師 帥，顏建美，王浩強(qiáng)

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164）

0 引言

智能制造教學(xué)實(shí)訓(xùn)產(chǎn)線具有高集成度、高開放性，是具有模塊化設(shè)計(jì)的工業(yè)4.0柔性智能制造生產(chǎn)線。該智能產(chǎn)線可以生產(chǎn)加熱杯墊，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的全過程智能化生產(chǎn)，包括最初從智能終端產(chǎn)品下單到最終個(gè)性化產(chǎn)品的交付，全流程的自動化、信息化及智能化控制。通電檢測站為此智能產(chǎn)線中多個(gè)智能控制站中的一個(gè)，實(shí)現(xiàn)對加熱杯墊的外觀及通電檢測，即對加熱杯墊進(jìn)行在線檢測，以有效控制產(chǎn)品質(zhì)量，并極大地提高生產(chǎn)效率[1]。目前國內(nèi)有一些智能制造教學(xué)實(shí)訓(xùn)產(chǎn)線，但將智能產(chǎn)線相關(guān)的知識和技術(shù)引入教材并開展相關(guān)教學(xué)的成功案例很少。本文從智能產(chǎn)線中的通電檢測工作站入手，由工作站的結(jié)構(gòu)組成、工藝流程、控制系統(tǒng)組成、PLC 程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人程序設(shè)計(jì)、交互界面設(shè)計(jì)及運(yùn)行與調(diào)試等方面展開論述，按照由整體到局部、由簡單到復(fù)雜、由工藝到設(shè)計(jì)、由系統(tǒng)組成到運(yùn)行調(diào)試的邏輯脈絡(luò)展開，以更清晰、系統(tǒng)地闡述加熱杯墊通電檢測站的智能控制方法及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用。

將智能制造相關(guān)技術(shù)集成于教學(xué)設(shè)備，并根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)編寫教材及開展有效教學(xué)是目前很多學(xué)校面臨的重要問題。智能制造技術(shù)日新月異，讓學(xué)員掌握最新的智能制造相關(guān)技術(shù)及培養(yǎng)相關(guān)綜合能力刻不容緩。本文以加熱杯墊通電檢測站為對象，為探索更通俗易懂地展現(xiàn)智能制造相關(guān)知識和技術(shù)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)組成

本站主要包括愛普生4軸機(jī)器人、機(jī)器人夾具支架、視覺檢測裝置、通電檢測裝置、控制柜、操作面板、觸摸屏等模塊。通電檢測站三維圖如圖1所示。

圖1 通電檢測站三維圖

4 軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對工件的抓取、搬運(yùn)、位置調(diào)整等功能。機(jī)器人夾具支架可放置供機(jī)器人替換的夾具。視覺檢測裝置實(shí)現(xiàn)對杯墊外觀及位置的視覺檢測，并將檢測結(jié)果傳送至PLC 控制器，包括工業(yè)相機(jī)、動作氣缸、檢測傳感器及相關(guān)機(jī)構(gòu)等。通電檢測裝置實(shí)現(xiàn)對杯墊的通電檢測功能，包括動作氣缸、檢測傳感器及相關(guān)機(jī)構(gòu)等?？刂乒裎挥谡麄€(gè)工作站平臺的下方，控制柜中包括PLC、視覺系統(tǒng)工控機(jī)、機(jī)器人控制器、繼電器等常用電氣元件。操作面板包括工作站操作的開關(guān)、按鈕、指示燈等。觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)操作設(shè)備、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警顯示等功能[2-5]。

本站控制核心選用西門子1500 系列PLC，通過西門子HMI 和操作面板按鈕實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2 所示。本站PLC 與主站PLC、觸摸屏及RFID 模塊之間采用PROFINET 協(xié)議通信；EPSON 的4 軸機(jī)器人及?？狄曈X系統(tǒng)與本站PLC 采用的是TCP/IP 協(xié)議通信，另外，EPSON 機(jī)器人與主站PLC 之間還有I/O 信號連接；開關(guān)、按鈕、傳感器作為PLC的輸入信號連接；繼電器、電磁閥、指示燈作為PLC的輸出信號連接。

圖2 控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

本站通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理，與主站進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)整條產(chǎn)線的協(xié)調(diào)運(yùn)行。所有設(shè)備的IP地址設(shè)置必須在同一網(wǎng)段，具體地址如表1所示。

