摘 要：該文的控制對(duì)象為散熱風(fēng)扇風(fēng)輪組裝設(shè)備，其中風(fēng)扇底座由鏈條運(yùn)輸，風(fēng)輪由2臺(tái)SCARA機(jī)器人配合裝配，壓合動(dòng)作由伺服驅(qū)動(dòng)完成。該文首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作分析與工位劃分，根據(jù)需求進(jìn)行硬件選型與硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然后，通過PLC與機(jī)器人編程完成對(duì)各工位的動(dòng)作邏輯控制與抓取位置求解，其中設(shè)備的動(dòng)作邏輯主要為鏈條將風(fēng)扇底座運(yùn)輸至指定工位后觸發(fā)風(fēng)輪組裝和壓合動(dòng)作，機(jī)器人動(dòng)作由PLC通過I/O信號(hào)觸發(fā)，大機(jī)器人抓取坐標(biāo)通過設(shè)計(jì)修正算法由PLC計(jì)算，小機(jī)器人裝配位置由視覺系統(tǒng)定位，風(fēng)輪壓合過程中通過傳感器采集壓力值以識(shí)別不良品。最后，各工位通過交互信號(hào)完成所設(shè)定的動(dòng)作。經(jīng)驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)散熱風(fēng)扇風(fēng)輪組裝設(shè)備的自動(dòng)化控制。

關(guān)鍵詞：PLC;SCARA機(jī)器人;機(jī)器視覺;伺服驅(qū)動(dòng);裝配設(shè)備

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）34-0124-04

Abstract： The control object in this paper is the cooling fan wind wheel assembly equipment. The fan base is transported by a chain， the wind wheel is assembled by two SCARA robots， and the pressing action is completed by servo drive. This paper first analyzes the action of the equipment and divides the workstations， and conducts hardware selection and hardware system design according to requirements. Then， the action logic control of each workstation and the solution of the grasping position are completed through PLC and robot programming. The action logic of the equipment is mainly that the chain transports the fan base to the designated workstation and triggers the assembly and pressing actions of the wind wheel. The robot actions are triggered by the PLC through I/O signals. The grasping coordinates of the large robot are calculated by the PLC through a design correction algorithm. The assembly position of the small robot is located by the vision system. During the pressing process of the wind wheel， pressure values are collected through sensors to identify defective products. Finally， each workstation completes the set actions through interactive signals. It has been verified that the control system can realize automated control of the cooling fan and wind wheel assembly equipment.

Keywords： PLC; SCARA robot; machine vision; servo drive; assembly equipment

在自動(dòng)化領(lǐng)域中，PLC是常用的邏輯控制器，具有開發(fā)速度快、便于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)[1]，而SCARA四軸機(jī)器人作為常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有通用性強(qiáng)、速度快、精度高等特點(diǎn)[2]，配合視覺系統(tǒng)，應(yīng)用場(chǎng)景靈活[3]。對(duì)于如何使用PLC合理設(shè)計(jì)各工位邏輯控制、實(shí)現(xiàn)多工位最優(yōu)節(jié)拍聯(lián)動(dòng)及與機(jī)器人進(jìn)行交互是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[4-6]。本文就散熱風(fēng)扇風(fēng)輪組裝設(shè)備，設(shè)計(jì)了一種多工位、多機(jī)器人交互的控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪組裝的自動(dòng)化。

