基于EPSON工業(yè)機(jī)器人的加熱杯墊通電檢測(cè)站控制與調(diào)試*

師 帥，顏建美，王浩強(qiáng)

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164）

0 引言

智能制造教學(xué)實(shí)訓(xùn)產(chǎn)線(xiàn)具有高集成度、高開(kāi)放性，是具有模塊化設(shè)計(jì)的工業(yè)4.0柔性智能制造生產(chǎn)線(xiàn)。該智能產(chǎn)線(xiàn)可以生產(chǎn)加熱杯墊，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的全過(guò)程智能化生產(chǎn)，包括最初從智能終端產(chǎn)品下單到最終個(gè)性化產(chǎn)品的交付，全流程的自動(dòng)化、信息化及智能化控制。通電檢測(cè)站為此智能產(chǎn)線(xiàn)中多個(gè)智能控制站中的一個(gè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱杯墊的外觀及通電檢測(cè)，即對(duì)加熱杯墊進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)，以有效控制產(chǎn)品質(zhì)量，并極大地提高生產(chǎn)效率[1]。目前國(guó)內(nèi)有一些智能制造教學(xué)實(shí)訓(xùn)產(chǎn)線(xiàn)，但將智能產(chǎn)線(xiàn)相關(guān)的知識(shí)和技術(shù)引入教材并開(kāi)展相關(guān)教學(xué)的成功案例很少。本文從智能產(chǎn)線(xiàn)中的通電檢測(cè)工作站入手，由工作站的結(jié)構(gòu)組成、工藝流程、控制系統(tǒng)組成、PLC 程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人程序設(shè)計(jì)、交互界面設(shè)計(jì)及運(yùn)行與調(diào)試等方面展開(kāi)論述，按照由整體到局部、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由工藝到設(shè)計(jì)、由系統(tǒng)組成到運(yùn)行調(diào)試的邏輯脈絡(luò)展開(kāi)，以更清晰、系統(tǒng)地闡述加熱杯墊通電檢測(cè)站的智能控制方法及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用。

將智能制造相關(guān)技術(shù)集成于教學(xué)設(shè)備，并根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)編寫(xiě)教材及開(kāi)展有效教學(xué)是目前很多學(xué)校面臨的重要問(wèn)題。智能制造技術(shù)日新月異，讓學(xué)員掌握最新的智能制造相關(guān)技術(shù)及培養(yǎng)相關(guān)綜合能力刻不容緩。本文以加熱杯墊通電檢測(cè)站為對(duì)象，為探索更通俗易懂地展現(xiàn)智能制造相關(guān)知識(shí)和技術(shù)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)組成

本站主要包括愛(ài)普生4軸機(jī)器人、機(jī)器人夾具支架、視覺(jué)檢測(cè)裝置、通電檢測(cè)裝置、控制柜、操作面板、觸摸屏等模塊。通電檢測(cè)站三維圖如圖1所示。

圖1 通電檢測(cè)站三維圖

4 軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的抓取、搬運(yùn)、位置調(diào)整等功能。機(jī)器人夾具支架可放置供機(jī)器人替換的夾具。視覺(jué)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)杯墊外觀及位置的視覺(jué)檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果傳送至PLC 控制器，包括工業(yè)相機(jī)、動(dòng)作氣缸、檢測(cè)傳感器及相關(guān)機(jī)構(gòu)等。通電檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)杯墊的通電檢測(cè)功能，包括動(dòng)作氣缸、檢測(cè)傳感器及相關(guān)機(jī)構(gòu)等。控制柜位于整個(gè)工作站平臺(tái)的下方，控制柜中包括PLC、視覺(jué)系統(tǒng)工控機(jī)、機(jī)器人控制器、繼電器等常用電氣元件。操作面板包括工作站操作的開(kāi)關(guān)、按鈕、指示燈等。觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)操作設(shè)備、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警顯示等功能[2-5]。

本站控制核心選用西門(mén)子1500 系列PLC，通過(guò)西門(mén)子HMI 和操作面板按鈕實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互?？刂葡到y(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2 所示。本站PLC 與主站PLC、觸摸屏及RFID 模塊之間采用PROFINET 協(xié)議通信；EPSON 的4 軸機(jī)器人及?？狄曈X(jué)系統(tǒng)與本站PLC 采用的是TCP/IP 協(xié)議通信，另外，EPSON 機(jī)器人與主站PLC 之間還有I/O 信號(hào)連接；開(kāi)關(guān)、按鈕、傳感器作為PLC的輸入信號(hào)連接；繼電器、電磁閥、指示燈作為PLC的輸出信號(hào)連接。

圖2 控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

本站通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理，與主站進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)整條產(chǎn)線(xiàn)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。所有設(shè)備的IP地址設(shè)置必須在同一網(wǎng)段，具體地址如表1所示。

