PLC在黄金饰链自动化设备控制系统中的应用.pdf

务l 訇 似 P L C 在黄金饰链 自动化设备控制系统中的应用 Appl i cat i on o f PL C i n cont r oI s y st em of aut om at ed pr oduct i on equi pm ent f or j e we l l e r y g ol d c h a i n s 王立新 ，王书付’ ，秦文超 。 ，何凯 ，叶伟洪 、 ／ ANG L i x i n ’ ． - 。＼ ／ ＼ ／ ANG Sh u - f u ’ ，QI N We n ． c h a o ‘ ，HE Ka i ，YE We i - h o n 9 。 1 ． 深期I 市精密工程重点实验室 中国科学院深圳先进技术研究院，深圳 5 1 8 0 5 5 ；2 ． 河北工业大学机械工程学院，天津 3 0 0 1 3 2 ；3 ． 燕山大学机械工 程学院，秦皇岛0 6 6 0 0 4 ；4 ． 香港中文大学 香港；5 ． 深圳市百泰珠宝首饰有限公司，深圳 5 1 8 0 2 0 摘要本文针对自主开发的六角佛珠黄金饰链自动化生产设备，设计了一套基于可编程控制器 P L C 的控制系统，该系统融合 了视觉定位、伺服驱动和人机交互等技术 ，实现了六角佛珠的上 料、塞圈、焊接、数据采集、视频监视、声光报警等功能。从机械系统结构、控制系统硬件 搭建、控制系统软件设计、报警系统、通信等方面进行了详细的介绍。该设备运行可靠、参 数调节方便、监控界面清晰，解决了现有黄金首饰自动化加工过程中工序繁多、检测困难、 自动化程度低、产品一致性差的问题。 关键词P L C控制；黄金饰链加工；实时监控 中圈分类号T P 3 1 1 文献标识码 B 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 3 0 9 下 -0 1 4 3 -0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 l／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 9 下 ． 4 3 0 引言 黄金珠链是最普遍 的黄金珠 宝首 饰，珠 宝首 饰加工企业一般都把它作为主要产品之一 ，据我 国珠宝首饰行业统计 ，2 0 1 1 年我国的黄金 消费量 5 7 1 ． 5 1 t ，其中六角佛珠黄金珠链占约1 5 0 t 。而如 此规模 的首饰加工 ， 目前却主要依靠手工加工为 主 。手工加工过程如图1 所示 ，先用金线在型芯上 绕 出螺旋线 ，然后再手工剪切成2 ／ 3 圆弧 ，再手工 塞环至六角佛珠的两端 ，然后碰焊形成六角佛珠 链的单元体结构 ，在连接成链 。手工加工工艺 过 程如图1 所示。 图1 六角佛珠饰链单歹 体加工工艺 此种加工工艺 ，效率 比较低，螺旋 缠绕成型 法所成 的连接环有一定 的螺旋角不利于塞环的稳 定性 ，增加 了焊接 的难度 ，且单体连接成链时影 响饰链的美观 。其手工焊接更是使饰链的牢固性 没有保证 ，焊接工艺对工人 身体健 康也 有一定的 伤害。 本文针对 千足金六 角佛珠饰链设计 了一套基 于可编程控制器 P L C的黄金饰链 自动化设备 。 采用视觉定位技术进行信号采集，用P L C 作为控制 核 心、触摸屏作为人性化的人机 交互界面和状态 监控 ，并结合三者的优势设 计了一套简洁 、可靠 的联合控制系统 。使用该设备加工六角佛珠饰链 的单元体，产品一致性好，焊接处的牢固可靠，表 面质量光滑，有利于后处理，生产效率有所提高。 1 机械系统的结构和工作流程 机械系统结构分为四个工位一工位六 角佛 珠上料 ；二工位 装夹 ；三工位 金线上料 、双 侧连接环的成型 、塞环和焊接 ；四工位卸夹和下 料 。机械系统结构如 图2 所示。 图2 机械系统结构图 收稿日期2 0 1 3 -0 7 - 0 4 基金项目深圳市科技研发资金深港创新圈项目黄金饰链自动化加工成套工艺及装备 J S E 2 0 1 0 0 7 2 0 0 0 4 4 A 作者简介王立新 1 9 8 4一，男，黑龙江齐齐哈尔人，研究生在读，研究方向为并联机构与设备和自动化控制。 