基于电子、气动技术和CANopen总线的膜盒柔性自动化装配系统设计.pdf

2 0 1 2年 4月 第4 0卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS Ap r ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 7 ． 0 2 9 基于 电子 、气动技术和 C A N o p e n总线的膜盒柔性 自动化装配系统设计 陈 水金 华南理_ Y - 大学机械与汽车工程 学院，广东广州 5 1 0 6 4 0 摘要 基于气动技术、电子技术及数字控制技术的柔性装配是精密仪器仪表制造及装配中的核心技术。针对流水线式 变送器膜盒的自动化装配工艺，提出切实可行的柔性 自动装配方案，设计并优化各模块气动机械手和电、气结合机械手， 并根据装配系统工艺要求设计了可靠的电、气结合的柔性装配系统 ；基于软P L C和 C A N o p e n总线协议 ，设计 I ／ O从站并实 现了高精度自动化装配分布式现场总线控制系统 ，为精密仪器仪表柔性装配应用提供了参考。 关键词气动机械手；电气机械手；柔性装配；C A N o p e n总线；软 P L C 中图分类号T H 1 2 2 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 7～ 0 9 2 4 De s i g n o f Fl e x i bl e a nd Aut o ma t i c As s e mbl y o f Ca ps u l e Ba s e d o n CANo p e n Bus ，Pn e uma t i c a nd El e c t r i c Te c h no l o g y C HE N S h u i j i n S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g ， S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 6 4 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e fl e x i b l e a s s e mb l y b a s e d o n p n e u ma t i c ，e l e c t r i c a n d d i g i t a l c o n t r o l t e c h n o l o g i e s i s o n e o f k e y a p p r o a c h e s f o r t h e f a b ri c a t i o n a n d a s s e mb l y o f p r e c i s i o n i n s t r u me n t s a n d a p p a r a t u s ．Ai mi n g a t t h e p i p e l i n e a u t o ma t i c a s s e mb l y t e c h n o l o g y o f t r a n s mi t t e r c a p s u l e i n i n s t ru me n t s ，a f e a s i b l e a p p r o a c h for f l e x i b l e a n d a u t o ma t i c a s s e mb l y w a s p r e s e n t e d ．T h e p n e u ma t i c a n d e l e c t r i c ma n i p u l a t o r s o f e a c h mo d u l e we r e d e s i g n e d a n d o p t i mi z e d ．A r e l i a b l e f l e x i b l e a s s e mb l y s y s t e m wa s d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e p r o c e s s r e q u i r e me n t o f p r a c t i c a l a s s e mb l y s y s t e m．