基于PLC的單焦點(diǎn)鏡片分選機(jī)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

潘 歡

（速波機(jī)器人無錫有限公司，江蘇 無錫 214151）

0 引言

隨著自動(dòng)化[1]在生產(chǎn)制造業(yè)中的普及發(fā)展，傳統(tǒng)行業(yè)逐漸朝著自動(dòng)化生產(chǎn)的方向轉(zhuǎn)型。生產(chǎn)廠商只有提高了生產(chǎn)中的自動(dòng)化程度才能大幅度地提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。在自動(dòng)化程度較低的眼鏡片檢測分選行業(yè)，鏡片的分選打包主要還是通過人工來完成。人工對(duì)眼鏡片打包分選不僅需要投入較多的人力資源，而且重復(fù)的勞作難免會(huì)產(chǎn)生分選偏差，導(dǎo)致最終產(chǎn)品無法滿足要求。

為了解決目前眼鏡片檢測分選[2]行業(yè)所遇到的這些問題，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于PLC控制的單焦點(diǎn)鏡片[3]分選機(jī)。從降低人力成本，提高生產(chǎn)效率方面改善了行業(yè)現(xiàn)狀，提高了行業(yè)自動(dòng)化程度。

本文主要從電氣控制方面的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，介紹了單焦點(diǎn)鏡片分選機(jī)的設(shè)計(jì)過程及達(dá)到的運(yùn)行效果。

1 設(shè)備工藝要求

單焦點(diǎn)鏡片分選機(jī)主要針對(duì)的是市場上普遍使用的單焦眼鏡片進(jìn)行分選打包，包含近視眼鏡片和老花眼鏡片以及其他需要測量鏡片度數(shù)的功能性單焦眼鏡片。分選依據(jù)參數(shù)主要為鏡片厚度值、鏡片度數(shù)值、鏡片散光值。用戶可以根據(jù)客戶具體需求，在基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[4]與相機(jī)視覺系統(tǒng)[5]的配合下，對(duì)眼鏡片進(jìn)行分選打包以及是否需要增加棉紙的操作，同時(shí)在包裝袋上打印對(duì)應(yīng)的鏡片參數(shù)。分選機(jī)設(shè)備提供28種分選類型放置口，分倉規(guī)則自由度高，足以滿足大多數(shù)客戶需求。

單焦點(diǎn)鏡片分選機(jī)具有手動(dòng)操作模式與自動(dòng)操作模式2種運(yùn)行模式供使用者選擇。

1.1 手動(dòng)操作模式

手動(dòng)操作模式可以對(duì)分選機(jī)的單體進(jìn)行單獨(dú)控制，例如氣缸的動(dòng)作控制，伺服電機(jī)單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行、定位運(yùn)行、回原點(diǎn)等控制操作，步進(jìn)電機(jī)的單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行、定位運(yùn)行、回原點(diǎn)等控制操作。操作員可以在人機(jī)界面上觀察系統(tǒng)當(dāng)前的手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)與動(dòng)作情況，方便調(diào)試和故障排查。

1.2 自動(dòng)操作模式

自動(dòng)操作模式下對(duì)上料方式進(jìn)行了分類，主要分為自動(dòng)上料以及手動(dòng)上料方式。自動(dòng)上料使用標(biāo)準(zhǔn)托盤進(jìn)行眼鏡片的上料，手動(dòng)上料模式適用于其他非標(biāo)準(zhǔn)托盤進(jìn)行上料分選。自動(dòng)操作邏輯的簡易流程如圖1所示。

圖1 自動(dòng)操作模式流程

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

單焦點(diǎn)鏡片分選機(jī)設(shè)備按照功能要求，機(jī)械方面將結(jié)構(gòu)劃分為自動(dòng)上料區(qū)、手動(dòng)上料區(qū)、鏡片檢測區(qū)、包裝袋準(zhǔn)備區(qū)、鏡片打包區(qū)5個(gè)功能分區(qū)。設(shè)備整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單焦點(diǎn)鏡片分選機(jī)設(shè)備

（1）自動(dòng)上料區(qū)，主要負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)托盤中的眼鏡片自動(dòng)上料動(dòng)作。

（2）手動(dòng)上料區(qū)，主要負(fù)責(zé)其他托盤眼鏡片的手動(dòng)上料動(dòng)作。

（3）鏡片檢測區(qū)，主要負(fù)責(zé)對(duì)眼鏡片的厚度、焦度、散光等參數(shù)的測量記錄動(dòng)作，以及自動(dòng)調(diào)焦動(dòng)作。相機(jī)視覺系統(tǒng)利用通訊的方式采集焦度計(jì)[6]測量的鏡片度數(shù)散光等參數(shù)，根據(jù)事先設(shè)置好的分倉規(guī)則進(jìn)行內(nèi)部預(yù)處理分類。