1 設(shè)備工作原理與工位劃分

散熱風(fēng)扇風(fēng)輪組裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)各結(jié)構(gòu)組件的功能，可劃分為以下工位：A1鏈條段、A2小機(jī)器人段、A3壓合段、A4出料段、A5大機(jī)器人段、A6—A9箱體段和B1進(jìn)料皮帶段。設(shè)備的主要?jiǎng)幼魅缦拢翰僮鲉T將B1進(jìn)料皮帶段上的風(fēng)扇底座取下并整理線纜后放至A1鏈條段治具上，底座由鏈條運(yùn)輸至A2小機(jī)器人段或A3壓合段后等待風(fēng)輪組裝與壓合。設(shè)備最大可容納左右分布的4個(gè)箱體，風(fēng)輪由隔板分層并放置于箱體內(nèi)部，頂升桿將風(fēng)輪頂升至指定高度后，大機(jī)器人通過真空吸盤同時(shí)將2個(gè)風(fēng)輪吸附至同側(cè)的除塵槽上進(jìn)行除塵，吸放兩風(fēng)輪的間距通過調(diào)位伺服調(diào)整。小機(jī)器人通過視覺定位將除塵后的風(fēng)輪裝配至風(fēng)輪底座，最后運(yùn)輸至壓合工位壓合。壓合過程中對(duì)壓力值實(shí)時(shí)采集，若數(shù)據(jù)不符合工藝要求，不良品運(yùn)輸至A4出料工位時(shí)，通過報(bào)警提示由人工取出。

2 硬件選型及硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件組成與連接如圖2所示，主要部件及其功能如下：

PLC（匯川，Easy521-0808TN）：通過EtherCAT對(duì)7個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，通過Modbus-TCP與大機(jī)器人控制柜、觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過I/O信號(hào)觸發(fā)機(jī)器動(dòng)作，通過485串口采集壓力傳感器的壓力值，通過EtherNet/IP協(xié)議與下游設(shè)備進(jìn)行通信。

伺服驅(qū)動(dòng)器（匯川，SV630N）：配編碼器電池并設(shè)置為絕對(duì)位置線性模式，省去正負(fù)硬限位、原點(diǎn)信號(hào)的配線，對(duì)于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的伺服通過軟件設(shè)置正負(fù)軟限位。伺服驅(qū)動(dòng)的組件包括輸送鏈條、壓合電缸、大機(jī)械手吸盤調(diào)位組件和箱體頂升組件。

工業(yè)機(jī)器人控制柜（隆深，KLS1000/KLS400）：大機(jī)器人控制系統(tǒng)為KEBA，風(fēng)輪抓取坐標(biāo)由PLC計(jì)算，并通過Modbus-TCP將坐標(biāo)發(fā)送至KEBA控制系統(tǒng);小機(jī)器人為納博特，視覺工控機(jī)與機(jī)器人控制柜通過Socket通信觸發(fā)拍照與傳送定位坐標(biāo)值。

視覺系統(tǒng)（海康威視，工控機(jī)、一千萬像素相機(jī)、白色環(huán)形光源）：由于風(fēng)輪與底座有裝配精度要求且鏈條上不同治具存在位置偏差，需采用視覺系統(tǒng)進(jìn)行定位裝配。

壓力傳感器（斯巴拓，SBT673）、傳感信號(hào)變送器（斯巴拓，SBT904-C2）：用于采集風(fēng)輪壓合過程中的壓力值。傳感器信號(hào)由變送器采集與處理并通過485串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC處理。

觸摸屏（威綸通，MT8072iP）：采用配方數(shù)據(jù)便于產(chǎn)型切換，使用數(shù)據(jù)采樣功能對(duì)每個(gè)風(fēng)輪的壓力值進(jìn)行采集，便于數(shù)據(jù)追溯。

光電傳感器：用于檢測(cè)風(fēng)輪、鏈條找零、箱體風(fēng)輪層高識(shí)別和隔板滿板。

3 PLC程序設(shè)計(jì)

設(shè)備邏輯控制框架如圖3所示，系統(tǒng)收到初始化信號(hào)后執(zhí)行初始化動(dòng)作，初始化完成后由啟動(dòng)信號(hào)觸發(fā)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，各工位獨(dú)立執(zhí)行各自的子程序，工位之間的動(dòng)作交互通過交互信號(hào)完成。自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)可由暫停信號(hào)觸發(fā)暫停，如暫停按鈕、安全門、安全光柵等，設(shè)備收到停止信號(hào)后執(zhí)行清料停機(jī)動(dòng)作。

