張光

[中圖分類號] TG95

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]2095-6487 （2021） 02-0028-03

Application oflntelligent Tray Feeder in Automatic Assembly Line

Zhang Guang

[ Abstract]

through trie analysis and Research on the demand ofpallet transmission and feeding， an automation scheme combining pallet tumoverand pallet feeding is put forward. The pallet feeder integrates the pallet dragging mechanism， which controls the material pallet switching and feeding in theturnover vehicle. The camera is used to automatically identify the material appearance and collect data. The robot automatic grabbing system is integratedto automatically feed the materials in the pallet to the assembly line. The application ofpallet feeder combines pallet tumover with pallet automatic feeding，and solves the problems ofproduction process monitoring and material traceability.

[ Keywords] automation; feeder; programming; IO control

自動供料是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，自動裝配線的物料都是由供料機進(jìn)行供料，自動裝配的速度與供料速度關(guān)系密切。但倉庫托盤式包裝物料的傳輸供料方式，一直制約著等勞動密集型裝配工廠的發(fā)展。因此，托盤式包裝物料高效銜接到自動裝配線成為關(guān)鍵問題。

1 供料機需求分析

為了實現(xiàn)托盤式包裝物料從倉庫到自動裝配工步的高效銜接，供料機應(yīng)在給裝配線自動供料時，代替人工對物料的來源和外觀進(jìn)行檢查并記錄數(shù)據(jù)，而物料托盤都是通過周轉(zhuǎn)車運送到裝配線，為了減少托盤搬運次數(shù)，供料機還應(yīng)能夠容納周轉(zhuǎn)車，自動取出周轉(zhuǎn)車內(nèi)的物料托盤。

2 系統(tǒng)方案

托盤供料機主要由一套安全檢測裝置，一套托盤拖動機構(gòu)，一套圖像識別系統(tǒng)和一臺工業(yè)機器人（ EPSON）組成，由羅克韋爾牌PLC控制[1]。工作流程為將周轉(zhuǎn)車推至托盤供料機后關(guān)閉安全門，按一次啟動按鈕，供料機自動控制周轉(zhuǎn)車進(jìn)行升降和拖出周轉(zhuǎn)車內(nèi)托盤，使托盤進(jìn)料并定位托盤，圖像識別系統(tǒng)自動進(jìn)行物料檢測，再由工業(yè)機器人給裝配線自動供料，自動退出空托盤。

2.1 平面布局圖

平面布局圖見圖1。

2.2 通信方式

采用以太網(wǎng)TCP/IP通信協(xié)議通過交換機將伺服驅(qū)動器、電缸控制器、工業(yè)機器人及圖像識別系統(tǒng)全部組裝到PLC內(nèi)，實現(xiàn)電氣控制和數(shù)據(jù)交互，進(jìn)行資源共享，構(gòu)成獨立控制系統(tǒng)。

2.3 改進(jìn)的周轉(zhuǎn)車

本案首先對周轉(zhuǎn)車進(jìn)行規(guī)劃，將周轉(zhuǎn)車改進(jìn)成廂體式結(jié)構(gòu)，可以將車推進(jìn)供料機與供料機進(jìn)行銜接，車廂內(nèi)部安裝多層抽屜式托盤鏤空支架，兼容多種規(guī)格的物料托盤，支架可由正面抽出，方便取出各層托盤。

3 設(shè)備層設(shè)計

3.1 安全檢測裝置

安全是高效生產(chǎn)的前提。系統(tǒng)采用三個接近開關(guān)檢測料車位置，一組光電開關(guān)檢測托盤伸出狀態(tài)。為方便使用，設(shè)計兩個維修門和一個上料門。為確保安全，每個安全門上安裝一組電磁安全鎖，接線時一個安全繼電器常閉觸點接到另外一個繼電器的線圈上形成互鎖。以上開關(guān)量信號輸入PLC，PLC采用互鎖邏輯，接近開關(guān)及安全門輸入信號全部置1和托盤完全在車內(nèi)且信號置0時安檢成功。

3.2 托盤拖動機構(gòu)控制

3.2.1 載荷核算

托盤拖動機構(gòu)的載荷是供料機儲貨量的關(guān)鍵指標(biāo)。設(shè)計物料及托盤總重ml_35 kg，周轉(zhuǎn)車重m2=37 kg，絲杠及周轉(zhuǎn)車提升架重Ⅲ。=15 kg，減速機減速比為1：1，絲杠導(dǎo)程Pb=20 mm，絲杠直徑20 mm，設(shè)定升降速度為v=1.2 m/s，加速度時間為t=0.5 s，為防lI：提升架在提升過程中晃動，在提升架兩側(cè)加裝燕尾滑軌。根據(jù)經(jīng)驗，摩擦因數(shù)u=0.1，重力加速度g=10 N/kg?？梢缘弥?/p>