T h e I ／ O s l a v e s t a t i o n s a n d h i g h p r e c i s i o n d i s t ri b u t e d fi e l d b u s c o n t r o l s y s t e m o f a u t o ma t i c a s s e mb l y we r e d e s i g n e d b a s e d o n s o f t P L C a n d C ANo p e n b u s p r o t o c o 1 ．T h i s wo r k p r o v i d e s a n i mp o r t a n t r e f e r e n c e for t h e d e s i g n o f fl e x i b l e a s s e mb l y a p p l i c a t i o n i n i n s t r u me nt a l i nd u s t r y． Ke y wo r d s P n e u ma t i c ma n i p u l a t o r ；El e c t r i c ma n i p u l a t o r ；F l e x i b l e a s s e mb l y ；C ANo p e n b u s ；S o f t P L C 智能精密仪器仪表集模块化、智能化 、集成化 、 软硬件通用化等于一体 ，是我国工业体系发展的重要 组成⋯。先进的数控精密加工技术 、数字信号处理技 术和高速数字信号处理器的发展是精密仪器仪表发展 的基础，是发展现代化工业装备及其测控系统的核 心 。当今 ，精密仪器仪表正 向低成本 、高精度 、智能 化、模块化等方向发展。然而精密装配技术大大地制 约其 发展 ，装配成本及装 配精 度是制 约其发 展的主要 因素。发展高效的 自动化柔性精密仪器仪表装配系统 是顺应发展智能化精密仪器仪表的重要举措。针对多 样化精密仪器仪表市场 ，对其柔性 自动化装配提出更 高的要求。基于气动技术 、电子信息技术及数字控制 技术发展气动机械手作为实现柔性装配的重要手段之 一 ，可节省生产成本。目前，基于气动技术、智能控 制技术等多工位气缸 、数字步进电缸 等设备的 发展，为柔性组装发展提供了重要保障。电气结合具 有低成本 、结 构简单 、灵活 结合、易于控 制 等优 点 ，广泛地应用于工业控制。基于局域现场分布式 控制系统 C A N o p e n总线及 软 P L C的新技 术 ，为 自动 化装配 控制提 供更便 捷 的设 计。C A N o p e n是基 于 C A N串行总线系统和应用层 C A L的高层协议 ，也是 一 个标准的嵌入式网络的灵活配置的开放式协议，由 物理层、数据链路层及应用层组成 。其具有信息传 递实时、可靠、互换好 等优点，广泛应用于医疗设 备、工程机械、电控系统、公共交通、自动化系统等 各个领域 。基于此 ，针对变送器膜盒 自动化装配工 艺 ，作者提 出切实可行 的柔性 自动装 配方案 ，分析并 优化膜盒装配系统结构 ，根据装配系统工艺要求设计 了可靠的装配气动控制系统；并采用 C A N o p e n总线 及软 P L C，设计 I ／ O从站和 自动化装 配控制 系统 ，为 精密仪器仪表柔性装配应用提供了重要的参考。 1 柔性装配工艺分析 作者旨在实现通过 4个螺栓和 2 个夹块把电容式 传感器夹紧并以一定的扭矩拧紧螺栓的自动化装配过 收稿 日期 2 0 1 l o 4～ 0 2 作者简介陈水金 1 9 8 4 一 ，男， 硕士，主要从事机电一体化研究。E ma i l s h u ij i n ． c h e n ma i l ． s c u t ． e d u ． C B 。 第 7期 陈水金基于电子 、气动技术和 C A N o p e n总线的膜盒柔性 自动化装配系统设计 9 5 流阀并联单向阀构成的排气调速，其调速结构简单， 效果好。各个气缸的驱动由相对应的二位五通单电控 弹簧复位的电磁阀驱动。1 D T _ _ 9 D T为相应电磁阀驱 动对 应的地址 ，电磁阀的驱动 电压 比较大 ，通过 I ／ O 控制模 块驱动相应 电磁继 电器来驱动电磁阀。模块化 设计 ，控制简单、易于维护。 6 6 D L f 7 D 一 I 8 D L f 9 D T z L 缸 巡 4一 螺杆 固 定水 平气 缸 s一螺 母 螺杆 机械 手 垂直 气缸 l I十 J T 6一 螺母 螺 杆机 械手 垂 直气 缸2 7一 螺母 、 螺杆 平行 气 、f L j 爪组 合气 缸 ＆__传 感器 、夹块 摆 动平 行气 爪 组合 气 缸 L L．