表1 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址配置

2 工藝流程與控制系統(tǒng)

2.1 工藝流程

本站的工藝流程如圖3所示，具體流程如下。

圖3 工藝流程

（1）流程啟動(dòng)后，通過(guò)輸送線(xiàn)將上一站裝配完成的加熱杯墊半成品的托盤(pán)輸送至本站定位后擋位置；

（2）系統(tǒng)檢測(cè)到位后進(jìn)行后擋放行，托盤(pán)被輸送至定位前擋位置；

（3）頂升氣缸進(jìn)位把托盤(pán)頂起，EPSON 機(jī)器人抓取杯墊，并搬運(yùn)至視覺(jué)檢測(cè)位置；

（4）視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)杯墊的正反面及放置水平角度進(jìn)行判斷，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)糾偏操作，糾偏的目的是通電檢測(cè)時(shí)，USB插頭能對(duì)正插入杯墊USB插口；

（5）機(jī)器人將杯墊搬運(yùn)至通電檢測(cè)位置，通電定位氣缸伸出固定杯墊，USB插入氣缸進(jìn)位通電；

（6）機(jī)器人抓手松開(kāi)杯墊并移動(dòng)至等待位置，系統(tǒng)檢測(cè)通電情況并判斷是否合格；

（7）旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作進(jìn)位，旋轉(zhuǎn)上下氣缸下降，杯墊吸氣閥動(dòng)作把杯墊吸住后旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作原位，將杯墊進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作；

（8）機(jī)器人抓取杯墊，杯墊吹氣閥動(dòng)作釋放杯墊；

（9）若通電檢測(cè)合格，機(jī)器人搬運(yùn)杯墊至輸送托盤(pán)并放置，頂升氣缸恢復(fù)原位托盤(pán)下降，機(jī)器人運(yùn)行至初始位置；

（10）若檢測(cè)不合格則機(jī)器人將杯墊放置在不良品暫存處，等待人工介入處理，本次流程結(jié)束。

2.2 控制系統(tǒng)

本站的主控制器選用CPU1512C-1 PN，它自帶32個(gè)DI 數(shù)字量輸入和32 個(gè)DO 數(shù)字量輸出，又分別增加了32個(gè)DI 數(shù)字量輸入模塊、32 個(gè)DO 數(shù)字量輸出模塊和CM PtP RS422/485 通信模塊。電柜內(nèi)電氣元器件還包括開(kāi)關(guān)電源、安全繼電器、空開(kāi)、接觸器、中間繼電器、工業(yè)交換機(jī)、插座及接線(xiàn)端子排等[6]，組成本站電氣控制系統(tǒng)硬件部分。通電檢測(cè)站控制柜電氣元件布局如圖4所示。

圖4 控制柜電氣元件布局

3 PLC程序設(shè)計(jì)與機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

（1）控制流程

通電檢測(cè)站PLC 程序在OB1 中調(diào)用了功能塊FB5 來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行，控制流程圖如圖5所示。

圖5 自動(dòng)運(yùn)行控制流程

開(kāi)始后執(zhí)行光電、氣缸、氣閥功能塊程序，以實(shí)現(xiàn)光電傳感器及氣缸等的控制。調(diào)用EPSON機(jī)械手功能塊，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)機(jī)器人的控制及與機(jī)器人的相互通信[7]。視覺(jué)工控機(jī)功能塊實(shí)現(xiàn)PLC與視覺(jué)系統(tǒng)之間控制與通信。隨后是設(shè)備動(dòng)作流程控制，包括后擋等待工裝到位、后擋放行、前擋等待工裝到位、氣缸頂起、機(jī)器人取料1 等，此處機(jī)器人取料1 是機(jī)器人從初始位置至輸送托盤(pán)上取料控制；視覺(jué)檢測(cè)獲取坐標(biāo)值是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)獲取杯墊的外觀及糾偏角度數(shù)據(jù)；溫度傳感器檢測(cè)是在通電檢測(cè)中，通過(guò)溫度傳感器來(lái)獲取數(shù)據(jù)判斷杯墊通電后的加熱性能，從而判斷杯墊是否合格；機(jī)器人取料2 是機(jī)器人從中間等待位至物料翻轉(zhuǎn)位取料控制[8]。最后，PLC根據(jù)通電檢測(cè)結(jié)果來(lái)控制機(jī)器人把杯墊放置在合適位置，若檢測(cè)合格則放置在輸送托盤(pán)上，若檢測(cè)不合格則放置在不良品暫存處。

