張凌志，何文雪，曹洋洋

ZHANG Ling-zhi, HE Wen-xue, CAO Yang-yang

（青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，青島 266071）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)行業(yè)生產(chǎn)模式的局限性越來(lái)越大，其生產(chǎn)工序復(fù)雜，需要大量人力物力，極大影響了生產(chǎn)效率，因此對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)的改造迫在眉睫[1～4]。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，一些較高端的自動(dòng)化設(shè)備也隨之產(chǎn)生，企業(yè)開(kāi)始使用自動(dòng)化設(shè)備來(lái)代替人力[5～8]。

本文對(duì)已加工完成的PCB板進(jìn)行檢測(cè)與分揀流程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。使用西門(mén)子S7-1200 PLC作為控制器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。投入運(yùn)行后的生產(chǎn)線效率較以前人工效率提高了數(shù)倍，同時(shí)節(jié)省了大量的人力，減少了經(jīng)濟(jì)投入，提高了生產(chǎn)效益。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

1.1 生產(chǎn)線的組成

PCB板檢測(cè)與分揀自動(dòng)生產(chǎn)線由分板單元、抓取單元、檢測(cè)單元、分揀單元組成，所有單元都由總控單元集中控制，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。該控制系統(tǒng)是分板單元將待分板進(jìn)行沖壓分板，抓取單元將分板機(jī)切割完成后的PCB板拿出，運(yùn)送到檢測(cè)單元，檢測(cè)裝置對(duì)每一個(gè)小板進(jìn)行電路檢測(cè)，攝像頭識(shí)別每一個(gè)小板上的紅綠燈是否能夠正常發(fā)光，兩者將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)，再由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)兩者的檢測(cè)結(jié)果都為良品則判定為當(dāng)前小板為良板，分揀單元抓取并將PCB板按照良板和不良板放到不同的工位上。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 系統(tǒng)布局圖

1.2 PLC與伺服電機(jī)（臺(tái)達(dá)A2系列）通訊

PLC與臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)有多種通訊方式，該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用Modbus-RTU方式進(jìn)行通訊。由于需要與三路伺服通訊，用RS485連接，通過(guò)Modbus-RTU通訊方式，不僅可以節(jié)省成本，而且編程方便。西門(mén)子S7-1200PLC使用西門(mén)子TIA Portal軟件進(jìn)行編程、編譯，該軟件是西門(mén)子公司特地研發(fā)出來(lái)的一款集工程的組態(tài)和軟件項(xiàng)目開(kāi)發(fā)環(huán)境于一體的軟件。

在TIA Portal軟件中，調(diào)用MB_COMM_LOAD指令塊和MB_MASTER指令塊。其中MB_COMM_LOAD指令塊的作用是組態(tài)Modbus通訊協(xié)議，MB_MASTER指令塊的作用是進(jìn)行主站數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。此生產(chǎn)線將S7-1200PLC作為主站，臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器作為從站，同時(shí)更改臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC與臺(tái)達(dá)伺服建立通訊。MB_COMM_LOAD指令塊如圖3所示，MB_MASTER指令塊如圖4所示。

圖3 MB_COMM_LOAD指令塊

圖4 MB_MASTER指令塊

S7-1200PLC與臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件連接接線圖如圖5所示。連接線一端連接PLC的9pin接頭，另一端連接臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器的CN3接頭。在連接線的內(nèi)部，9pin針腳的RS485發(fā)收通訊針腳要與3臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器CN3的5、6針腳分別連接。

圖5 PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器接線圖

2 程序設(shè)計(jì)與運(yùn)行

2.1 程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分[9,10]。該系統(tǒng)的控制方法要根據(jù)PCB板檢測(cè)分揀生產(chǎn)線的控制過(guò)程和生產(chǎn)需要，在保證生產(chǎn)線可以正常按照流程工作的情況下，還要具有發(fā)生故障時(shí)候能夠緊急停止的能力。工作流程如圖6所示。具體流程如下：

圖6 系統(tǒng)PLC控制原理圖

1）設(shè)備通電后，默認(rèn)為自動(dòng)模式，可以在上位機(jī)上選擇為手動(dòng)模式。自動(dòng)模式下，需要按住start按鈕持續(xù)2秒才能啟動(dòng)，避免操作人員的誤觸，抓取單元、檢測(cè)單元和分揀單元在初始狀態(tài)等待命令。在手動(dòng)操作下，能夠?qū)Ω鱾€(gè)單元進(jìn)行單獨(dú)操作，包括伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)、氣缸的升降以及機(jī)械抓手的抓緊松開(kāi)。

