基于PLC 板級控制的E 型鐵芯多工位疊片系統(tǒng)設(shè)計

劉新波， 廖政棟， 黎 浪

（邵陽學(xué)院 多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點實驗室， 湖南 邵陽 422000）

0 引言

目前，在國內(nèi)外變壓器鐵心制造工藝中，大部分工序已實現(xiàn)自動化，如鐵芯硅鋼片料剪切。 然對于疊裝工序方面，因其工藝復(fù)雜，技術(shù)要求較高，目前大多數(shù)制造商仍然采用傳統(tǒng)手工疊片方式生產(chǎn)，疊片工勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定[1]。 變壓器鐵芯作為變壓器的核心部分，其質(zhì)量直接影響到變壓器的技術(shù)性能、 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)行的安全可靠，因此，鐵芯的疊片技術(shù)改良和質(zhì)量控制十分重要[2]。

在對變壓器鐵芯進(jìn)行疊片時， 不僅要兼顧疊片工藝方面的優(yōu)化，且還需考慮到產(chǎn)品質(zhì)量及成本。 浙江大學(xué)副教授章昱帆等人對硅鋼片自動疊片研究中， 設(shè)計過一套自動疊片裝置，由機(jī)架、三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)和運(yùn)動控制系統(tǒng)等部件組成，采用x-y-z 三維運(yùn)動模式，選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動同步帶和絲杠直線滑臺來實現(xiàn)平移，氣缸-活塞桿實現(xiàn)垂直方向升降， 以及吸盤真空吸取的方式進(jìn)行硅鋼片的抓取[3]，這種裝置在結(jié)構(gòu)簡單，操作便利，但體積龐大，在進(jìn)行大量疊片時，缺乏有效的定位檢測，影響硅鋼片疊片重復(fù)定位精度。

針對上述問題，為提高生產(chǎn)效率、降低成本，本文設(shè)計一套多工位桌面疊片機(jī)器人系統(tǒng)， 主要采用離縫定位方式，由機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行檢測，同時系統(tǒng)以機(jī)械臂為執(zhí)行裝置， 使用觸摸屏對PLC 各軟元件的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，PLC之間采用ModBus-RTU 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換達(dá)到聯(lián)調(diào)聯(lián)控的目的，進(jìn)而驅(qū)動機(jī)械臂進(jìn)行E 型變壓器鐵芯自動疊片過程。

1 E 型鐵芯多工位疊片系統(tǒng)簡介、 疊片流程及控制要求

1.1 E 型鐵芯多工位疊片系統(tǒng)簡介

E 型鐵芯多工位疊片系統(tǒng)根據(jù)變壓器鐵芯疊片工藝進(jìn)行疊片[4]，具有實時高精準(zhǔn)定位、控制步驟簡單等特點，可將橫剪無縫硅鋼片置于桌面上， 橫剪后的硅鋼片直接吸取、定位并疊片[5]。 E 型鐵芯疊片系統(tǒng)由三軸機(jī)械臂、觸摸屏、工業(yè)相機(jī)、PLC 控制板和控制系統(tǒng)組成，如圖1 所示。機(jī)械臂與機(jī)械末端吸附裝置組合在一起，根據(jù)系統(tǒng)要求將硅鋼片疊放至目標(biāo)區(qū)域。觸摸屏作為人機(jī)界面，控制系統(tǒng)的啟停、 疊片參數(shù)的設(shè)置和機(jī)械臂運(yùn)行過程中的狀態(tài)監(jiān)視。工業(yè)相機(jī)是組成視覺檢測系統(tǒng)的重要部分，作用有二：其一，指導(dǎo)系統(tǒng)精確疊片，即系統(tǒng)在工作時，每工位機(jī)械臂完成一次疊片后， 工位一上機(jī)械臂帶動工業(yè)相機(jī)運(yùn)動到鐵芯正上方進(jìn)行拍照， 通過離縫定位方式確定硅鋼片位置有無偏差；其二，信號等待開關(guān)作用，當(dāng)某一工位機(jī)械臂完成疊片動作后，觸發(fā)下一工位進(jìn)行工作。 PLC板受觸摸屏的操控， 直接控制機(jī)械臂的運(yùn)行和接受視覺系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的反饋。

