基于PLC、視覺系統(tǒng)和機器人的全自動化生產(chǎn)線設(shè)計

基于PLC、視覺系統(tǒng)和機器人的全自動化生產(chǎn)線設(shè)計摘要:本文應用PLC、視覺系統(tǒng)與機器人對某生產(chǎn)線進行了全自動化設(shè)計,使生產(chǎn)線的操作靈活簡便,位置定位更加精準,生產(chǎn)線運行可靠而高效。關(guān)鍵詞:自動化PLC視覺系統(tǒng)機器人觸摸屏某外資廠設(shè)計了一條生產(chǎn)線,其功能是將從注塑機上取出的手機殼用皮帶軌道運送到手機屏幕裝配工位進行屏幕裝配,再將成品送到收集槽中,進行QC檢測。整條生產(chǎn)線設(shè)有上料、手機屏幕裝配、下料三個工位,隨著產(chǎn)品需求量的不斷增大,人工成本不斷增加；同時,市場對產(chǎn)品的定位精度要求也日益提高,因此,企業(yè)對生產(chǎn)線的自動化水平提出了更高的要求。為了提高產(chǎn)量,節(jié)約成本,提高精度,筆者與該廠機械、裝配等技術(shù)人員對該生產(chǎn)線進行了全自動化的設(shè)計,設(shè)計了基于PLC、視覺系統(tǒng)與機器人的控制系統(tǒng),實現(xiàn)將從注塑機中取出的半成品,放到生產(chǎn)線上進行屏幕裝配后,再將成品取出放到收集槽中,全過程無需人工操作。1全自動化生產(chǎn)線的工藝流程整條生產(chǎn)線由三個工位及一條上下兩層的皮帶軌道線組成,其工藝流程如圖1所示。M1為上料工位,負責將從注塑機中取出的手機殼放到軌道料盤(用來裝產(chǎn)品的盤子)；M2為屏幕裝配工位,負責將手機屏幕裝配到手機殼上,該工位對定位精度要求特別高,要求誤差小于±0.005mm,是整條生產(chǎn)線設(shè)計的重點及難點；M3為下料工位,負責從生產(chǎn)線上取出成品并放到QC臺上。由于擺放地點的空間限制,皮帶軌道設(shè)計成上下兩層,到了軌道的兩端,利用步進電機進行軌道的正反轉(zhuǎn)及速度控制,以實現(xiàn)平穩(wěn)運送料盤。每一工位安裝了位置傳感器,料盤上設(shè)計有感應鐵塊,每一個工位在本工位的工作完成后將料盤送到下一工位。機械手從注塑機上取出半成品并放到M1上料機構(gòu)的夾具上后,工位傳感器檢測到空料盤到達時,上料機構(gòu)將半成品放到料盤上,同時通知機械手上料已完成,通知軌道產(chǎn)品已到達,軌道運送產(chǎn)品到下一工位M2；當M2工位傳感器檢測到料盤(產(chǎn)品)到達,啟動手機屏幕取放機構(gòu)、視覺系統(tǒng)程序、機器人裝配屏幕程序,屏幕裝配完成后發(fā)出信號到軌道,軌道運送產(chǎn)品到下一工位M3；當M3工位傳感器檢測到料盤(產(chǎn)品)到達,下料機構(gòu)抓取產(chǎn)品到收集槽,最后通知軌道產(chǎn)品已取走,軌道運送空盤到上料機構(gòu)處,開始下一次循環(huán)。2控制系統(tǒng)設(shè)計2.1系統(tǒng)整體設(shè)計本系統(tǒng)采用功能強大、經(jīng)濟實惠的OMRONCJ1M型PLC作為核心控制器,以人機界面OMRONNT系列觸摸屏作為操作終端。在硬件的配置方面,視覺系統(tǒng)及高精度機器人為屏幕裝配的精確度提供保障,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[1]。整條生產(chǎn)線由一臺PLC控制,PLC與視覺系統(tǒng)之間用以太網(wǎng)進行通信；PLC與機器人之間、PLC與觸摸屏之間用RS232進行通信；利用PLC的遠程控制終端實現(xiàn)生產(chǎn)線各工位之間的操作控制。系統(tǒng)設(shè)有手動和自動兩種操作方式,在觸摸屏上可以設(shè)置系統(tǒng)的操作方式、設(shè)定及修改各種參數(shù),對系統(tǒng)進行啟動及停止操作等。