表1 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址配置

2 工藝流程與控制系統(tǒng)

2.1 工藝流程

本站的工藝流程如圖3所示，具體流程如下。

圖3 工藝流程

（1）流程啟動后，通過輸送線將上一站裝配完成的加熱杯墊半成品的托盤輸送至本站定位后擋位置；

（2）系統(tǒng)檢測到位后進(jìn)行后擋放行，托盤被輸送至定位前擋位置；

（3）頂升氣缸進(jìn)位把托盤頂起，EPSON 機(jī)器人抓取杯墊，并搬運(yùn)至視覺檢測位置；

（4）視覺系統(tǒng)對杯墊的正反面及放置水平角度進(jìn)行判斷，系統(tǒng)進(jìn)行自動糾偏操作，糾偏的目的是通電檢測時(shí)，USB插頭能對正插入杯墊USB插口；

（5）機(jī)器人將杯墊搬運(yùn)至通電檢測位置，通電定位氣缸伸出固定杯墊，USB插入氣缸進(jìn)位通電；

（6）機(jī)器人抓手松開杯墊并移動至等待位置，系統(tǒng)檢測通電情況并判斷是否合格；

（7）旋轉(zhuǎn)氣缸動作進(jìn)位，旋轉(zhuǎn)上下氣缸下降，杯墊吸氣閥動作把杯墊吸住后旋轉(zhuǎn)氣缸動作原位，將杯墊進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作；

（8）機(jī)器人抓取杯墊，杯墊吹氣閥動作釋放杯墊；

（9）若通電檢測合格，機(jī)器人搬運(yùn)杯墊至輸送托盤并放置，頂升氣缸恢復(fù)原位托盤下降，機(jī)器人運(yùn)行至初始位置；

（10）若檢測不合格則機(jī)器人將杯墊放置在不良品暫存處，等待人工介入處理，本次流程結(jié)束。

2.2 控制系統(tǒng)

本站的主控制器選用CPU1512C-1 PN，它自帶32個(gè)DI 數(shù)字量輸入和32 個(gè)DO 數(shù)字量輸出，又分別增加了32個(gè)DI 數(shù)字量輸入模塊、32 個(gè)DO 數(shù)字量輸出模塊和CM PtP RS422/485 通信模塊。電柜內(nèi)電氣元器件還包括開關(guān)電源、安全繼電器、空開、接觸器、中間繼電器、工業(yè)交換機(jī)、插座及接線端子排等[6]，組成本站電氣控制系統(tǒng)硬件部分。通電檢測站控制柜電氣元件布局如圖4所示。

圖4 控制柜電氣元件布局

3 PLC程序設(shè)計(jì)與機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

（1）控制流程

通電檢測站PLC 程序在OB1 中調(diào)用了功能塊FB5 來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動運(yùn)行，控制流程圖如圖5所示。

圖5 自動運(yùn)行控制流程

開始后執(zhí)行光電、氣缸、氣閥功能塊程序，以實(shí)現(xiàn)光電傳感器及氣缸等的控制。調(diào)用EPSON機(jī)械手功能塊，實(shí)現(xiàn)PLC對機(jī)器人的控制及與機(jī)器人的相互通信[7]。視覺工控機(jī)功能塊實(shí)現(xiàn)PLC與視覺系統(tǒng)之間控制與通信。隨后是設(shè)備動作流程控制，包括后擋等待工裝到位、后擋放行、前擋等待工裝到位、氣缸頂起、機(jī)器人取料1 等，此處機(jī)器人取料1 是機(jī)器人從初始位置至輸送托盤上取料控制；視覺檢測獲取坐標(biāo)值是通過視覺系統(tǒng)獲取杯墊的外觀及糾偏角度數(shù)據(jù)；溫度傳感器檢測是在通電檢測中，通過溫度傳感器來獲取數(shù)據(jù)判斷杯墊通電后的加熱性能，從而判斷杯墊是否合格；機(jī)器人取料2 是機(jī)器人從中間等待位至物料翻轉(zhuǎn)位取料控制[8]。最后，PLC根據(jù)通電檢測結(jié)果來控制機(jī)器人把杯墊放置在合適位置，若檢測合格則放置在輸送托盤上，若檢測不合格則放置在不良品暫存處。