1.2 多工位疊片系統(tǒng)疊片流程

如圖2 所示，工作臺上面原有5堆硅鋼片，工位一機(jī)械臂疊裝底軛，工位二疊裝左柱、中柱，工位三疊裝右柱、 中柱。 通過人機(jī)界面進(jìn)行PLC板參數(shù)設(shè)置，控制機(jī)械臂將硅鋼片按工藝要求，在目標(biāo)區(qū)域特定位置疊裝成“E”字型鐵芯，鐵芯由左柱、中柱、右柱及水平方向底軛4 個部分組成。

圖1 多工位疊片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 疊片示意圖

多工位疊片系統(tǒng)疊片流程，如表1 所示。機(jī)械臂按照表中“疊片步數(shù)”序號依次進(jìn)行疊片，每次采用哪個工位機(jī)械臂疊裝鐵芯哪個部分，都與表中“疊片步數(shù)”序號相對應(yīng)。如機(jī)械臂第一步疊裝鐵芯，使用工位二機(jī)械臂疊裝鐵芯左柱。機(jī)械臂在疊片過程中，視覺系統(tǒng)實時進(jìn)行拍照檢測并反饋結(jié)果到主站，從站根據(jù)主站反饋的結(jié)果，控制機(jī)械臂進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表1 多工位疊片系統(tǒng)疊片流程

1.3 多工位疊片系統(tǒng)的控制要求

多工位疊片系統(tǒng)需要按照E 型變壓器鐵芯疊片工藝進(jìn)行疊片， 同時在滿足用戶實時調(diào)節(jié)鐵芯生產(chǎn)的各項參數(shù)時可以達(dá)到系統(tǒng)仍穩(wěn)定， 并具有報警功能和自動故障診斷。 具體對系統(tǒng)的控制要求可分為以下幾個方面：

（1）機(jī)械臂組：機(jī)械臂按要求自動在相應(yīng)區(qū)域疊片。本文多工位疊片系統(tǒng)分三個疊片工位，PLC 作為控制器，控制相應(yīng)工位的機(jī)械臂按要求進(jìn)行疊片。

（2）外部傳感器：機(jī)器人疊片過程中外部傳感器有兩個作用：其一，作為信號等待開關(guān)?？刂迫齻€工位，依次按順序進(jìn)行循環(huán)疊片；其二，視覺定位。 指導(dǎo)機(jī)械臂對變壓器鐵芯進(jìn)行精確疊片。

（3）人機(jī)界面：作為用戶與機(jī)器信息交互的媒介，可以在人機(jī)界面修改PLC 寄存器的參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)械臂每個軸的步進(jìn)電機(jī)脈沖比、回原點速度、加速時間、減速時間、電磁閥通斷、關(guān)節(jié)坐標(biāo)設(shè)定等，同時監(jiān)視PLC 的內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)，觀察機(jī)械臂的運(yùn)行情況。

（4）報警、故障診斷：系統(tǒng)在疊片狀態(tài)時，要有狀態(tài)提醒，通過燈光的顏色，反應(yīng)系統(tǒng)是否處于正常狀態(tài)，便于及時糾正。

2 E 型鐵芯多工位疊片系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 E 型鐵芯多工位疊片系統(tǒng)關(guān)鍵器件選型

圖3 E 型鐵芯多工位疊片系統(tǒng)控制示意圖

如圖3 所示， 根據(jù)E 型鐵芯多工位疊片系統(tǒng)控制要求，選用4 塊PLC 板（可編程邏輯控制器）作為控制器，PLC 板由STC32F407 單片機(jī)芯片制成。 PLC 之間采用ModBus-RTU 進(jìn)行通信，設(shè)立主站1 臺、從站3 臺。

