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基于PLC的閥口袋自動(dòng)上袋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2021-03-23 10:34:05 |來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

0引言
目前,粉體材料在化工、建材、冶金、電子、醫(yī)藥、生物工程、陶瓷、農(nóng)藥涂料、國防及尖端技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,作為國民經(jīng)濟(jì)許多領(lǐng)域的配套產(chǎn)業(yè),全自動(dòng)粉末包裝機(jī)械行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮骩1,2]。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家,粉體包裝設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)較為成熟,大多數(shù)粉體物料生產(chǎn)廠家都裝備了自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線,現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境整潔且工作效率高[2]。國內(nèi)的粉體包裝企業(yè)因?yàn)殚_發(fā)粉體包裝技術(shù)的高難度而不愿涉足該領(lǐng)域,很多粉體企業(yè)依靠進(jìn)口包裝設(shè)備或采用傳統(tǒng)的人工上袋方式進(jìn)行生產(chǎn),生產(chǎn)成本代價(jià)高昂且生產(chǎn)效率低下,隨著國內(nèi)用工成本的增加和環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng),粉體包裝機(jī)械設(shè)備以光、機(jī)、電、氣、磁為載體,朝著智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展[2~4]。PLC作為工業(yè)控制系統(tǒng)核心,其編程語言簡(jiǎn)單且具有較強(qiáng)靈活性和可靠性,粉體包裝設(shè)備自動(dòng)化中利用PLC作為控制系統(tǒng),能夠使其自動(dòng)化水平得到提高[5]。PLC控制系統(tǒng)在抗電磁干擾、高溫、粉塵等方面能力很高,在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛,其應(yīng)用的廣度和深度成為衡量一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化程度高低的重要標(biāo)志,也是未來粉塵包裝機(jī)械領(lǐng)域發(fā)展方向[6]。本文利用ER10-C10型埃夫特機(jī)器人控制柜系統(tǒng),西門子S7-1200PLC控制柜系統(tǒng),智能相機(jī),輸送機(jī)構(gòu),對(duì)企業(yè)提供的含有密封裝置的軟紙質(zhì)閥口袋實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位-拾取-夾緊-開袋-套袋等連續(xù)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),利用MCGS觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)粉體包裝生產(chǎn)過程監(jiān)控、參數(shù)輸入、報(bào)警輸出,操作簡(jiǎn)單便捷。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,具有較高的定位精度和上袋效率,可代替人工上袋,對(duì)相關(guān)粉體包裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化具有借鑒和推廣價(jià)值。
1自動(dòng)上袋工藝過程
整個(gè)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示,本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是輸送機(jī)構(gòu)4將閥口袋3運(yùn)送至光電開關(guān)處,輸送機(jī)構(gòu)停止,延遲200ms觸發(fā)相機(jī)2拍照,經(jīng)過圖像處理之后將閥口袋位姿信息發(fā)送給機(jī)器人,機(jī)器人末端執(zhí)行器對(duì)閥口袋實(shí)現(xiàn)拾取-夾袋-開袋過程,最后將閥口袋套在出料嘴6,然后返回起始點(diǎn)待機(jī),如此循環(huán)的等待下一個(gè)閥口袋,最終實(shí)現(xiàn)閥口袋自動(dòng)上袋的全自動(dòng)循環(huán)過程。其中,圖1中5表示自主設(shè)計(jì)的專用末端執(zhí)行器[7],圖中1表示MCGS觸摸屏。為了準(zhǔn)確控制整個(gè)運(yùn)行過程,在旋轉(zhuǎn)氣缸、夾緊氣缸、開袋氣缸處均設(shè)計(jì)有氣缸用傳感器電子設(shè)備,檢測(cè)旋轉(zhuǎn)氣缸、夾緊氣缸、開袋氣缸的運(yùn)行狀態(tài)。在末端執(zhí)行器開袋氣缸處設(shè)計(jì)安裝顏色傳感器,根據(jù)金屬出料嘴和閥口袋表面反射顏色信號(hào)的差異去檢測(cè)套袋是否成功,保障了粉體包裝套袋過程的安全性[8]。