（2）重要程序說明

在EPSON 機(jī)械手功能塊中，主要調(diào)用了FB10012 愛普生四軸機(jī)器人功能塊，如圖6所示，來自機(jī)器人控制器的輸入信號有機(jī)器人就緒、運(yùn)行中、暫停中、錯(cuò)誤中等，PLC控制機(jī)器人的輸出信號有機(jī)器人啟動、停止、暫停、繼續(xù)、復(fù)位等；連接數(shù)據(jù)塊端口連接的數(shù)據(jù)塊為DB130。

圖6 調(diào)用FB10012功能塊程序

在FB10012 愛普生四軸機(jī)器人功能塊中，機(jī)器人通信連接程序如圖7 所示?！癟CON”指令可設(shè)置并建立通信連接，在PLC 程序中，當(dāng)設(shè)置并建立連接后，CPU 可以自動連續(xù)地監(jiān)視該連接?！癟DISCON”指令可以終止CPU與某個(gè)連接伙伴之間的通信連接[9]。

圖7 機(jī)器人通信連接程序

（3）I/O信號分配表

通電檢測站PLC 主要I/O 信號分配表如表2 所示。輸入信號主要為開關(guān)、按鈕及傳感器信號，輸出信號主要為氣缸、氣閥及指示燈等控制[10]。

表2 主要I/O信號分配表

3.2 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

EPSON 機(jī)器人主程序通過與PLC 做TCP/IP 字符串通信，通信程序如圖8 所示。機(jī)器人作為服務(wù)器以#201 為編號，IP地址為192.168.0.65，端口號設(shè)置為2000。

圖8 機(jī)器人通信程序

機(jī)器人程序進(jìn)行工藝工歩斷點(diǎn)分割形式，其中“Case11”依次到“Case16”6 個(gè)工步為加熱杯墊的通電檢測步驟，經(jīng)過搬運(yùn)拍照、翻轉(zhuǎn)、上線以及不良品剔除等幾個(gè)工步，相關(guān)程序中有對應(yīng)的中文文字備注和Print打印說明，程序名稱說明如表3所示。

表3 機(jī)器人程序名稱說明

杯墊放置角度糾偏的程序段如圖9 所示。uu=-Val（Plc＿Cmd$（2））-4.5 為獲取修正角度值，Jump TD＿padR+U（uu）為按糾偏后的位置放置杯墊，Go TD＿pad+U（uu）為運(yùn)行至糾偏后應(yīng)該放置的位置。

圖9 機(jī)器人角度糾偏程序

4 交互界面設(shè)計(jì)

HMI 界面需要根據(jù)控制要求完成觸摸屏自動和手動操作界面的設(shè)計(jì)。

（1）自動界面設(shè)計(jì)

自動界面包括主畫面和功能選擇/畫面切換畫面。主畫面如圖10所示，要能夠?qū)崟r(shí)顯示設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)記錄歷史報(bào)警和報(bào)警清除功能；同時(shí)，能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行初始化操作、運(yùn)行和停止等操作[11]。功能選擇/畫面切換畫面如圖11 所示，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備各種功能模式的切換、選擇及屏蔽等操作，同時(shí)可以在本畫面切換至其他控制畫面[12]。

圖10 主畫面

圖11 功能選擇畫面

（2）手動界面設(shè)計(jì)

手動界面包括EPSON機(jī)器人畫面、視覺系統(tǒng)界面、氣缸操作畫面、RFID調(diào)試畫面、傳感器監(jiān)視畫面等。EPSON機(jī)器人畫面如圖12所示，能夠單獨(dú)對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)行、初始化、暫停、停止、繼續(xù)、斷開連接、執(zhí)行程序指令等操作，同時(shí)能實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)設(shè)置等[13]。視覺系統(tǒng)畫面如圖13所示，能夠顯示當(dāng)前視覺通信狀態(tài)及報(bào)警各種狀態(tài)；將設(shè)定的流程號發(fā)送給視覺控制器，并接收檢測結(jié)果；可以對視覺通信連接進(jìn)行斷開及復(fù)位操作等。

圖12 EPSON機(jī)器人畫面

圖13 視覺系統(tǒng)畫面

5 運(yùn)行調(diào)試

（1）機(jī)器人程序調(diào)試

確認(rèn)通電、通壓縮空氣，機(jī)器人工具放置在對應(yīng)正確的工具支架位置。打開工控機(jī)桌面上的機(jī)器人控制軟件“EPSON RC+7.0”，等待軟件啟動并執(zhí)行自動生產(chǎn)程序。RC+啟動界面如圖14所示。