在每個工位三軸機(jī)械臂中，每個軸搭配一個DRV8825芯片，該系列定位芯片細(xì)分可分5檔，最高可達(dá)32 細(xì)分，工作電壓8.2～24V，且購買價格實惠[6]，如圖4 所示。 定位芯片通過設(shè)置脈沖頻率來控制機(jī)械臂軸電機(jī)轉(zhuǎn)動速度的大小， 通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度[7]。與機(jī)械臂軸控制箱相比性價比更高，它占用空間小、成本低、反應(yīng)時間快。 定位芯片與PLC 連接， 并采用脈沖信號作為機(jī)械臂每個軸的定位控制[8]。脈沖個數(shù)控制運(yùn)動距離，脈沖頻率控制運(yùn)動速度，因此，三臺機(jī)械臂總共有9 軸9 電機(jī)，需要9 個定位芯片進(jìn)行9 個軸的分別控制。

人機(jī)界面選用優(yōu)控S-500A 觸摸屏，經(jīng)RS-232 串口與PLC 控制器相連。 觸摸屏連接PLC 上后，可在觸摸屏上對PLC 內(nèi)部寄存器參數(shù)設(shè)置，控制機(jī)械臂、電磁閥和末端吸附裝置，同時監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

E 型鐵芯多工位疊片工位一機(jī)械臂上裝有3 個大恒DH-HV3110FC 視覺相機(jī)，與PC 連接，對外部輸入信號進(jìn)行處理。當(dāng)機(jī)械臂進(jìn)行疊片時，視覺相機(jī)對硅鋼片之間的縫隙進(jìn)行拍照， 將圖像信息傳給PC 進(jìn)行處理，PC 將處理過的信息傳給主站。主站根據(jù)PC 的指令，通過ModBus-RTU 將代碼發(fā)送給從站，控制機(jī)械臂調(diào)節(jié)硅鋼片位置。

圖4 定位芯片

2.2 I/O 分配

該系統(tǒng)的控制器有4 塊三菱PLC 板，使用ModBus-RTU 通信方式進(jìn)行分布式控制，主站PLC 輸入有4點； 從站PLC 輸入有21 點、 輸出有33 點，具體分配見表2 和表3。

3 E 型鐵芯多工位疊片系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主控模塊設(shè)計

表2 主站PLC I/O 分配表

在本E 型鐵芯多工位疊片系統(tǒng)中的程序設(shè)計，PLC的程序設(shè)計有控制主程序和通信程序。

（1）控制主程序。 E 型鐵芯多工位疊片系統(tǒng)工作，如圖5 所示。 在設(shè)備通電后，系統(tǒng)狀態(tài)初始化，進(jìn)行觸摸屏疊片參數(shù)設(shè)置。

自動模式中，機(jī)械臂自動循環(huán)進(jìn)行疊片。開始自動模式時，所有機(jī)械臂回原點等待指令進(jìn)行下一步工作。每個工位疊片完成時都經(jīng)過視覺工業(yè)相機(jī)檢測檢測是否達(dá)到預(yù)先設(shè)置疊片精度，否則進(jìn)行自動調(diào)整，直至達(dá)到預(yù)先設(shè)置精度再進(jìn)行下一步驟。

手動模式中，操作者可選擇任意工位進(jìn)行操作，包括對機(jī)械臂控制、對硅鋼片取放或硅鋼片疊放位置重新選擇。

程序編寫使用軟件為Gx-Works2， 軟件具有簡單工程和結(jié)構(gòu)化工程兩種編程方式， 支持梯形圖、 指令表、SFC、 ST 及結(jié)構(gòu)化梯形圖等編程語言， 可實現(xiàn)程序編輯，參數(shù)設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，程序監(jiān)控、調(diào)試及在線更改，智能功能模塊設(shè)置等功能[9]。