3.1 A1鏈條段

鏈條邏輯控制流程如圖4（a）所示。①其中鏈條移動(dòng)指定距離采用相對(duì)值定位方式以提高節(jié)拍效率，由于鏈條上用于找零感應(yīng)的定位塊僅有一個(gè)，因此需記錄鏈條位置，并當(dāng)鏈條旋轉(zhuǎn)一周后，定位塊回位至原點(diǎn)光電附近時(shí)，觸發(fā)找零一次以消除累計(jì)誤差。②設(shè)備斷電時(shí)由于電機(jī)保持力矩消失，鏈條會(huì)出現(xiàn)微量移動(dòng)，若再次上電后不進(jìn)行位置糾正，壓合段頂升缸頂升時(shí)會(huì)撞擊鏈條治具，因此伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為絕對(duì)值編碼器模式以記錄電機(jī)位置，可避免鏈條初始化尋找不確定位置的定位塊的時(shí)間損耗。

3.2 A2小機(jī)器人段

圖4（b）為小機(jī)器人段邏輯控制流程，小機(jī)器人從除塵區(qū)取料后移動(dòng)至鏈條治具上方拍照位，當(dāng)收到鏈條段拍照請(qǐng)求信號(hào)后，PLC通過I/O信號(hào)觸發(fā)機(jī)器人執(zhí)行視覺定位與裝配風(fēng)輪動(dòng)作。

3.3 A5大機(jī)器人段

大機(jī)器人段邏輯控制流程如圖4（c）所示，箱體風(fēng)輪抓取策略如下：左、內(nèi)箱體設(shè)為最高抓取優(yōu)先級(jí)，取料過程中，先將一側(cè)的風(fēng)輪全部抓取完成后再切換另一邊抓取，以避免頻繁切換姿態(tài)。對(duì)于同一箱體，取料順序?yàn)閺淖蟮接?、從?nèi)到外，取料坐標(biāo)通過機(jī)器人示教點(diǎn)與抓取算法計(jì)算獲得，計(jì)算后由PLC發(fā)送至大機(jī)器控制器。

對(duì)于不同的產(chǎn)品，料框?qū)臃胖蔑L(fēng)輪的個(gè)數(shù)可能不同，第n個(gè)抓取點(diǎn)坐標(biāo)值的通用計(jì)算公式如下

，

結(jié)合圖5所示，式中：Pn（Pnx，Pny），TF（TFx，TFy）分別為第n個(gè)目標(biāo)抓取點(diǎn)、第一抓取示教點(diǎn);Lx，Ly分別為相鄰的2個(gè)產(chǎn)品x與y方向的間距;Nx，Ny分別表示x或y方向的第n個(gè)抓取點(diǎn)，均為正整數(shù);Ymax為y方向產(chǎn)品的最大個(gè)數(shù)。其中，由于裝配誤差，箱體邊緣方向與機(jī)器人坐標(biāo)軸存在旋轉(zhuǎn)方向的偏移，如圖5（b）所示，因此需要對(duì)坐標(biāo)值進(jìn)行修正，根據(jù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系，修正后的抓取點(diǎn)Cn（Cnx，Cny）可表述為

式中：TE（TEx，TEy）為最后抓取示教點(diǎn)，Xmax為x方向產(chǎn)品的最大個(gè)數(shù)。

3.4 A6—A9箱體段

箱體段邏輯控制流程如圖4（d）所示，由于箱體風(fēng)輪初始層數(shù)不確定，箱體初始化時(shí)需對(duì)層高進(jìn)行識(shí)別，升降桿先下降至最低位后再慢速上升，當(dāng)箱體頂部的對(duì)射光電被遮擋時(shí)，由當(dāng)前位置推算風(fēng)輪層數(shù)，最后根據(jù)識(shí)別的層數(shù)定位至目標(biāo)高度。自動(dòng)運(yùn)行過程中，當(dāng)前層風(fēng)輪全部取走后，PLC將觸發(fā)機(jī)器人取隔板并對(duì)層高進(jìn)行調(diào)整;當(dāng)料框中所有風(fēng)輪取走后，設(shè)備將進(jìn)行空框提示，由人工換框后點(diǎn)擊按鈕觸發(fā)箱體初始化。