系統(tǒng)最人負(fù)載：m=m1+m2+m3=87 kg。

負(fù)載加速度：a=v/t=1.2/0.5=2.4 m/s2。

負(fù)載提升所需合力：F=rumg+ma+mg=1131N，式中摩擦因數(shù)u=0.1。

總提升功率為：P=FV/1000=1.131 kW。

電機功率：Pi=P/r/=1.26kW，式中系統(tǒng)機械效率77=0.9。

減速機輸出轉(zhuǎn)速：n=1000×60V/Pb=3600r/nun。

電機轉(zhuǎn)速：n.=n./=3600 r/min。

伺服電機扭矩：T=P1×9950/n=3.48 Nm。

伺服電機選型時功率應(yīng)人于1.26 kW，扭矩人于3.48 Nm，為保證可靠性，選用羅克韋爾牌VPL-A1003E-PJAA型交流220V伺服電機，額定功率1.31 kW，扭矩4.18 Nm，轉(zhuǎn)速3300-3900 r/min，含有制動閘。3.2.2拖動機構(gòu)控制

在PLC存儲器內(nèi)創(chuàng)建伺服電機和電缸的功能塊，根據(jù)功能塊生成結(jié)構(gòu)標(biāo)簽，標(biāo)簽對應(yīng)位置、速度、參數(shù)等數(shù)據(jù)。因周轉(zhuǎn)車內(nèi)有多層托盤，所以PLC程序?qū)?yīng)存儲伺服電機多個位置數(shù)據(jù)，層數(shù)處理邏輯與PLC程序計數(shù)器值對應(yīng)，PLC將計數(shù)器置1的層數(shù)位置值發(fā)給伺服控制器，控制周轉(zhuǎn)車的升降。PLC存儲器里還保存了水平電缸的原點和工作點兩個位置值，電缸通過PLC與伺服電機交替運動，拖出車內(nèi)物料托盤到機器人工作空間范圍。

4 控制層設(shè)計

控制層能夠自動與設(shè)備層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，處理設(shè)備層上傳的數(shù)據(jù)，控制設(shè)備運行狀態(tài)。增加新型號時，在該層創(chuàng)建機器人程序和圖像識別程序。

4.1 圖像識別系統(tǒng)控制

供料機集成IN-sight圖像識別系統(tǒng)，由LED光源照明，相機采集圖片后由IN- sight軟件轉(zhuǎn)化成數(shù)字化信號計算物料數(shù)據(jù)，將結(jié)果以數(shù)字信號方式發(fā)送給PLC。

4.1.1 程序編制

IN-Sight提供多種測量工具和定位工具適應(yīng)不同零件測量，在工具屬性中設(shè)定灰度、匹配度和粗糙度等參數(shù)，測量工具輸出量化信息是單位像素。托盤供料機在查找區(qū)域內(nèi)，使用定位工具去定位目標(biāo)圖形，在查找區(qū)域檢測邊緣線的方案進(jìn)行圖像識別。系統(tǒng)像素灰階取值范圍為0～255，純白的值為255，使用采集所得像素值減去設(shè)置的像素值，計算像素灰度差_片，即生成邊緣線，提取零件匹配度合格的邊緣線，對比線與線間距離、角度即可得出測量結(jié)果，使用Buffer工具編輯結(jié)果，來判斷物料外觀是否合格，通過WriteResults指令發(fā)送結(jié)果給PLC（圖2）。

4.1.2 I/O控制

IN-sight系統(tǒng)允許不同網(wǎng)絡(luò)上的IN-Sight相機相互通信，支持I/O控制。供料機在PLC內(nèi)配置多個IN-Sight相機10信號，料盤到位時PLC打開工作程序加載開關(guān)，讀取所需生產(chǎn)工作ID號并加載指定的工作，然后PLC使得IN-Sight相機離線置O或在線置1。相機在線置1時，說明已設(shè)置的IN-Sight系統(tǒng)I/O接口都啟用，PLC可以觸發(fā)相機采集圖像，采集的圖像由IN-sight軟件輸出定位或檢查工具的計算結(jié)果，啟用相機時一定要設(shè)置為在線，才能計算測試結(jié)果。IN-Sight離線置0時處于脫機狀態(tài)，對PLC全部禁用已設(shè)置的IN-Sightl/0接口。

4.2 機器人系統(tǒng)控制

機器人控制系統(tǒng)與設(shè)備層數(shù)據(jù)交互【4】，抓取托盤內(nèi)的物料給自動線。

4.2.1 程序編制

機器人采用一個土函數(shù)和嵌套多個執(zhí)行功能的子函數(shù)的程序結(jié)構(gòu)，主函數(shù)對子函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。主函數(shù)全局變量定義安全速度、安全區(qū)域和初始化位置，在整個項目內(nèi)調(diào)用，安全區(qū)域與料車區(qū)域采用程序和硬件分隔，實現(xiàn)換料不停機，系統(tǒng)超速或超出工作區(qū)域時機器人停止運行。當(dāng)PLC發(fā)給機器人裝配線缺料信號置1時，機器人系統(tǒng)先執(zhí)行主函數(shù)先回初始位置，根據(jù)照相結(jié)果決定具體執(zhí)行條件調(diào)用或是條件轉(zhuǎn)移到不良品語句，采用陣列功能循環(huán)抓取物料。子程序的編輯是根據(jù)實際運行的軌跡進(jìn)行的，每兩個點位間的運動即可創(chuàng)建一個子程序，并且在土程序內(nèi)設(shè)置安全調(diào)用條件，以免發(fā)生安全事故。