__二一--j 5 C A N o p e n总线控制设计 5 ． 1 C A N o p e n协议 及 软 P L C简述 C A N o p e n 是 C i A协会 基 于 C A N协 议 提 出的更 高 层的应用层协议 ，其设备模块主要由通信接 口、对象 字典和应用程序 3 个模块组成。通信对象是各模块通 讯主要手段，其核心是对象字典。C A N o p e n网络中， 对象字典与节点是一一对应。它描述能信数据类型、 通信对象和应用对象，是响应程序的接 口 。对其进 行操作可实现通信、控制或数据传输等功能。C A N o ． p e n协议还提供了管理报文 N MT 、服务数据 S D O、过 程数据 P D O、预定义报文或特殊功能等4种对象 ，以 更好实现网络管理和配置。而新兴的软 P L C技术是 以 P C机为硬件平 台 ，通过 软件实现 与标 准硬件 P L C 相同功能，即将 P L C的功能通过软件来实现。它具 有 硬件 P L C功能和 P C优点 。 5 ． 2 I ／ 0从 站 的硬 件设 计 为了控制各个模块 的气动驱动 的电磁 阀 、行程 开 关 和检测开关 ，需配置大 量 I ／ O 。为 了方便 控制 、维 护及 与 4个 电动 控制 通讯 ，采 用基 于 C A N o p e n总线 协议的从站设计，实现对各模块气缸及开关量进行控 制 ，如图 1 0 、1 1 所示 。 图 1 0 C A N o p e n从站设计部分电路图 文 中通过基于 C i A D S 3 0 1 V 4 ． 0 2标准 的 C A N o p e n 从站协 议转 换模 块 X G a t e ． C O P 1 0 、C T M8 2 5 1 T高速 C A N隔离收发器 、微控制器及外围设备实现装配系 统的 I ／ O从站设计。总共有 9 6字节的输入缓存和 9 6 字节的输出缓存，该设计中只有2 4路数字输入和 1 5 路数字输出的实时数据需要传输，因此只需要分别占 用 3 个和2个字节的缓存。通过 D I P开关实现波特率 和节点 I D的实现。 M C U l 1 2 c t l ／0 模 块l vdd 上 电 r s t 1／ 光 复位 电 外 围 I／ O 时 钟 X T A L 1 ／1 鹭 驱 动 电 路 c A 外 设 ⋯ 电路 XT AL 2 v dd RXD ● I／ 1 J ＼ l ， 、 T X D - - 1 C O P l0LL 口 2 5 Ⅲ 1T 图 1 1 C A N o p e n从站设计结构框图 5 ． 3 装配系统控制设计 膜盒 自动化 装配 的控制 系 统 采用 基 于 C A N o p e n 总线协议主 一从式 的分布式现场总线 网络结构 ，主要 实现系统的数据实时传输和控制功能。如图 1 1 所示， 以 3 S公 司的 C o D e S y s 软件 平 台 的软 P L C作为 主站 ， 配置 P C ． C A N总线适配卡、各模块从站及从站设备 ， 通过设置相应的波特率、从站地址实现分布式现场总 线的整体设计。而通过控制相应的P D O和 S D O过程 对象来实现数据能信及装配工艺控制。 P c Co De S y s 软 P LC P C CAN适配 卡 A , N - H l l I l l l l N- Ll l l l l I I l C A N o p e n l C A N o p e n C A N o p e n C A N o p e n 从站1 l 从站2 从站3 从站4 l 螺母、螺 螺母、螺 传感器、夹 { } 气动帕吸检1 杆机械手 杆机械手 块机械手 测控制模块1 电气驱动 1 电气驱动2 电气驱动1 图 1 2 局域分布式现场装配控制系统结构框图 下转第 1 2 8页 豪 1 2 8 机床与液压 第 4 0卷 夹爪气缸的工作原理 通过电磁阀来控制各工位 夹爪气缸按需要进行工作 。当电磁 阀打开 时 ，手 动阀 控制气缸向上动作 ，打开手动阀，夹爪气缸张开；当 电磁阀关闭时，手动阀控制气缸向下动作，离开手动 阀 ，手动阀复位 ，夹爪气缸夹紧 。 4各工位说明 4 ． 1 镜片 自动进料 如 图 8所 示 把 镜 片 流入 或 放 入 进 料 输 送 带 中，通 过 进 料 输送 带 及 前 端 抛 动 轮 的作 用 ，使 每 一 片 镜 片顺 利 地 进 入 举 片 托 盘 ，当 举 片 托 盘 感 应 到有 镜 片 时 ，进 料 输 送带停 止工作 ，夹爪 气 缸 张 开 ，举 片 气 缸 上举 镜 片 到 张 开 的 夹 举 片托 盘 送带 图 8 自动进料工作原理简图 爪气缸中，夹爪气缸夹紧镜片后 ，举片气缸向下动作 并复位 ，从而完成工位一的自动进料工作，并等待下 一 片镜 片的循 环 。 