正常情況下,系統(tǒng)啟動后,PLC接收觸摸屏或外部的操作控制信息,采集并處理傳感器檢測信號,控制及調(diào)用視覺系統(tǒng)和機器人,控制各電磁閥和繼電器動作,完成產(chǎn)品的上料、屏幕裝配、下料等工藝流程,觸摸屏實時顯示PLC的工作狀態(tài)、運行信息,實現(xiàn)生產(chǎn)過程的動態(tài)監(jiān)視；系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,PLC一方面將工作狀態(tài)、運行信息和故障信息顯示在觸摸屏上;另一方面發(fā)出聲光報警信號。2.2視覺系統(tǒng)及機器人設(shè)計手機屏幕裝配到手機殼上的定位精度要求很高,要求誤差小于±0.005mm。對于如此高精度的裝配,應用一般的氣缸工裝已遠遠達不到要求；只應用高精度的機器人也不能消除夾具和其他因素所帶來的誤差。因此,設(shè)計了工業(yè)視覺系統(tǒng),利用視覺系統(tǒng)的照相和軟件分析功能計算出位置偏差值并傳送給PLC,PLC將數(shù)據(jù)處理后傳送給機器人,機器人再根據(jù)偏差值進行補償修正與裝配,從而完成高精度的裝配工作。2.2.1系統(tǒng)配置本設(shè)計采用穩(wěn)定性極高的康耐視視覺系統(tǒng)和高速高精度的SonySRX-611型機器人,組成高性能,高精度的自動化控制系統(tǒng)。其中,視覺系統(tǒng)用CognexVision卡和checkpoint3.7軟件進行圖像處理,采用OMRONDDEserver進行以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送,而PC為視覺系統(tǒng)的軟件分析、信號傳輸提供保障。2.2.2系統(tǒng)設(shè)計視覺系統(tǒng)和機器人的設(shè)計思路是通過照相機獲取一個清晰的產(chǎn)品圖像作為標準圖像,利用視覺軟件的圖像分析工具,將目標產(chǎn)品所取得的圖像與標準圖像進行比較,精確計算出尺寸偏差值；將偏差值放入計算機的存儲器內(nèi),通過以太網(wǎng)將偏差值送到PLC的存儲器中,經(jīng)過PLC換算成機器人能識別的修正值,通過RS232傳送到機器人的存儲器中,機器人根據(jù)修正值對原裝配點進行補償裝配。圖3所示為視覺系統(tǒng)和機器人與PLC的連接示意圖。(1)硬件組成。視覺系統(tǒng)由康耐視視覺板卡、照相機、視覺分析軟件、光源、相機數(shù)據(jù)線和SONY鏡頭組成；PLC包括電源、CPU、RS232模塊、以太網(wǎng)模塊和DeviceNet模塊；機器人包括控制主機箱、四軸機械手和操作手持視教屏；以太網(wǎng)包括以太網(wǎng)卡、路由器和以太網(wǎng)線；DeviceNet包括通信模塊、輸入模塊、輸出模塊、通信電纜和終端電阻。(2)裝配過程設(shè)計。當工位M2位置傳感器檢測到料盤到達后,一方面氣缸機構(gòu)將手機殼垂直頂起固定在夾具上；另一方面機器人(夾具是吸盤)吸住屏幕并運動到鏡頭上方照相,視覺系統(tǒng)計算出目標圖像與標準圖像的位置偏差,并傳送給PLC,PLC換算后將修正值傳送給機器人,機器人根據(jù)修正值對屏幕進行處理,有兩種情況:一是無法修正的情況,如屏幕大太,這時機器人直接將屏幕扔進廢料收集桶,并重新夾下一個屏幕,重復上面的過程；二是可修正的情況,這時機器人根據(jù)修正值對屏幕位置進行調(diào)整(左右移位、前后移位或旋轉(zhuǎn)),完成后,吸住屏幕的機器人運動到手機殼上方進行屏幕裝配。(3)程序設(shè)計。第一步,機器人獲得PLC發(fā)出的手機殼到達工位M2的指令,機器人運動到裝有手機屏幕的夾具上將手機屏幕取出,運動到照相機的上方,PLC觸發(fā)視覺系統(tǒng)進行照相,獲取手機屏幕的圖像。圖4為機器人運動到照相機上方的程序,圖5為照相機獲取的標準圖像。第二步,視覺軟件對獲取的圖像進行分析,計算出該圖像與標準圖像的偏差尺寸,如圖6所示。