第3 5 卷第9 期2 0 1 3 0 9 下 [ 1 4 3 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 违 匐 化 成型部分采用气缸驱动的模具成型 ，内膜分 上 下两 部分 ，方 便夹 取和 塞环 。外膜 有两 个功 能 ，一是剪切金线，二是前压成型 。此种成型方 式所成的连接环比螺旋缠绕法所成的环平整 ，工 艺性更 良好。 焊接 中焊 台位置调节 由伺服 电机驱动的两 自 由度工作平台实现 ，焊针摆动角度 由一个气缸驱 动 四杆机构完成。焊丝一组橡胶轮调直后 ，由气 缸驱动一弹性机构经 间歇上料，六角佛珠 由两 自 由度机械手配合振动盘 自动上料 。整套 系统动作 由三个电机、三十五个气缸驱动完成。 机械系统的工作流程 各工位独立运作，全 部完成时大盘转动进入下一个工作循环 。当只需 要环成型时 ，三工位也可独立完成成型任务 ，实 现一机多用。 2 控制系统的硬件设计 控制系统的硬件包括视觉识别 系统、P L C、触 摸屏、电磁阀、传感器 、及光敏 测距仪等 。整套 控制系统的硬件组成如图3 所示。 光电开关 l l 传感器 l l 视觉定 松 下 P L C 驱 1 l 继 电 器 l l变 1 伺服 电机 气动 系统 大盘 电机 图3 控制 系统 的硬件组成 P L C是 系统的核心控制器 。本 系统采用松下 F P P X C 6 0 T 微小型P L C 作为主站 ，同时通过专用 扩展 电缆连接两台F P P X E 3 0 R型P L C，主站P L C 上连接两路F P P X I N8 型输入扩展插卡。P L C与各 个模块通信方式利用传感器采集信号通过开关 量输入给P L C的输入继电器；通过RS 一 2 3 2 串行接 口与视觉识别 系统通信；通过US B通用接 口与触 摸屏通信； 另外焊机 的电源和碰焊开关通过P L C 输 出继 电器控制 中间继电器 完成 ，以减少焊 接大 电 流对控制系统稳定性的影响。 机械 系统通过光 电开关、位置传感器和磁性 传感器等把位置、角度信号送入P L C。然后P L C 经 过计算后发 出指令 ，由电动和气动共 同驱动机械 系统 完成相应的指令动 作，同时视觉识别协 同各 1 1 1 第3 5 卷第9 期2 0 1 3 0 9 下 个传感器共 同监视机械动作的完成情况及时反馈 给P L C。机械动作完成后，进行焊接，此时视觉识 别进行识别焊接情况 ，及时反馈给P L C。 本设备选用WE I N VI E W公司的T K 6 0 7 0 i H触摸 屏 。为方便调试和现场维护 ，触摸屏中集成 了手 动 、自动等多个工作模式 ，每个机械系统模块也 可单独控制，便于 系统调试 ，在工作时，通过触 摸屏和P L C的配合控制可使每个工位中的模块都可 以单独的工作 ，适应性更强。 同时 、触摸屏实时监控系统传感器 、电机 、 焊机等部件工作状 态，通过读取各个寄存器 的状 态然后按照机械动作 的流程编排出监控流程 图， 当系统 出现异 常状态时 ，可迅速诊 断故障原 因并 给出人工操作建议 。 报警 系统的设计使功能更加可靠，本系统 中传 感器信号异常或是视觉识别分辨 出有异常动作时都 会及时向P L C 发 出警告信号，P L C 及时控制系统停 止动作 ，并且同时输出声光共同报警信号 ，提示工 作人员处理事件。同时报警系统会通过错误情况代 码翻译错误信息然后显示在触摸屏的报警界面。 3 控制系统的软件设计 利用松下公司提供的专用P L C软件完成梯形 图程 序的编写 ，梯形 图逻辑清晰 更能适应复杂的 机械动 作，同时 由于贵金属首饰焊接采取碰焊方 式 ，此焊接方式对焊针尖端和被焊 接点的相对位 置要求很高，为 了得到高质量的焊接产 品，系统 要实现 对焊接 中的每步动作、每个工艺参数的严 格控制 。焊后还需将参数 ，包括工艺参数及环境 参数加以保存 ，并进行评判和优化 。 3 ． 1 P L C 程序 首先利用梯形图的逻辑 清晰优点实现机械 系 统的动作要求。没个工位独立编程 ，独立运行 ， 独立监控 。运行流程框图如图4 所示。 