4 ． 2 镜片 中心高厚测量 在工位二 上 ，通过 镜片 中心 高度测 量装 置 ，2 ． 0 S 内完成该工位的工作 。 4 ． 3镜 片度 数 测量 通过对标准镜片中心高度和度数的测量，得出相 应度数的补偿参数，并保存在数据库中。 在 工位三上 ，通过度数测量装置 ，并根据镜片 中 心高度在数据库中找出相应的镜片度数的补偿参数 ， 最终得 出正确 的镜 片度 数。该 工位 的工作在 2 ． 0 S 内 完成。 4 ． 4 镜 片中心厚度测量 在工位四上，通过厚度测量装置 ，在 2 ． 0 s内完 成该工位 的工作 ，并剔 除镜 片 中心 厚度 不 达标 的锁 片 。 4 ． 5镜片分类出料 将测量的度数与数据库中的生产批次中的计划对 应 ，在工 位 五 、六 、七 、八 、九 、十 中进 行 选 择 分 类 ，一共有 6个大分类 ，在每一个大分类上可通 过选 择机构分为 2 3 类 ，充分满足镜片类别需要 。 5结束语 镜片 自动分拣系统的成功应用 ，实现了镜片小批 量 、多批次的混合生产模式 ，解决了镜片小批量 、多 批次的生产过程中，出现的产 品混乱及低效率等问 题 ；同时 ，缩短了单个镜片的生产周期，减少了镜片 的库存 和在制 品数量 。 在镜 片 自动分拣 系 统开 发过 程 中 ，充 分 选 用高 速 精密 间歇分割器 、电磁 式刹 车 离合 器 、气 动元 件 等 成熟技 术和部件 进行 设计 整 合 ，设 计 的镜 片 分拣 系统具有结构精简 、高可靠性、高效率、高精度等 特点 。 参考文献 i 【 1 】 成大先． 机械设计手册 第 1 卷 [ M] ． 4版． 北京 化工 工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 2 】 成大先． 机械设计手册 第 5 卷 [ M] ． 4版． 北京 化工 工 、 I 出版社 ， 2 0 0 2 ． 上接第 9 5页 6结论 气动机械手及电气结合机械手具有结构简单、易 于控制 、低成本、多功能和快速组合设计等优点，且 便于模 块化 ，是 目前柔 性装配 技术 的重点 研究对 象 。 根据不同类型变送器膜盒装配的要求 ，采用气动与电 动结合高精度 机 械手 ，基 于其装 配 工艺 及 柔性 模 块 化设计思想 ，设计了柔性装配系统结构和系统气动 原理 图 ，采 用 C A N o p e n嵌 入 开 放 式 标 准 协 议 和 软 P L C，设计装配控制 系统 ，为柔性装 配技术提供 了 重要 的参考 。 参考文献 【 1 】 李宏生， 范维光． 当今仪器仪表的特点与设计方法[ J ] ． 仪器仪表学报 ， 2 0 0 1 z 1 4 3 4 4 3 5 ． 【 2 】陈水金， 胡国清， 张冬至． 基于气动机械手的螺杆柔性自动 化装配及其 P I E控制[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 1 0 1 8 2 0 ． 【 3 】 胡应曦， 陈启梅． 数字气缸的行程设计[ J ] ． 贵州工业大 学学报 ， 2 0 0 0 1 O 6 0 6 4 ． 【 4 】 李雪梅， 许庆斌 ， 李达宏． 多位气缸的开发与应用[ J ] ． 液压与气动 ， 1 9 9 5 3 1 21 3 ． 【 5 】王雄耀． 气动技术的发展趋势[ J ] ． 现代制造， 2 0 0 7 5 l 41 5． 【 6 】饶怡欣， 胥布工 ， 匡付华． 基于 C A N o p e n的电动执行机 构远程监控主站的实现[ J ] ． 计算机测量与控制， 2 0 1 0 ， 1 8 2 3 7 3 3 7 5 ． 【 7 】 y o n C o l l r e p p A r m i n ， 田新柏． C A N o p e n 概述 [ J ] ． 国内外 机电一体化技术 ， 2 0 0 6 2 7 8 8 2 ． 【 8 】 赵建光， 杨建武， 孙树文． 基于 C A N O p e n 协议的 I ／ O从 站的开发与应用[ J ] ． 微计算机信息 ， 2 0 0 7 2 3 91 1 ． 【 9 】 黄延延， 林跃， 于海斌． 软 P L C技术研究及实现[ J ] ． 计 算机工程， 2 0 0 4， 3 0 1 1 6 51 6 7 ．