī)械臂帶動(dòng)激光標(biāo)刻頭到達(dá)指定位置且確認(rèn)后，激光標(biāo)刻開(kāi)始，完成激光標(biāo)刻后，繼續(xù)回到原點(diǎn)。當(dāng)下一垛鋁錠到達(dá)時(shí)，重復(fù)上述動(dòng)作。

2 標(biāo)刻機(jī)械手系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

標(biāo)刻機(jī)械手系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是PLC控制系統(tǒng)硬件的選型和設(shè)計(jì)以及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件的選型和設(shè)計(jì)。

2.1 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由前部分系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和控制工藝分析可知，系統(tǒng)中主要的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理是通過(guò)Modbus RTU通訊協(xié)議來(lái)完成，因此采用了西門(mén)子200系列小型化CPU226，該型號(hào)控制器具有一個(gè)模擬量輸入通道，因此在采集稱(chēng)重信號(hào)時(shí)無(wú)需再配置模擬量模塊；另外還配置了一塊CP243-1以太網(wǎng)通訊模塊，方便通訊；除此之外，下層網(wǎng)絡(luò)中還配置了路由器，以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)、伺服系統(tǒng)和三維掃描器的通訊。具體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于西門(mén)子S7-200系列PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6內(nèi)部集成了Modbus RTU通訊協(xié)議，因此在選擇伺服驅(qū)動(dòng)器時(shí)優(yōu)先考慮支持該通訊協(xié)議的型號(hào)。最終選擇的伺服放大器為富士公司的RYH201F5-VV2，伺服電機(jī)選擇了富士公司的GYS201D-RC2。主要的參數(shù)設(shè)置如下：控制模式為位置控制模式；指令脈沖旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置為方向信號(hào)=0時(shí)前進(jìn)，方向信號(hào)=1時(shí)后退；指令脈沖輸入方式選擇使用脈沖+方向方式控制驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行；電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)設(shè)置為6 000；其他設(shè)置選擇默認(rèn)即可。

3 標(biāo)刻機(jī)械手系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

標(biāo)刻機(jī)械手系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC程序設(shè)計(jì)和SQL server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、Excel中報(bào)表模版的設(shè)計(jì)以及WinCC 組態(tài)軟件中上位監(jiān)控畫(huà)面和標(biāo)刻結(jié)果存儲(chǔ)、分析軟件的設(shè)計(jì)。

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

在下位的PLC程序設(shè)計(jì)中，主要實(shí)現(xiàn)的邏輯控制為當(dāng)檢測(cè)到鋁錠到達(dá)指定位置，并且獲得二維碼標(biāo)刻區(qū)域的位置坐標(biāo)時(shí)，機(jī)械臂啟動(dòng)，并且向該區(qū)域移動(dòng)；當(dāng)3個(gè)坐標(biāo)均到達(dá)指定位置時(shí)，啟動(dòng)激光標(biāo)刻裝置，5s后關(guān)閉激光標(biāo)刻裝置，啟動(dòng)二維碼掃描裝置，掃描并進(jìn)行比對(duì)，檢驗(yàn)合格，則將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并向控制器發(fā)送完成標(biāo)志，掃描裝置停止；隨后機(jī)械臂返回到坐標(biāo)原點(diǎn)，同時(shí)將該鋁錠輸送出去。在這個(gè)過(guò)程中，為了防止意外情況下高能量的激光束對(duì)操作人員或其他人員造成危害，設(shè)置稱(chēng)重模塊信號(hào)在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)生快速減則系統(tǒng)停止，并且返回坐標(biāo)原點(diǎn)。系統(tǒng)控制邏輯見(jiàn)圖3。

圖3 PLC主程序設(shè)計(jì)邏輯

3.2 機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

a) 機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于本機(jī)械臂系統(tǒng)為三自由度的機(jī)械臂且負(fù)載較小，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：底部選擇x、y方向的伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母副，行程均為200mm；為實(shí)現(xiàn)繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)電機(jī)采用伺服電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)精確的角位移控制；在豎直桿的上方焊接一個(gè)法蘭，可將標(biāo)刻裝置和QR掃描儀裝在上面，并且使其軸線在標(biāo)準(zhǔn)位置時(shí)與鋁垛的待標(biāo)刻面垂直。通過(guò)借鑒數(shù)控機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能的同時(shí)可大大節(jié)約成本。

b) 機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于基于PLC的伺服控制系統(tǒng)，西門(mén)子S7-200系列PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6提供了位置控制向?qū)Чδ?，用以快速地?shí)現(xiàn)位置控制模塊的組態(tài)。在該向?qū)拢煽焖偻瓿晒に囆枰碾姍C(jī)的最高速度、加減速時(shí)間和啟動(dòng)停止速度等參數(shù)[3-4]。