（4）包裝袋準(zhǔn)備區(qū)，主要負(fù)責(zé)鏡片包裝袋的上料，測量參數(shù)的打印準(zhǔn)備，包裝入袋準(zhǔn)備動(dòng)作。

（5）鏡片打包區(qū)，主要負(fù)責(zé)把包裝完成的眼鏡片按照預(yù)先設(shè)定的分倉規(guī)則，進(jìn)行入柜放置的動(dòng)作。

2.2 電氣設(shè)備

單焦鏡片分選機(jī)控制核心采用基恩士PLC，電機(jī)控制方式采用安川MECHATROLINK－II通信[7]協(xié)議與安川伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制數(shù)據(jù)通訊?？偩€的方式控制伺服和步進(jìn)的運(yùn)動(dòng)不僅可以大幅減少配線的工作量，而且還提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。基恩士KV－ML16V省線型定位運(yùn)動(dòng)單元采用MECHATRO?LINK－II協(xié)議，最大支持16軸位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制等控制方式[8]。設(shè)備主要電氣設(shè)備選型如表1所示。

表1 主要電氣設(shè)備選型表

2.3 電氣原理圖

單焦點(diǎn)鏡片分選機(jī)電氣原理圖使用AutoCAD軟件進(jìn)行繪制，主電源使用220 V交流電對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行供電，系統(tǒng)輔助電源使用480 W的24 V開關(guān)電源供給。電源系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 設(shè)備電源系統(tǒng)原理

基恩士輸入輸出模塊接線方式采用了MIL連接器34針進(jìn)行連接，因此設(shè)備中選用IDC 34中繼端子臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)接，只要將就近的磁性開關(guān)，傳感器等外部信號(hào)接到對(duì)應(yīng)的中繼端子臺(tái)上就可以與PLC之間進(jìn)行有效信號(hào)交互。這樣不僅減少了線纜的使用，同時(shí)還降低了后續(xù)維護(hù)人員排除設(shè)備故障的時(shí)間。部分中繼端子臺(tái)接線如圖4所示。

圖4 設(shè)備部分端子臺(tái)接線

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 基恩士PLC程序

基恩士PLC型號(hào)選用的是KV－7000系列的KV－7500，KV－7500具有超高速CPU內(nèi)部總線，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制的高速化、高精度處理。PLC內(nèi)部程序分為輸入點(diǎn)刷新、啟動(dòng)處理、通訊處理、設(shè)備單體控制處理、自動(dòng)上料區(qū)邏輯、鏡片檢測區(qū)邏輯、鏡片打包區(qū)邏輯、鏡片入柜區(qū)邏輯、加棉紙程序邏輯、報(bào)警處理、定位控制、輸出點(diǎn)刷新。

（1）輸入點(diǎn)刷新與輸出點(diǎn)刷新。輸入點(diǎn)刷新邏輯和輸出點(diǎn)刷新邏輯都是用于處理外部信號(hào)的轉(zhuǎn)接，方便于后續(xù)外部信號(hào)點(diǎn)位的變更。

（2）啟動(dòng)處理。啟動(dòng)處理邏輯用于設(shè)備上電后的一系列初始化處理，例如設(shè)備初始上電后電機(jī)回原點(diǎn)操作、相機(jī)初始化操作、氣缸初始位置檢測操作、設(shè)備異常檢測等。

（3）通訊處理。通訊處理用于處理PLC與相機(jī)視覺系統(tǒng)之間的通訊邏輯，PLC與相機(jī)之間采用TCP的方式進(jìn)行通訊。通訊內(nèi)容包含相機(jī)拍照結(jié)果、眼鏡片分倉等級(jí)結(jié)果、相機(jī)工作狀態(tài)等。通訊處理部分程序如圖5所示。

圖5 通訊處理部分程序圖

（4）設(shè)備單體控制處理。設(shè)備單體控制邏輯用于批量處理單體設(shè)備的控制，主要涉及氣缸的手、自動(dòng)運(yùn)行，手動(dòng)與自動(dòng)模式之間切換運(yùn)行，調(diào)速電機(jī)的手自動(dòng)單獨(dú)啟停控制。

（5）自動(dòng)上料區(qū)邏輯。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行前會(huì)自動(dòng)檢測上料模式，如果用戶選擇了自動(dòng)上料模式，同時(shí)自動(dòng)上料區(qū)托盤就緒時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)后會(huì)進(jìn)入自動(dòng)上料狀態(tài)。自動(dòng)上料區(qū)邏輯用于處理托盤的自動(dòng)上下料，將托盤中的鏡片轉(zhuǎn)移至后續(xù)檢測區(qū)進(jìn)行檢測。

（6）鏡片檢測區(qū)邏輯。鏡片檢測區(qū)用于檢測眼鏡片的厚度、鏡片的散光、鏡片的度數(shù)等相關(guān)參數(shù)。在測量過程中，相機(jī)視覺系統(tǒng)會(huì)將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給紙袋打印機(jī)進(jìn)行打印紙袋操作，將測量等級(jí)消息發(fā)送給PLC進(jìn)行后續(xù)分倉操作。