图4系统运行框图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 匐 似 一 工位 六 角佛珠 的上料 ，光敏传感器检 测 料槽内是否有料，将检测信号反馈给P L C，然后控 制上料机械手将六 角佛珠送到治具 中，检 测成功 后将信号反馈给P L C。 二工位 P L C 控制电磁 阀，由气缸推动肘夹夹 紧六 角佛珠 。同时位置传感器检 测肘 夹位置 ，将 装夹成功的信号反馈给P L C。 三工位 此工位是设备核心工位 ，承担着金 线上料 ，剪切 、成 型，夹取 ，塞环 ，焊 接的多项 任务。 系统 中采取 多种方式进行检 测、监控 。由位 置传感器光敏开关和视觉识别定位技术等配合 完 成 。 位 置传感器主要检测气缸执行情况 ，视觉 识 别系统 有两个主要 的任务 一是 成型和组 装的判 别；二是通过关键 点的坐标识 别，然后通过给 定 算法计算 ，再将结果反馈给P L C，最后控制电机驱 动焊针到指定的适合焊接的位置 。 环形状及塞环动作过程示意图如 图5 所示，图 中省略结构部分仅画出焊针和工件的示意图。 图5 环形状及塞环动作过程示意 图 首 先 判 断成 型是 否 合格 ，通过 摄 像头 观 测 成型 完成 的环形 工件关键 点 1 、2 、3 ，记坐 标为 l x 1 ， Y 1 、2 x 2 ， Y 2 、3 x 3 ， Y 3 。计算成型误差 f √ 3 一 I 。 x 一 s 。 D i i ≤ ． 7 一 z 一 z ≤ ； 2 式 2 中 D 为理 想成 型 的环 的 外 直 径 6 ， 、 6 为合格塞环的上下极限误差。 式 2 成立即塞环合格。成型和组装合格后 开始焊接 ，本设 备采 用的是碰焊焊接方式 ，此种 焊接方法对焊针和焊接点 的相对位置要求严格 。 要求焊 针与工件 的端面 角度 ；要求焊针尖端 与工 件焊接 点的距离的误差在 5 mm内。并且随着焊 接的进行焊针 由于高温熔化逐渐变短 ，所以需要 随时调节焊针的位置和姿态 。焊针可在伺服 电机1 的驱动下绕图中的关键点8 为安装在工作台上的 机械轴 心旋转 ，工作 台是在焊接平面内的两 自 由度平 台。靠伺服 电机2 、3 驱动 。 图中省略 结 构部分仅画出焊针和工件的示意图 焊接时有四个 点需要焊 接，本文以关键点 五 为焊接 点进行说明 。采集关键点4 、5 、7 、8 位置 信息 。记为4 x 4 ， Y 、5 x 5 ， Y 5 、7 x 7 ， Y 7 、8 x 8 ， Y 8 。 然后按下式运算给 出驱动焊台和旋 转焊针 的电机 的参数 第一步检验六角佛珠一致性 一 s 毒一 5曼 妄 3 第 二 步计 算 焊针 与理 想 焊 接角 度之 间的偏 差 D T 一t a n Y B 一- Y T 4 第三步计算焊针尖端 与工件待焊接点之 间的 位 置偏 差 f D s 一 ； - }_ f r t D 溉 一 y f 式 中 X ’ ，Y ’ 摆动 后从新读取关键点7 的 f 吼 √ y 1 一 y 3 。 i x 3 。 一 2 位置 } √ _ 了 _ i 一 。 式 1 中 6 、 6 为不同类型和不同型号 的环形工件所给定的成型上下极限误差值 f 为标准成型的尺寸 当所 测关键 点坐标符合上式时认为环形工件 为合格工件 ，再控制塞环执行机构动作 。当塞环 动作结束后，采集关键点4 、5 、6 的坐标信息，分 别记为4 x 4 ， Y 4 、5 x 5 ， Y 5 、6 x 6 ， Y 6 。然后按式 2 计算塞环动作是否合格 信息 6 六角成型的极限误差 DT 伺服转动所需要输 出的脉冲数 0 第i 个需要焊接的点与焊针的标准夹角 k 伺服转动一次所需的脉冲数 D T x 方向伺服所需要输出的脉冲数 DT y y 方向伺服所需要输出的脉冲数 x ； 第i 个需 要焊 接的点到标 准焊接时焊针 的 位置的x 补偿值 Y 第i 个需要焊 接的点到标 准焊 接时焊针 的 位置的y 补偿值 第3 5 卷第9 期2 0 1 3 - 0 9 下 [ 1 4 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m