（2）重要程序說(shuō)明

在EPSON 機(jī)械手功能塊中，主要調(diào)用了FB10012 愛(ài)普生四軸機(jī)器人功能塊，如圖6所示，來(lái)自機(jī)器人控制器的輸入信號(hào)有機(jī)器人就緒、運(yùn)行中、暫停中、錯(cuò)誤中等，PLC控制機(jī)器人的輸出信號(hào)有機(jī)器人啟動(dòng)、停止、暫停、繼續(xù)、復(fù)位等；連接數(shù)據(jù)塊端口連接的數(shù)據(jù)塊為DB130。

圖6 調(diào)用FB10012功能塊程序

在FB10012 愛(ài)普生四軸機(jī)器人功能塊中，機(jī)器人通信連接程序如圖7 所示?！癟CON”指令可設(shè)置并建立通信連接，在PLC 程序中，當(dāng)設(shè)置并建立連接后，CPU 可以自動(dòng)連續(xù)地監(jiān)視該連接?！癟DISCON”指令可以終止CPU與某個(gè)連接伙伴之間的通信連接[9]。

圖7 機(jī)器人通信連接程序

（3）I/O信號(hào)分配表

通電檢測(cè)站PLC 主要I/O 信號(hào)分配表如表2 所示。輸入信號(hào)主要為開(kāi)關(guān)、按鈕及傳感器信號(hào)，輸出信號(hào)主要為氣缸、氣閥及指示燈等控制[10]。

表2 主要I/O信號(hào)分配表

3.2 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

EPSON 機(jī)器人主程序通過(guò)與PLC 做TCP/IP 字符串通信，通信程序如圖8 所示。機(jī)器人作為服務(wù)器以#201 為編號(hào)，IP地址為192.168.0.65，端口號(hào)設(shè)置為2000。

圖8 機(jī)器人通信程序

機(jī)器人程序進(jìn)行工藝工歩斷點(diǎn)分割形式，其中“Case11”依次到“Case16”6 個(gè)工步為加熱杯墊的通電檢測(cè)步驟，經(jīng)過(guò)搬運(yùn)拍照、翻轉(zhuǎn)、上線(xiàn)以及不良品剔除等幾個(gè)工步，相關(guān)程序中有對(duì)應(yīng)的中文文字備注和Print打印說(shuō)明，程序名稱(chēng)說(shuō)明如表3所示。

表3 機(jī)器人程序名稱(chēng)說(shuō)明

杯墊放置角度糾偏的程序段如圖9 所示。uu=-Val（Plc＿Cmd$（2））-4.5 為獲取修正角度值，Jump TD＿padR+U（uu）為按糾偏后的位置放置杯墊，Go TD＿pad+U（uu）為運(yùn)行至糾偏后應(yīng)該放置的位置。

圖9 機(jī)器人角度糾偏程序

4 交互界面設(shè)計(jì)

HMI 界面需要根據(jù)控制要求完成觸摸屏自動(dòng)和手動(dòng)操作界面的設(shè)計(jì)。

（1）自動(dòng)界面設(shè)計(jì)

自動(dòng)界面包括主畫(huà)面和功能選擇/畫(huà)面切換畫(huà)面。主畫(huà)面如圖10所示，要能夠?qū)崟r(shí)顯示設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)記錄歷史報(bào)警和報(bào)警清除功能；同時(shí)，能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行初始化操作、運(yùn)行和停止等操作[11]。功能選擇/畫(huà)面切換畫(huà)面如圖11 所示，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備各種功能模式的切換、選擇及屏蔽等操作，同時(shí)可以在本畫(huà)面切換至其他控制畫(huà)面[12]。

圖10 主畫(huà)面

圖11 功能選擇畫(huà)面

（2）手動(dòng)界面設(shè)計(jì)

手動(dòng)界面包括EPSON機(jī)器人畫(huà)面、視覺(jué)系統(tǒng)界面、氣缸操作畫(huà)面、RFID調(diào)試畫(huà)面、傳感器監(jiān)視畫(huà)面等。EPSON機(jī)器人畫(huà)面如圖12所示，能夠單獨(dú)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)行、初始化、暫停、停止、繼續(xù)、斷開(kāi)連接、執(zhí)行程序指令等操作，同時(shí)能實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)設(shè)置等[13]。視覺(jué)系統(tǒng)畫(huà)面如圖13所示，能夠顯示當(dāng)前視覺(jué)通信狀態(tài)及報(bào)警各種狀態(tài)；將設(shè)定的流程號(hào)發(fā)送給視覺(jué)控制器，并接收檢測(cè)結(jié)果；可以對(duì)視覺(jué)通信連接進(jìn)行斷開(kāi)及復(fù)位操作等。