為節(jié)省輸出點(diǎn)數(shù)，此處采用了通訊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的給定。根據(jù)前述要求，該程序采用調(diào)用子程序的方式來(lái)完成。在主程序中，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的工作狀態(tài)的選擇，子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的工作線路。在這個(gè)系統(tǒng)中，其主要工作過(guò)程及程序設(shè)計(jì)邏輯如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂主要工作過(guò)程

3.3 SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)及Excel中報(bào)表模版的設(shè)計(jì)

WinCC從6.0版本開(kāi)始，在變量歸檔的過(guò)程中，歸檔的數(shù)據(jù)采用壓縮存儲(chǔ)的方式存儲(chǔ)于自帶的SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)中[5-6]，這對(duì)于將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理帶來(lái)了很大的障礙，因此需要在SQL Server 2005建立表格[7]，完成所需要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

在這個(gè)項(xiàng)目中，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要有以下6組：1) 生產(chǎn)單位；2) 生產(chǎn)日期；3) 熔煉爐號(hào)；4) 牌號(hào)；5) 質(zhì)量；6) 操作員或者檢驗(yàn)員。在SQL Server 2005中建立數(shù)據(jù)庫(kù)，命名為QRCode_Date，在該數(shù)據(jù)庫(kù)下創(chuàng)建表，存儲(chǔ)上述6組參數(shù)。

通過(guò)在Excel 2003中設(shè)計(jì)報(bào)表的模版，每月或有需要時(shí)在上位機(jī)點(diǎn)擊報(bào)表按鈕，可將具體處理后數(shù)據(jù)導(dǎo)入到報(bào)表的相應(yīng)位置。從而實(shí)現(xiàn)每月對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這種方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜報(bào)表的設(shè)計(jì)。

3.4 WinCC 組態(tài)軟件中上位監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)

WinCC是全球通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案，可用于辦公環(huán)境和制造業(yè)，可以提供高效成熟的組態(tài)。WinCC的亮點(diǎn)之一是其整體的開(kāi)放性[8]，它可靈活地與標(biāo)準(zhǔn)用戶(hù)程序結(jié)合使用，建立HMI，滿(mǎn)足實(shí)際的需要。除此之外，在組態(tài)方面WinCC提供了豐富的組態(tài)庫(kù)和ActiveX控件[9]，用于用戶(hù)方便地建立友好的人機(jī)界面；在通訊方面支持用于連接到SIMATIC S5/S7/505控制器(例如通過(guò)S7協(xié)議集)的通訊[10]和如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)及OPC(用于過(guò)程控制的OLE)等非專(zhuān)用過(guò)程通訊，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歸檔方面集成了SQL Server 2005大型數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)歸檔能力強(qiáng)[11]。

在這個(gè)項(xiàng)目中，WinCC主要實(shí)現(xiàn)如下功能：1) 實(shí)現(xiàn)機(jī)械手系統(tǒng)控制的可視化，在上位機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)、電機(jī)的運(yùn)行情況和需要的參數(shù)的實(shí)時(shí)設(shè)置；2)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，可以實(shí)時(shí)地將掃描對(duì)比正確的二維碼及其數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便查詢(xún)和再次處理。3)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，可以通過(guò)其他的軟件將采集到數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)存入企業(yè)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了部門(mén)間的數(shù)據(jù)共享，大大提高了數(shù)據(jù)的利用效率。4)系統(tǒng)報(bào)警，WinCC提供了高效的報(bào)警記錄系統(tǒng)，在該系統(tǒng)下編輯報(bào)警信息，可以方便操作人員和后續(xù)維護(hù)人員的操作和維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的鋁錠連鑄機(jī)激光標(biāo)刻自找正機(jī)械手系統(tǒng)綜合了PLC控制技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等手段，實(shí)現(xiàn)了鋁錠位置的三維掃描、標(biāo)刻區(qū)域的自動(dòng)計(jì)算和激光標(biāo)刻頭的自找正等功能，大大降低了企業(yè)成本。其特點(diǎn)如下：1) 具有很高的可靠性?？删幊踢壿嬁刂破髯陨砜煽啃愿?，S7-200系列CPU對(duì)于外界干擾具有很強(qiáng)的抵抗力，因此其工作穩(wěn)定性好；2) 伺服系統(tǒng)精度高、定位精確、運(yùn)行可靠；3) 上位軟件操作方便、畫(huà)面美觀、方便擴(kuò)展。