4.2.2 110控制

機器人支持標(biāo)準(zhǔn)I/O控制，配備了24位輸入和16位輸出，并且有I/O擴展功能，輸入輸出電壓均為DC12V-DC24V，最大輸出電流為100 mA。在I/O配置表內(nèi)配置了機器人末端執(zhí)行器打開和閉合控制信號，監(jiān)控打開和閉合狀態(tài)。SPEL+語言程序運行時采用FieldbusDI/DO作為邏輯信號，所以在FieldbusDI/DO配置表內(nèi)又配置了子程序任務(wù)調(diào)用和任務(wù)完成等信號。機器人每次抓1個物料，都進(jìn)行減法運算，計算結(jié)果為0時，說明托盤內(nèi)的物料已全部用完，機器人將信號反饋給PLC。

5 車間層設(shè)計

車間層同樣采用工以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議，組態(tài)多種軟件對生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集。為了產(chǎn)品追溯，物料正式裝配前IN-Sight系統(tǒng)根據(jù)托盤號，檢查物料是否已在ERP系統(tǒng)出庫。IN-Sight將托盤號解碼為字符串發(fā)到PLC，緩存，同時PLC通過Ignition物聯(lián)網(wǎng)軟件讀取ERP系統(tǒng)內(nèi)的出庫數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)與PLC緩存內(nèi)的字符串進(jìn)行比較，PLC根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行自動供料還是退出托盤的程序，只有已在ERP出庫的物料供料機才能供料。如圖3所示，IN-Sight系統(tǒng)FTP工具將所拍產(chǎn)品的照片全部保存在電腦的磁盤。托盤供料機需要人工操作的功能較少，只配備了1個啟動和1個清料按鈕及1個急停開關(guān)，因此系統(tǒng)內(nèi)還集成RSLinxClassic，EPSONRC+7.0，Studi05000軟件，通過VNCViewer進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，以便得到客觀的生產(chǎn)數(shù)據(jù)資源，進(jìn)行生產(chǎn)過程分析和技術(shù)調(diào)試。

6 智能托盤供料機在電磁閥裝配線的應(yīng)用

根據(jù)生產(chǎn)驗證數(shù)據(jù)顯示（表1），托盤式包裝的閥芯物料使用托盤供料機，向電磁閥裝配線自動供料時，生產(chǎn)節(jié)拍為13.33件/min，供料機的供料速度19.32件/min，照相合格率99.99%，并且系統(tǒng)自動記錄了相關(guān)數(shù)據(jù)，供料速度是生產(chǎn)節(jié)拍的145%，供料速度是由照相速度和機器人速度累加而成，設(shè)備運行穩(wěn)定，智能托盤供料機滿足了設(shè)計要求。

7 結(jié)束語

綜上所述，此設(shè)備不僅結(jié)構(gòu)簡單，成本低占地而積小，還具有一定的靈活性。托盤供料機通過周轉(zhuǎn)車整車供料，解決了托盤式包裝物料周轉(zhuǎn)和自動裝配供料的銜接難題，采用圖像識別和機30 1 2021.2今日自動化器人自動抓取，提高了生產(chǎn)效率還能確保產(chǎn)品質(zhì)量。托盤供料機的周轉(zhuǎn)車模式可以兼容多種物料托盤，能為外部的自動裝配線進(jìn)行自動供料，通用性強，未來在推廣應(yīng)用中不斷完善，此系統(tǒng)將會更加完美。

參考文獻(xiàn)

[1]劉紹先單片機控制的沖壓機床自動供料裝置設(shè)計[J]橡塑技術(shù)

與裝備，2016，42 （12）：38-39，49[2]張新聚，陳寧，馬秀紅基于TCP/IP協(xié)議的PLC遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)設(shè)計[J]組合機床與自動化加工技術(shù)，2020 （4）：91-94[3]吳瑜智能碼垛系統(tǒng)在物流倉儲中的應(yīng)用[J].電子世界，2020

（ 76）：142-143[4]張振巖，胡世廣，屠秋鵬基于機器視覺的物料預(yù)置在線檢測系

統(tǒng)研究[J]電子世界，2020 （19）：78-79[5]聶宏兵，陳輝，程寶亮數(shù)控機床自動卸料裝置的設(shè)計與制造[J]

機械工程師，2017 （1）：173