2）分板機(jī)分板完成后，繼電器閉合，PLC收到PCB板到位信號(hào)，抓取單元?jiǎng)幼?，機(jī)械抓手將分板機(jī)切割完成的PCB板從模具中抓出，移動(dòng)并放入檢測(cè)單元的待檢測(cè)工位，再回到初始位置。如果待檢測(cè)工位上有前一組未檢測(cè)完成的PCB板，則機(jī)械抓手在等待位置滯留，等前一組PCB板被抓走以后，再將這次的PCB板放入待檢測(cè)工位。

3）抓取單元機(jī)械抓手移動(dòng)出檢測(cè)單元后，氣缸進(jìn)行下壓動(dòng)作使PCB板的針腳與檢測(cè)裝置觸碰，同時(shí)上位機(jī)發(fā)出檢測(cè)信號(hào)讓檢測(cè)裝置和攝像頭進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)裝置返回50bytes數(shù)據(jù)，與預(yù)設(shè)定的協(xié)議格式進(jìn)行比較，判斷出好壞板，攝像頭判斷PCB板上的LED燈是否發(fā)光，也進(jìn)行判斷好壞板。上位機(jī)將檢測(cè)裝置和攝像頭返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，決定最終的PCB板好壞情況，完成后氣缸進(jìn)行上升動(dòng)作。

4）氣缸上升到位后，機(jī)械抓手運(yùn)動(dòng)到檢測(cè)工位將已檢測(cè)完成的PCB板抓出，再根據(jù)上位機(jī)分析后存儲(chǔ)的好壞板的信息進(jìn)行分揀，不良板放到已安置好的傳送帶上，通過(guò)檢測(cè)的板放到流水線上進(jìn)行下一步生產(chǎn)，機(jī)械抓手最后移動(dòng)回初始位置。

5）在保證正常生產(chǎn)的前提下，要盡可能地提高生產(chǎn)效率，因此對(duì)分揀單元和檢測(cè)單元對(duì)接時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。正常的工藝流程是等待檢測(cè)單元的氣缸上限位磁性開(kāi)關(guān)產(chǎn)生信號(hào)后，分揀單元的機(jī)械抓手移動(dòng)抓取檢測(cè)完成的PCB板，如果在檢測(cè)單元的氣缸上升的同時(shí)，分揀單元的機(jī)械抓手進(jìn)行移動(dòng)，則能夠減少原來(lái)流程浪費(fèi)的時(shí)間?？刂品謷卧獧C(jī)械抓手的伺服控制器一共發(fā)出3101229個(gè)脈沖，電子齒輪比為1280000/10，直線模組的螺距為20mm，可以得到機(jī)械抓手一共移動(dòng)的距離s=3101229/（1280000/10）×20=484.567mm，機(jī)械抓手的移動(dòng)速度v=333.333mm/s，則分揀單元的機(jī)械抓手運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間為t=s/v=1.45秒。檢測(cè)單元?dú)飧咨仙龝r(shí)間約為3秒，因此在氣缸上升1.15秒后，機(jī)械抓手即可開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。

2.2 設(shè)備運(yùn)行

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行如圖7所示。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)遇到各種各樣的突發(fā)情況，因此設(shè)計(jì)了緊急停止按鈕。在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中，如果發(fā)生緊急情況，操作工可以立即按下緊急停止按鈕，設(shè)備中的電機(jī)立即停止運(yùn)動(dòng)，氣缸掉氣保持原有狀態(tài)，生產(chǎn)線停止工作。在故障排除以后，可以重新按開(kāi)始按鈕讓生產(chǎn)線進(jìn)行工作，極大的保證了生產(chǎn)線的安全運(yùn)作。該生產(chǎn)線在手動(dòng)模式下，可以對(duì)每一個(gè)電機(jī)，每個(gè)氣缸進(jìn)行單獨(dú)動(dòng)作，方便檢修和維護(hù)。在投入實(shí)際生產(chǎn)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)檢測(cè)生產(chǎn)線的效率可以達(dá)到每小時(shí)1200塊，并且能夠穩(wěn)定安全的工作。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

3 結(jié)論

用西門(mén)子S7-1200PLC作為生產(chǎn)線控制系統(tǒng)核心，上位機(jī)、攝像頭和檢測(cè)裝置在檢測(cè)單元進(jìn)行PCB板檢測(cè)分析，再加以傳感器技術(shù)，共同完成該生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。無(wú)論是PLC控制伺服電機(jī)，還是檢測(cè)裝置和攝像頭與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互，都能夠按照預(yù)想的工藝流程運(yùn)動(dòng)。該設(shè)備在維持一個(gè)月實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，能夠保證所要求的生產(chǎn)效率，極大的改善了以前人工操作的困境。