自動(dòng)上袋粉體包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

2閥口袋識(shí)別
選用SV4-30M智能相機(jī)、H0514-MP2鏡頭、分辨率為640×480,支持100Mbps以太網(wǎng)通訊方式,通過內(nèi)含的CMOS傳感器來采集傳送帶上的閥口袋圖像,對(duì)其進(jìn)行圖像畸變校正、二值化、濾波、特征信息識(shí)別等處理過程,最終利用定位工具對(duì)其特征(圖2中5與7)進(jìn)行識(shí)別。利用自帶的二次開發(fā)軟件X-SightStudio對(duì)特征信息進(jìn)行腳本編寫,最終相機(jī)輸出圖2中編號(hào)5與7的交點(diǎn)P0(x0,y0)以及閥口袋前端邊沿P0M0所處的角度θ0,建立相機(jī)與PLC以太網(wǎng)通信,將識(shí)別的特征信息發(fā)送給PLC。對(duì)于同一種型號(hào)閥口袋,圖中的l和大小確定,建立如下方程式即可求得P(x,y)和PM所處的角度θ。經(jīng)過手眼標(biāo)定轉(zhuǎn)換矩陣和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,即可獲得機(jī)器人拾取閥口袋坐標(biāo)(X,Y,a)。

自動(dòng)上袋粉體包裝機(jī)閥口袋簡(jiǎn)化模型圖

3閥口袋自動(dòng)上袋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1控制系統(tǒng)框架
采用S7-1200PLC作為系統(tǒng)控制核心,完成對(duì)相機(jī)、機(jī)器人、昆侖通態(tài)MCGS人機(jī)界面、啟動(dòng)按鈕、光電開關(guān)、急停按鈕,輸送機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器上各種傳感器檢測(cè)裝置等器件的通信控制工作。昆侖通態(tài)顯示屏自帶良好的軟件設(shè)計(jì)界面,將編輯好的設(shè)計(jì)界面下載到人機(jī)界面中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的操作和監(jiān)控功能,故障自動(dòng)報(bào)警以及故障查詢功能,使生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單化,自動(dòng)化。
在TIA博途開發(fā)軟件編寫PLC程序,通過與機(jī)器人建立通信連接,實(shí)現(xiàn)精確控制機(jī)器人自動(dòng)上袋過程,從而實(shí)現(xiàn)超精細(xì)粉體包裝過程。
編寫手動(dòng)和自動(dòng)程序,在手動(dòng)情況下,可以調(diào)試輸送機(jī)構(gòu)的啟動(dòng),相機(jī)光源打開,觸發(fā)拍照,末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)氣缸、開袋氣缸動(dòng)作等過程,確保接線的準(zhǔn)確性。在自動(dòng)運(yùn)行的過程中,確保運(yùn)行安全性,對(duì)閥口袋拾取坐標(biāo)值限制在一定范圍內(nèi),超出設(shè)定坐標(biāo)值范圍內(nèi)將啟動(dòng)報(bào)警程序,停止運(yùn)行。
3.2硬件組成
1)PLC采用S7-1200PLC,CPU型號(hào)為1215C/DC/DC/DC,本地板載I/O為14個(gè)輸入,10個(gè)輸出,擴(kuò)展數(shù)字量模塊為SM1223DI16×24VDC/DQ,共計(jì)16個(gè)數(shù)字量輸入模塊和16個(gè)數(shù)字量輸出模塊[9]。
2)機(jī)器人選用型號(hào)為ER10-C10埃夫特機(jī)器人,該機(jī)器人具有6個(gè)自由度、由帶有編碼器的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、其最大運(yùn)動(dòng)半徑1640mm、末端最大負(fù)載10kg、重復(fù)定位精度±0.05mm、控制系統(tǒng)為C10平臺(tái),可以方便的在示教器上編寫程序代碼。
3)交換機(jī)選用上海造瑞電子科技有限公司的ZRS108-D型號(hào)的8口工業(yè)交換機(jī),完成相機(jī)和PLC、PLC和機(jī)器人之間的信息交互,完成閥口袋拾取坐標(biāo)的傳送以及實(shí)現(xiàn)PLC控制機(jī)器人操作過程。
3.3PLC輸入/出端口設(shè)計(jì)
本控制系統(tǒng)S7-1200CPU采用源型輸入接線,M端接入24V直流電源的正極,擴(kuò)展數(shù)字量模塊SM1223接線的方式與S7-1200PLC的CPU本體接線方式一致。按照各I/O端口地址進(jìn)行接線即可,圖3是本控制系統(tǒng)I/O端口的接線圖。其中,-KA1、-KA2表示中間繼電器線圈,其常開觸點(diǎn)分別控制觸發(fā)相機(jī)拍照,以及環(huán)形光源(拍照光源)打開;-KA3表示中間繼電器常開觸點(diǎn),相機(jī)拍完照之后將會(huì)從相機(jī)控制器SIC242的Y4端口發(fā)送信號(hào),線圈得電使其常開觸點(diǎn)吸合,從而達(dá)到拍照完成檢測(cè)的目的。