（2）通信程序。主站和各從站采用ModBus-RTU 通信，控制主程序主要在從站PLC 中， 通信端口用電纜連接起來達(dá)到主站對從站控制， 從而使三個工位機(jī)械臂集中控制。 通信程序中， 將16 位字H0 寫入主站PLC 寄存器D8421，設(shè)定主站；將16 位字H10 寫入工位一PLC 寄存器D8421，16 位字H1 寫入PLC 寄存器D8434， 設(shè)定為從站一；將16 位字H10 寫入工位二PLC 寄存器D8421，16位字H2 寫入PLC 寄存器D8434，設(shè)定為從站二；將16位字H10 寫入工位三PLC 寄存器D8421，16位字H3 寫入PLC 寄存器D8434；設(shè)定為從站三。 通過ADPRW 通信指令，將主站的X6 輸入信號寫入從站數(shù)據(jù)寄存器中， 同時從站的各反饋信號也傳入到主站中的寄存器， 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

表3 從站PLC 控制器I/O 分配表

圖5 E 型鐵芯多工位疊片系統(tǒng)工作流程圖

3.2 人機(jī)界面設(shè)計

本文選用優(yōu)控S-500A 觸摸屏作為人機(jī)界面設(shè)計，觸摸屏軟件設(shè)計采用YKBuilder V5.1 編程軟件。 人機(jī)界面中，設(shè)計了以下幾種模式界面：氣泵設(shè)置、手動運(yùn)行模式、自動運(yùn)行模式、信號等待、通訊設(shè)置、電機(jī)設(shè)置。這幾種界面的主要作用是用來設(shè)置系統(tǒng)中各工位機(jī)械臂運(yùn)行速度、鐵芯疊片精度、鐵芯疊片次數(shù)以及對系統(tǒng)在運(yùn)行中進(jìn)行監(jiān)控。

圖6 為自動運(yùn)行模式畫面，A1、A2、A3 分別代表機(jī)械臂X、Y、Z 軸。 畫面包含以下內(nèi)容：①機(jī)械臂關(guān)節(jié)坐標(biāo)實時位置、機(jī)械臂關(guān)節(jié)坐標(biāo)增加量、機(jī)械臂運(yùn)行速度及機(jī)械臂運(yùn)行步數(shù)等畫面記錄； ②系統(tǒng)運(yùn)行、 急停、DI 模式及DO 狀態(tài)顯示一系列指示燈；③循環(huán)、急停和手動 自動虛擬按鈕。

圖6 自動運(yùn)行模式畫面

系統(tǒng)正常運(yùn)行時，指示燈顯示綠色，按下急停，運(yùn)行燈滅，急停指示燈點亮。 DI（數(shù)字信號輸入模塊）模式和DO（數(shù)字信號輸出模塊）狀態(tài)，即開關(guān)量信號，需要外部傳感器配合才可有效觸發(fā)工作。 在圖中DI模式，DO 狀態(tài)燈點亮， 輸出開關(guān)打開，PLC 接入外部傳感器輸入信號， 此時PLC控制機(jī)械臂工作；當(dāng)DO 狀態(tài)燈滅， 此時DO 輸出開關(guān)關(guān)閉，外部傳感器信號被屏蔽，此時機(jī)械臂暫停工作。 人機(jī)界面上設(shè)入DI、DO 模式，可使機(jī)械臂有規(guī)律、連貫性的工作，防止機(jī)械臂撞機(jī)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的一種應(yīng)用于E 型變壓器鐵芯生產(chǎn)的自動疊片機(jī)器人，采用基于機(jī)器視覺的離縫檢測方案，并利用國產(chǎn)PLC 板進(jìn)行自動化程序設(shè)計，控制精度高，具有良好的操控性， 進(jìn)一步提高了自動化E 型變壓器鐵芯生產(chǎn)效率，大大節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)人工成本，適合廣大變壓器廠商使用。