圖12 EPSON機(jī)器人畫(huà)面

圖13 視覺(jué)系統(tǒng)畫(huà)面

5 運(yùn)行調(diào)試

（1）機(jī)器人程序調(diào)試

確認(rèn)通電、通壓縮空氣，機(jī)器人工具放置在對(duì)應(yīng)正確的工具支架位置。打開(kāi)工控機(jī)桌面上的機(jī)器人控制軟件“EPSON RC+7.0”，等待軟件啟動(dòng)并執(zhí)行自動(dòng)生產(chǎn)程序。RC+啟動(dòng)界面如圖14所示。

圖14 RC+啟動(dòng)界面

此時(shí)已完成機(jī)器人全部開(kāi)機(jī)后的準(zhǔn)備工作，等待電氣初始化和啟動(dòng)運(yùn)行信號(hào)，不需要任何操作。如進(jìn)行編程調(diào)試需要點(diǎn)擊圖14 中的“轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦蛘{(diào)試模式”并輸入密碼，如圖15所示。

圖15 轉(zhuǎn)到程序模式

（2）初始化操作

上電后，觸摸屏進(jìn)入啟動(dòng)畫(huà)面，點(diǎn)擊“進(jìn)入畫(huà)面”按鈕進(jìn)入主畫(huà)面，長(zhǎng)按主畫(huà)面上的“初始化”按鍵3S，觸摸屏顯示設(shè)備初始化中，初始化完成后設(shè)備處于停止中狀態(tài)[14]。在未進(jìn)行初始化時(shí)，綠燈以1 Hz 的頻率閃爍；在初始化的過(guò)程中，綠燈以10 Hz 的頻率閃爍；初始化完成后，停止指示燈紅燈常亮。

（3）控制與調(diào)試

手動(dòng)控制要求：①急停保持松開(kāi)狀態(tài)，門(mén)保持關(guān)緊狀態(tài)，Hand-0-Auto 切換到Hand 位置；②通過(guò)按下氣缸動(dòng)作按鈕可以對(duì)氣缸進(jìn)行伸出縮回等動(dòng)作；③EPSON機(jī)器人在手動(dòng)控制模式下可以進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試及點(diǎn)位示教；④可以對(duì)RFID 進(jìn)行手動(dòng)讀取寫(xiě)入信息。

自動(dòng)控制要求：①急停保持松開(kāi)狀態(tài)，門(mén)保持關(guān)緊狀態(tài)，Hand-0-Auto 切換到Auto 位置；②操作運(yùn)行，初始化成功后，此時(shí)按下Start（啟動(dòng)）按鈕后設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)狀態(tài)Start 按鈕常亮，設(shè)備框LED顯示綠色，在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下按下STOP（停止）按鈕、急停按鈕和開(kāi)門(mén)觸發(fā)安全開(kāi)關(guān)設(shè)備都會(huì)停止，以保證設(shè)備與人員的安全[15]；③送料小車(chē)運(yùn)送到后擋氣缸位置，判斷通電檢測(cè)站位置是否有正在生產(chǎn)的訂單，若沒(méi)有則落下放行。

送料小車(chē)?yán)^續(xù)運(yùn)送到前擋氣缸位置，此時(shí)RFID 讀寫(xiě)器進(jìn)行讀取，讀取數(shù)據(jù)包括小車(chē)編號(hào)、工單值、工單單號(hào)、工單類(lèi)型、產(chǎn)品編碼、定制信息、生產(chǎn)數(shù)量、單站完成狀態(tài)和單站OK 狀態(tài)等信號(hào)，若此時(shí)信息正確則進(jìn)行通電檢測(cè)工序，若信息錯(cuò)誤則放行。

6 結(jié)束語(yǔ)

通電檢測(cè)站為杯墊生產(chǎn)智能產(chǎn)線(xiàn)的中間一站，所起作用比較關(guān)鍵。在單站調(diào)試過(guò)程中，可以根據(jù)調(diào)試的需要，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行“屏蔽安全門(mén)”“RFID 屏蔽”“屏蔽視覺(jué)”“屏蔽MES 報(bào)工”等操作，有助于設(shè)備的順利調(diào)試。在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，有效提高了生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備安全性，實(shí)現(xiàn)了基于EPSON 工業(yè)機(jī)器人的加熱杯墊通電檢測(cè)站的智能化控制，也有助于整體全面了解本站所涉及智能制造相關(guān)的知識(shí)和技術(shù)。在使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，通電檢測(cè)時(shí)，通電插頭插入杯墊供電接口的可靠性有待進(jìn)一步提高，可以從設(shè)計(jì)上做進(jìn)一步的優(yōu)化；另外，軟件程序也可以進(jìn)一步優(yōu)化，比如，若杯墊在進(jìn)站時(shí)正反面方向放置錯(cuò)誤，目前系統(tǒng)可以檢測(cè)出有問(wèn)題并暫停設(shè)備，但缺少系統(tǒng)下一步如何操作或處理，觸摸屏也缺少相關(guān)信息報(bào)警或提示等。