基于PLC、视觉系统和机器人的全自动化生产线设计

基于PLC、视觉系统和机器人的全自动化生产线设计摘要:本文应用PLC、视觉系统与机器人对某生产线进行了全自动化设计,使生产线的操作灵活简便,位置定位更加精准,生产线运行可靠而高效。关键词:自动化PLC视觉系统机器人触摸屏某外资厂设计了一条生产线,其功能是将从注塑机上取出的手机壳用皮带轨道运送到手机屏幕装配工位进行屏幕装配,再将成品送到收集槽中,进行QC检测。整条生产线设有上料、手机屏幕装配、下料三个工位,随着产品需求量的不断增大,人工成本不断增加；同时,市场对产品的定位精度要求也日益提高,因此,企业对生产线的自动化水平提出了更高的要求。为了提高产量,节约成本,提高精度,笔者与该厂机械、装配等技术人员对该生产线进行了全自动化的设计,设计了基于PLC、视觉系统与机器人的控制系统,实现将从注塑机中取出的半成品,放到生产线上进行屏幕装配后,再将成品取出放到收集槽中,全过程无需人工操作。1全自动化生产线的工艺流程整条生产线由三个工位及一条上下两层的皮带轨道线组成,其工艺流程如图1所示。M1为上料工位,负责将从注塑机中取出的手机壳放到轨道料盘(用来装产品的盘子)；M2为屏幕装配工位,负责将手机屏幕装配到手机壳上,该工位对定位精度要求特别高,要求误差小于±0.005mm,是整条生产线设计的重点及难点；M3为下料工位,负责从生产线上取出成品并放到QC台上。由于摆放地点的空间限制,皮带轨道设计成上下两层,到了轨道的两端,利用步进电机进行轨道的正反转及速度控制,以实现平稳运送料盘。每一工位安装了位置传感器,料盘上设计有感应铁块,每一个工位在本工位的工作完成后将料盘送到下一工位。机械手从注塑机上取出半成品并放到M1上料机构的夹具上后,工位传感器检测到空料盘到达时,上料机构将半成品放到料盘上,同时通知机械手上料已完成,通知轨道产品已到达,轨道运送产品到下一工位M2；当M2工位传感器检测到料盘(产品)到达,启动手机屏幕取放机构、视觉系统程序、机器人装配屏幕程序,屏幕装配完成后发出信号到轨道,轨道运送产品到下一工位M3；当M3工位传感器检测到料盘(产品)到达,下料机构抓取产品到收集槽,最后通知轨道产品已取走,轨道运送空盘到上料机构处,开始下一次循环。2控制系统设计2.1系统整体设计本系统采用功能强大、经济实惠的OMRONCJ1M型PLC作为核心控制器,以人机界面OMRONNT系列触摸屏作为操作终端。在硬件的配置方面,视觉系统及高精度机器人为屏幕装配的精确度提供保障,控制系统结构如图2所示[1]。整条生产线由一台PLC控制,PLC与视觉系统之间用以太网进行通信；PLC与机器人之间、PLC与触摸屏之间用RS232进行通信；利用PLC的远程控制终端实现生产线各工位之间的操作控制。系统设有手动和自动两种操作方式,在触摸屏上可以设置系统的操作方式、设定及修改各种参数,对系统进行启动及停止操作等。正常情况下,系统启动后,PLC接收触摸屏或外部的操作控制信息,采集并处理传感器检测信号,控制及调用视觉系统和机器人,控制各电磁阀和继电器动作,完成产品的上料、屏幕装配、下料等工艺流程,触摸屏实时显示PLC的工作状态、运行信息,实现生产过程的动态监视；系统出现故障时,PLC一方面将工作状态、运行信息和故障信息显示在触摸屏上;另一方面发出声光报警信号。2.2视觉系统及机器人设计手机屏幕装配到手机壳上的定位精度要求很高,要求误差小于±0.005mm。对于如此高精度的装配,应用一般的气缸工装已远远达不到要求；只应用高精度的机器人也不能消除夹具和其他因素所带来的误差。因此,设计了工业视觉系统,利用视觉系统的照相和软件分析功能计算出位置偏差值并传送给PLC,PLC将数据处理后传送给机器人,机器人再根据偏差值进行补偿修正与装配,从而完成高精度的装配工作。2.2.1系统配置本设计采用稳定性极高的康耐视视觉系统和高速高精度的SonySRX-611型机器人,组成高性能,高精度的自动化控制系统。其中,视觉系统用CognexVision卡和checkpoint3.7软件进行图像处理,采用OMRONDDEserver进行以太网的数据传送,而PC为视觉系统的软件分析、信号传输提供保障。2.2.2系统设计视觉系统和机器人的设计思路是通过照相机获取一个清晰的产品图像作为标准图像,利用视觉软件的图像分析工具,将目标产品所取得的图像与标准图像进行比较,精确计算出尺寸偏差值；将偏差值放入计算机的存储器内,通过以太网将偏差值送到PLC的存储器中,经过PLC换算成机器人能识别的修正值,通过RS232传送到机器人的存储器中,机器人根据修正值对原装配点进行补偿装配。