3.5 A3壓合段

壓合段邏輯控制流程如下：壓合組件由伺服控制升降高度，先快速下降至風(fēng)輪上方后，后慢速下壓風(fēng)輪至指定位置，下壓過程傳感器對(duì)壓力進(jìn)行采集，根據(jù)工藝要求判斷壓合是否異常。

4 工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

2臺(tái)機(jī)器人的動(dòng)作均由PLC通過I/O控制，每個(gè)I/O點(diǎn)對(duì)應(yīng)一套執(zhí)行動(dòng)作，圖6、圖7分別為機(jī)器人與PLC交互的控制程序，其中，PLC觸發(fā)機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作子程序前，先確認(rèn)機(jī)器人動(dòng)作完成信號(hào)（如Q1.0）為FALSE，再觸發(fā)動(dòng)作信號(hào)（如I1.0～I(xiàn)1.7），以確保動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)僅在機(jī)器人無調(diào)用動(dòng)作子程序時(shí)生效。此外，通過建立機(jī)器人后臺(tái)程序監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)坐標(biāo)，以輸出安全高度、安全區(qū)域等信號(hào)至PLC，根據(jù)安全區(qū)域信號(hào)與工位間的交互信號(hào)，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)機(jī)器人在除塵區(qū)域取放料的動(dòng)作協(xié)同，避免碰撞的同時(shí)提高節(jié)拍效率。

大機(jī)器人動(dòng)作子程序可分為：①姿態(tài)初始化;②取風(fēng)輪;③放風(fēng)輪;④左右手姿態(tài)變換;⑤取內(nèi)隔板;⑥取外隔板;⑦垂直上升至安全高度;⑧放隔板。子程序中先判斷軸2關(guān)節(jié)值，若大于0將執(zhí)行左側(cè)動(dòng)作，反之執(zhí)行右側(cè)動(dòng)作，以節(jié)省控制柜I/O資源。由于機(jī)架尺寸的限制，機(jī)器人左右料框取料切換時(shí)，需在限定區(qū)域內(nèi)通過子程序4進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，如圖8所示。

小機(jī)器人動(dòng)作子程序包括：①運(yùn)動(dòng)至拍照位;②—⑤至4個(gè)除塵槽取料位;⑥垂直上升至安全高度;⑦垂直下降至取料高度;⑧拍照觸發(fā)及風(fēng)輪裝配。其中，視覺系統(tǒng)僅與機(jī)器人通信，包括拍照信號(hào)的觸發(fā)與定位坐標(biāo)值的傳輸。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)散熱風(fēng)扇風(fēng)輪組裝設(shè)備的動(dòng)作分析與工位劃分，進(jìn)行了硬件選型與系統(tǒng)搭建，并設(shè)計(jì)了PLC與工業(yè)機(jī)器人程序，以搭建設(shè)備所需的控制系統(tǒng)。在PLC程序設(shè)計(jì)中，建立了設(shè)備邏輯控制框架與設(shè)備工位并行的子程序，并設(shè)計(jì)出了大機(jī)器人抓取風(fēng)輪的算法。在機(jī)器人程序中，機(jī)器人動(dòng)作由PLC通過相應(yīng)的I/O信號(hào)觸發(fā)。最后，各工位通過交互信號(hào)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)散熱風(fēng)扇風(fēng)輪組裝設(shè)備的組裝、壓合、檢測(cè)工序的控制。

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第一作者簡(jiǎn)介：黃銘賢（1995-），男，碩士。研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化。