圖14 RC+啟動界面

此時(shí)已完成機(jī)器人全部開機(jī)后的準(zhǔn)備工作，等待電氣初始化和啟動運(yùn)行信號，不需要任何操作。如進(jìn)行編程調(diào)試需要點(diǎn)擊圖14 中的“轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦蛘{(diào)試模式”并輸入密碼，如圖15所示。

圖15 轉(zhuǎn)到程序模式

（2）初始化操作

上電后，觸摸屏進(jìn)入啟動畫面，點(diǎn)擊“進(jìn)入畫面”按鈕進(jìn)入主畫面，長按主畫面上的“初始化”按鍵3S，觸摸屏顯示設(shè)備初始化中，初始化完成后設(shè)備處于停止中狀態(tài)[14]。在未進(jìn)行初始化時(shí)，綠燈以1 Hz 的頻率閃爍；在初始化的過程中，綠燈以10 Hz 的頻率閃爍；初始化完成后，停止指示燈紅燈常亮。

（3）控制與調(diào)試

手動控制要求：①急停保持松開狀態(tài)，門保持關(guān)緊狀態(tài)，Hand-0-Auto 切換到Hand 位置；②通過按下氣缸動作按鈕可以對氣缸進(jìn)行伸出縮回等動作；③EPSON機(jī)器人在手動控制模式下可以進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試及點(diǎn)位示教；④可以對RFID 進(jìn)行手動讀取寫入信息。

自動控制要求：①急停保持松開狀態(tài)，門保持關(guān)緊狀態(tài)，Hand-0-Auto 切換到Auto 位置；②操作運(yùn)行，初始化成功后，此時(shí)按下Start（啟動）按鈕后設(shè)備進(jìn)入自動運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)狀態(tài)Start 按鈕常亮，設(shè)備框LED顯示綠色，在自動運(yùn)行狀態(tài)下按下STOP（停止）按鈕、急停按鈕和開門觸發(fā)安全開關(guān)設(shè)備都會停止，以保證設(shè)備與人員的安全[15]；③送料小車運(yùn)送到后擋氣缸位置，判斷通電檢測站位置是否有正在生產(chǎn)的訂單，若沒有則落下放行。

送料小車?yán)^續(xù)運(yùn)送到前擋氣缸位置，此時(shí)RFID 讀寫器進(jìn)行讀取，讀取數(shù)據(jù)包括小車編號、工單值、工單單號、工單類型、產(chǎn)品編碼、定制信息、生產(chǎn)數(shù)量、單站完成狀態(tài)和單站OK 狀態(tài)等信號，若此時(shí)信息正確則進(jìn)行通電檢測工序，若信息錯(cuò)誤則放行。

6 結(jié)束語

通電檢測站為杯墊生產(chǎn)智能產(chǎn)線的中間一站，所起作用比較關(guān)鍵。在單站調(diào)試過程中，可以根據(jù)調(diào)試的需要，通過觸摸屏進(jìn)行“屏蔽安全門”“RFID 屏蔽”“屏蔽視覺”“屏蔽MES 報(bào)工”等操作，有助于設(shè)備的順利調(diào)試。在線檢測技術(shù)的應(yīng)用，有效提高了生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備安全性，實(shí)現(xiàn)了基于EPSON 工業(yè)機(jī)器人的加熱杯墊通電檢測站的智能化控制，也有助于整體全面了解本站所涉及智能制造相關(guān)的知識和技術(shù)。在使用過程中，發(fā)現(xiàn)了一些問題，通電檢測時(shí)，通電插頭插入杯墊供電接口的可靠性有待進(jìn)一步提高，可以從設(shè)計(jì)上做進(jìn)一步的優(yōu)化；另外，軟件程序也可以進(jìn)一步優(yōu)化，比如，若杯墊在進(jìn)站時(shí)正反面方向放置錯(cuò)誤，目前系統(tǒng)可以檢測出有問題并暫停設(shè)備，但缺少系統(tǒng)下一步如何操作或處理，觸摸屏也缺少相關(guān)信息報(bào)警或提示等。