图3所示为视觉系统和机器人与PLC的连接示意图。(1)硬件组成。视觉系统由康耐视视觉板卡、照相机、视觉分析软件、光源、相机数据线和SONY镜头组成；PLC包括电源、CPU、RS232模块、以太网模块和DeviceNet模块；机器人包括控制主机箱、四轴机械手和操作手持视教屏；以太网包括以太网卡、路由器和以太网线；DeviceNet包括通信模块、输入模块、输出模块、通信电缆和终端电阻。(2)装配过程设计。当工位M2位置传感器检测到料盘到达后,一方面气缸机构将手机壳垂直顶起固定在夹具上；另一方面机器人(夹具是吸盘)吸住屏幕并运动到镜头上方照相,视觉系统计算出目标图像与标准图像的位置偏差,并传送给PLC,PLC换算后将修正值传送给机器人,机器人根据修正值对屏幕进行处理,有两种情况:一是无法修正的情况,如屏幕大太,这时机器人直接将屏幕扔进废料收集桶,并重新夹下一个屏幕,重复上面的过程；二是可修正的情况,这时机器人根据修正值对屏幕位置进行调整(左右移位、前后移位或旋转),完成后,吸住屏幕的机器人运动到手机壳上方进行屏幕装配。(3)程序设计。第一步,机器人获得PLC发出的手机壳到达工位M2的指令,机器人运动到装有手机屏幕的夹具上将手机屏幕取出,运动到照相机的上方,PLC触发视觉系统进行照相,获取手机屏幕的图像。图4为机器人运动到照相机上方的程序,图5为照相机获取的标准图像。第二步,视觉软件对获取的图像进行分析,计算出该图像与标准图像的偏差尺寸,如图6所示。第三步,将偏差值通过以太网传送到PLC中。第四步,PLC将偏差值传送给机器人。第五步,机器人对偏差值进行处理(前后移动、左右移动、旋转屏幕),如图7所示；若屏幕不合格则丢弃。第六步,机器人将作了位置数据补偿后的手机屏幕装配到手机壳上。(4)视觉系统PC、PLC、机器人之间的通讯设置。第一步,将视觉系统PC的IP地址设为192.168.22.256。第二步,将PLC的IP地址设为192.168.22.1。第三步,按图8所示设置PLC的HostlinkPort；机器人则采用默认的Hostlinkport19200,8,2,NHostlink设置。2.3PLC控制程序设计PLC通过采集触摸屏发出的控制信号和传感器的检测信号,输出现场控制信号以及触摸屏显示信号,完成对半成品的自动加工。为增强程序的可读性,便于维护人员快速查找故障,PLC程序采用分块设计,图9所示为整个自动化生产线的PLC程序总体结构,整个项目程序分为PLC系统程序、屏幕输送程序、上料程序、下料程序、视觉系统动作控制程序、机器人安装屏幕程序等几部分。(1)系统程序用于PLC与视觉系统、机器人之间通信协议设置,触摸屏的显示及操作设置。(2)屏幕输送程序用于控制气缸、马达等机械装置将手机屏幕放到定位夹具上。(3)上料、下料、视觉系统动作控制程序、机器人装配手机屏幕程序对系统的动作顺序进行控制。考虑到系统的安全性、可靠性以及程序的可读性,动作控制程序采用了顺序控制,通过规定每个执行元件的动作完成时序,使相关执行元件的动作按顺序一步一步往下走,进而使系统运行有序、可靠。图10是各工位动作控制的主要流程。2.4触摸屏界面设计首先,在计算机上应用触摸屏专用软件(本系统采用OMRONNTseriessupporttoolV4.7),根据生产工艺的控制要求进行界面设计,并作好相关设定,再进行编译,在计算机与触摸屏正确通信后,下载给触摸屏[2]。系统触摸屏界面结构如图11所示,设有主菜单和故障显示界面。主菜单设有自动运行、手动操作和系统设置三个按钮,为系统提供三种操作状态,点击按钮可进入相应的子菜单,进行相应的操作。其中,手动操作,便于技术人员调整机器的精准位置和试运行；系统设置,用于设置系统的各种参数及各工位的状态(如投入运行或故障退出)；自动运行,此状态下系统将进入全自动运行,操作人员可以进行系统的启动、停止操作。故障显示界面设有机器人故障、视觉系统故障和执行机构故障三大类,当有故障发生时,PLC会自动触发触摸屏显示相应的故障信号,指引技术员查找故障原因。3结语本文对应用PLC、视觉系统、机器人三体合一实现生产线生产过程的全自动化系统进行了阐述。该自动化生产线有如下优点:(1)系统操作灵活、简便:手动、自动、系统设置均可在人机界面上轻松完成。(2)安装位置精度高:精度达到±0.005mm。(3)系统可靠性高:通过对系统动作的顺序控制,减少误动作、越级动作。(4)维护方便快捷,系统故障时