（7）鏡片打包區(qū)邏輯。鏡片打包區(qū)主要包含包裝紙袋的上料、包裝紙袋的打印與準(zhǔn)備操作。當(dāng)眼鏡片進(jìn)入檢測區(qū)后，包裝袋就進(jìn)行上料操作，等待相機(jī)測量參數(shù)的傳遞；在收到相機(jī)通過以太網(wǎng)發(fā)送過來的打印參數(shù)后，打印機(jī)進(jìn)行打印操作，打印完成的紙袋會(huì)進(jìn)入打包準(zhǔn)備位置，為后續(xù)的鏡片入袋做好準(zhǔn)備。

（8）鏡片入柜區(qū)邏輯。根據(jù)相機(jī)視覺系統(tǒng)測量結(jié)果，按照用戶事先設(shè)置好的分倉規(guī)則，對(duì)當(dāng)前需要分類的眼鏡片進(jìn)行對(duì)應(yīng)的分倉操作，將其放置到正確的規(guī)則倉中。

（9）加棉紙程序邏輯。針對(duì)一些不含棉紙的包裝袋，而鏡片又需要增加棉紙來保護(hù)表面不受磨損的情況。單焦點(diǎn)鏡片分選機(jī)添加了自動(dòng)加棉紙的功能，只要用戶運(yùn)行前選擇了加棉紙模式，設(shè)備就會(huì)在正常的檢測包裝工序中增加一道加棉紙的工序流程。加棉紙部分邏輯程序如圖6所示。

圖6 加棉紙部分邏輯圖

（10）報(bào)警處理。報(bào)警處理邏輯對(duì)設(shè)備各個(gè)分區(qū)的報(bào)警進(jìn)行處理，報(bào)警類型包含氣缸未到位異常報(bào)警、打印異常報(bào)警、工位殘料報(bào)警、伺服異常報(bào)警等。具體的報(bào)警信息會(huì)在觸摸屏中顯示出來，同時(shí)報(bào)警指示燈閃爍，蜂鳴器響，通過聲光報(bào)警的方式來提醒使用者設(shè)備處于異常運(yùn)行當(dāng)中。

（11）定位控制。定位控制邏輯用于批量處理伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)回原點(diǎn)，手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行控制和定位運(yùn)行控制。

3.2 人機(jī)界面交互設(shè)計(jì)

單焦點(diǎn)鏡片分選機(jī)使用觸摸屏來進(jìn)行人機(jī)交互，主要用于設(shè)備使用人員對(duì)分選機(jī)進(jìn)行正常操作、故障排除、參數(shù)設(shè)置。豐富的人機(jī)交互內(nèi)容可以讓使用者對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況更加熟悉，可以快速讓分選機(jī)達(dá)到投入生產(chǎn)的狀態(tài)。

觸摸屏型號(hào)選用昆侖通態(tài)10寸觸摸屏[9]TPC1061Ti。觸摸屏界面主要分為主界面、操作界面和報(bào)警顯示界面。主界面用于顯示分選機(jī)整體狀態(tài)、手自動(dòng)運(yùn)行模式選擇、手自動(dòng)上料方式選擇、設(shè)備啟停等操作；操作界面主要用于操作人員在手動(dòng)運(yùn)行模式下，對(duì)分選機(jī)的單體設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作，例如氣缸的運(yùn)動(dòng)檢測，伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的定位位置調(diào)整；報(bào)警界面用于顯示設(shè)備產(chǎn)生的異常報(bào)警內(nèi)容，便于使用者排除設(shè)備故障。觸摸屏中的部分界面截圖如圖7所示。

圖7 聯(lián)動(dòng)測試界面

4 結(jié)束語

本文主要從電氣設(shè)計(jì)方面介紹了基于PLC的單焦點(diǎn)鏡片分選機(jī)，從電氣設(shè)備選型、原理圖的繪制、基恩士PLC程序的編寫、觸摸屏界面的設(shè)計(jì)等方面整體展示了分選機(jī)的開發(fā)過程，展示了設(shè)備整體的功能情況及應(yīng)用場景。

單焦點(diǎn)鏡片分選機(jī)的開發(fā)使用，極大地提高了鏡片檢測分選行業(yè)的自動(dòng)化程度，降低了企業(yè)人力成本投入，對(duì)企業(yè)的發(fā)展有著積極的作用。但是單焦點(diǎn)鏡片分選機(jī)主要針對(duì)的分選類型是常見的單焦點(diǎn)眼鏡片，對(duì)于多焦點(diǎn)的眼鏡片還需開發(fā)其他設(shè)備進(jìn)行分選檢測，這也是后面需要研究和探討的開發(fā)方向。