PLC輸入/出端口設(shè)計(jì)表

PLC輸入/出端口設(shè)計(jì)圖

PLC I/O端口接線圖

3.4機(jī)器人輸入/出功能設(shè)計(jì)
在實(shí)際工作過程中,PLC、相機(jī)、機(jī)器人通過以太網(wǎng)建立通信連接,PLC根據(jù)運(yùn)行到不同階段通過start_on傳輸?shù)膬?nèi)容去控制機(jī)器人運(yùn)行過程,同時(shí)機(jī)器人通過status_rob、run_rob傳輸?shù)膬?nèi)容將運(yùn)行信息發(fā)送給PLC。
3.5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
結(jié)合閥口袋自動(dòng)上袋的過程,控制系統(tǒng)軟件將PLC、相機(jī)、機(jī)器人、MCGS觸摸屏、傳感器及執(zhí)行器件聯(lián)系在一起,使其能夠?qū)崿F(xiàn)粉體包裝自動(dòng)化。
1)相機(jī)與PLC通訊客戶端和PLC與機(jī)器人通訊客戶端程序
該程序使控制系統(tǒng)能夠不停地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀與寫,該程序?qū)崿F(xiàn)了圖像處理之后將特征信息發(fā)送給PLC及經(jīng)過PLC數(shù)據(jù)處理之后向機(jī)器人發(fā)送抓取點(diǎn)坐標(biāo)的過程,最終使機(jī)器人準(zhǔn)確拾取閥口袋。
2)PLC數(shù)據(jù)處理程序
相機(jī)將閥口袋位姿信息發(fā)送給PLC,該數(shù)據(jù)處理程序?qū)?duì)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,手眼標(biāo)定轉(zhuǎn)換矩陣及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理之后,將抓取點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)送給機(jī)器人。
3)輸送機(jī)控制程序
根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的工作過程和前面定義I/O端口,設(shè)計(jì)輸送機(jī)構(gòu)控制程序。輸送機(jī)構(gòu)程序在實(shí)現(xiàn)工作過程的要求之外,同時(shí)還要從安全角度出發(fā),在程序中設(shè)計(jì)停止按鈕,急停按鈕,報(bào)警按鈕等功能。在程序設(shè)計(jì)時(shí),為保障工序有條不紊的進(jìn)行,在PLC電路中設(shè)計(jì)自鎖與互鎖電路,提高運(yùn)行效率。
4)機(jī)器人控制程序
機(jī)器人控制程序分為兩個(gè)部分,分別是PLC控制機(jī)器人程序和機(jī)器人程序。PLC是根據(jù)接收到機(jī)器人運(yùn)行狀況信號(hào)之后向機(jī)器人發(fā)送下一步運(yùn)行指令來達(dá)到控制機(jī)器人,中間包括移動(dòng)末端執(zhí)行器到拾取點(diǎn),接通拾取氣泵,拾取吸盤吸住閥口袋,采用延時(shí)法來使吸氣過程平穩(wěn);機(jī)器人末端執(zhí)行器將閥口袋抬起一定高度,PLC控制旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)90°,夾緊氣缸將閥口袋夾緊,采用延時(shí)法確保夾緊過程可靠;拾取氣泵斷開,拾取吸盤與閥口袋分離,回轉(zhuǎn)氣缸復(fù)位;按照既定路徑將閥口袋抬高到套袋起始點(diǎn),PLC控制開袋氣缸作用,使其與閥口袋閥套貼合,開袋氣泵作用使開袋吸盤吸住閥套,采用延時(shí)法使吸附過程可靠,開袋氣缸復(fù)位,將閥口袋閥套打開,進(jìn)行套袋程序[8]。在機(jī)器人示教器編寫程序,分別是數(shù)據(jù)判斷程序,目的是為了機(jī)器人運(yùn)行安全,將抓取點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)限制在一定范圍內(nèi),在該數(shù)值范圍內(nèi),機(jī)器人將進(jìn)行下一步指令,超出該范圍,機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng),蜂鳴器報(bào)警;拾取閥口袋程序,按照既定路徑運(yùn)動(dòng)到某一位置,得到拾取點(diǎn)坐標(biāo)值之后,移動(dòng)到拾取點(diǎn);套袋程序,目的是按照既定路徑,將閥口袋套在出料嘴上,完成套袋任務(wù),之后,機(jī)器人將回到起始套袋點(diǎn),處于待機(jī)狀態(tài),在開袋氣缸上裝有顏色傳感器,一旦檢測(cè)到套袋失敗,停止套袋,并發(fā)出報(bào)警。
4MCGS人機(jī)界面設(shè)計(jì)
人機(jī)界面的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控,主要參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)控報(bào)警,故障發(fā)生內(nèi)容查詢,相關(guān)技術(shù)人員登錄權(quán)限設(shè)置,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的管理。
使用昆侖通態(tài)的“1061Ti”人機(jī)界面,該款產(chǎn)品具有以太網(wǎng)接口,可以與PLC的FROFINT接口建立連接。該人機(jī)界面自帶MCGS組態(tài)環(huán)境,其中包括主控窗口,設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行策略窗口,能夠使用戶根據(jù)自己的項(xiàng)目需求組態(tài)人機(jī)界面,模塊之間的關(guān)系如圖4所示,其中主控窗口是設(shè)置啟動(dòng)窗口。將組態(tài)好的工程下載到MCGS模擬運(yùn)行環(huán)境,進(jìn)行仿真運(yùn)行,確定無誤后將組態(tài)的工程下載到“1061Ti”人機(jī)界面。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了用戶登錄界面、操作界面、機(jī)器人、流水線、瀏覽報(bào)警查詢界面、數(shù)據(jù)安全報(bào)警界面、通信報(bào)警界面,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)開發(fā)系統(tǒng)的保護(hù)以及操作安全功能;實(shí)現(xiàn)對(duì)通信故障,機(jī)器人抓取點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)超限及時(shí)報(bào)警,并在當(dāng)前界面以小窗口形式進(jìn)行提醒和蜂鳴器閃爍報(bào)警功能;能夠?qū)ιa(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、狀態(tài)跟蹤、停止、急停功能;能夠讀寫機(jī)器人閥口袋拾取坐標(biāo);能夠查詢一定時(shí)間范圍內(nèi)故障報(bào)警信息等內(nèi)容,機(jī)器人設(shè)計(jì)界面如圖5所示。