第三步,將偏差值通過以太網(wǎng)傳送到PLC中。第四步,PLC將偏差值傳送給機器人。第五步,機器人對偏差值進行處理(前后移動、左右移動、旋轉(zhuǎn)屏幕),如圖7所示；若屏幕不合格則丟棄。第六步,機器人將作了位置數(shù)據(jù)補償后的手機屏幕裝配到手機殼上。(4)視覺系統(tǒng)PC、PLC、機器人之間的通訊設(shè)置。第一步,將視覺系統(tǒng)PC的IP地址設(shè)為192.168.22.256。第二步,將PLC的IP地址設(shè)為192.168.22.1。第三步,按圖8所示設(shè)置PLC的HostlinkPort；機器人則采用默認的Hostlinkport19200,8,2,NHostlink設(shè)置。2.3PLC控制程序設(shè)計PLC通過采集觸摸屏發(fā)出的控制信號和傳感器的檢測信號,輸出現(xiàn)場控制信號以及觸摸屏顯示信號,完成對半成品的自動加工。為增強程序的可讀性,便于維護人員快速查找故障,PLC程序采用分塊設(shè)計,圖9所示為整個自動化生產(chǎn)線的PLC程序總體結(jié)構(gòu),整個項目程序分為PLC系統(tǒng)程序、屏幕輸送程序、上料程序、下料程序、視覺系統(tǒng)動作控制程序、機器人安裝屏幕程序等幾部分。(1)系統(tǒng)程序用于PLC與視覺系統(tǒng)、機器人之間通信協(xié)議設(shè)置,觸摸屏的顯示及操作設(shè)置。(2)屏幕輸送程序用于控制氣缸、馬達等機械裝置將手機屏幕放到定位夾具上。(3)上料、下料、視覺系統(tǒng)動作控制程序、機器人裝配手機屏幕程序?qū)ο到y(tǒng)的動作順序進行控制。考慮到系統(tǒng)的安全性、可靠性以及程序的可讀性,動作控制程序采用了順序控制,通過規(guī)定每個執(zhí)行元件的動作完成時序,使相關(guān)執(zhí)行元件的動作按順序一步一步往下走,進而使系統(tǒng)運行有序、可靠。圖10是各工位動作控制的主要流程。2.4觸摸屏界面設(shè)計首先,在計算機上應用觸摸屏專用軟件(本系統(tǒng)采用OMRONNTseriessupporttoolV4.7),根據(jù)生產(chǎn)工藝的控制要求進行界面設(shè)計,并作好相關(guān)設(shè)定,再進行編譯,在計算機與觸摸屏正確通信后,下載給觸摸屏[2]。系統(tǒng)觸摸屏界面結(jié)構(gòu)如圖11所示,設(shè)有主菜單和故障顯示界面。主菜單設(shè)有自動運行、手動操作和系統(tǒng)設(shè)置三個按鈕,為系統(tǒng)提供三種操作狀態(tài),點擊按鈕可進入相應的子菜單,進行相應的操作。其中,手動操作,便于技術(shù)人員調(diào)整機器的精準位置和試運行；系統(tǒng)設(shè)置,用于設(shè)置系統(tǒng)的各種參數(shù)及各工位的狀態(tài)(如投入運行或故障退出)；自動運行,此狀態(tài)下系統(tǒng)將進入全自動運行,操作人員可以進行系統(tǒng)的啟動、停止操作。故障顯示界面設(shè)有機器人故障、視覺系統(tǒng)故障和執(zhí)行機構(gòu)故障三大類,當有故障發(fā)生時,PLC會自動觸發(fā)觸摸屏顯示相應的故障信號,指引技術(shù)員查找故障原因。3結(jié)語本文對應用PLC、視覺系統(tǒng)、機器人三體合一實現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)過程的全自動化系統(tǒng)進行了闡述。該自動化生產(chǎn)線有如下優(yōu)點:(1)系統(tǒng)操作靈活、簡便:手動、自動、系統(tǒng)設(shè)置均可在人機界面上輕松完成。(2)安裝位置精度高:精度達到±0.005mm。(3)系統(tǒng)可靠性高:通過對系統(tǒng)動作的順序控制,減少誤動作、越級動作。(4)維護方便快捷,系統(tǒng)故障時