機(jī)器人;理論拾取點(diǎn)與實(shí)際拾取點(diǎn)對(duì)比表

機(jī)器人截面圖

5運(yùn)行測(cè)試結(jié)果
按照上述所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng),經(jīng)運(yùn)行程序調(diào)試之后,所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)構(gòu)、相機(jī)、機(jī)器人、急停、報(bào)警等子系統(tǒng)邏輯控制,MCGS觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程監(jiān)控,主要參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)控報(bào)警等任務(wù),拾取精度較高,完全滿足后續(xù)末端執(zhí)行器對(duì)閥口袋夾緊,打開閥口袋閥套及套袋精度要求,自動(dòng)上袋效率較高,連續(xù)運(yùn)行情況下上袋速度達(dá)8袋/分鐘。下表是對(duì)機(jī)器人抓取點(diǎn)坐標(biāo)值的統(tǒng)計(jì),由表1中數(shù)據(jù)可以看出,機(jī)器人對(duì)輸送機(jī)構(gòu)上的閥口袋準(zhǔn)確定位,X方向的拾取誤差小于0.6mm,Y方向的誤差小于0.4mm,閥口袋旋轉(zhuǎn)角度a的誤差小于0.5°。
6結(jié)語
目前,大多數(shù)粉體包裝企業(yè)采用進(jìn)口國外全自動(dòng)粉體包裝設(shè)備或者依靠人工上袋,不利于我國粉體包裝行業(yè)長久發(fā)展。本文基于機(jī)器視覺和PLC實(shí)現(xiàn)了閥口袋運(yùn)輸、拾取、夾緊、開袋、套袋、套空檢測(cè)全自動(dòng)化操作,設(shè)計(jì)了MCGS人機(jī)界面,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控,在保證系統(tǒng)運(yùn)行安全與穩(wěn)定基礎(chǔ)之上,將有效解決國家對(duì)生產(chǎn)粉體企業(yè)的環(huán)保要求和粉體污染對(duì)人體危害的問題。


 

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