自动化毕业论文——开关柜自动铆接的PLC控制系统.docx

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1、开关柜自动钟接的P1C控制系统O引言钾接是指利用轴向力，将零件钾钉孔内钉杆墩粗并形成钉头，使多个零件相连接的永久性连接方法。自动卸接是一种先进的钾接技术，分为全自动钻聊一体和单工序钻卸分离。国外的全自动钻钾技术已经成熟，但需不断停机调整以适应钾钉尺寸差异。该技术在国内还处于探索阶段。单工序钻钾分离技术相对成熟，目前已逐步应用于民用领域。由于自动钾接引入了工业机器人，因此具有高精度、高柔性、高质量的特点。传统的高压开关柜柜体组装是通过多人配合或机械臂助力柜体镀金件拼装，再手持气动钾枪钾接的方式实现的。由于柜体镀金件装配具有大尺寸、大重量、钾接孔位多、人工工作不稳定的因素，会造成人工装配钟接强度大

2、、效率低、生产周期长、质量稳定性差的问题。随着智能制造对数字化工厂发展的需求，提高产品质量和生产效率、降低企业生产成本已成为当前企业发展的趋势。开关柜柜体属于封闭性腔体，对钾接定位精度要求不高，适合采用单工序钻钾分离技术单面抽芯钾接的固定方式。本文设计选用西门子S7-1215型可编程逻辑控制器作为控制器、末端成90安装气动液压钾枪和视觉单元的发那科i700工业机器人作为钾接执行机构、振动盘和直振器作为钾钉送料装置、伺服圆台转盘作为辅助钾接装置，结合柜体组装定位夹具，构成集自动定位、取钉、钾接为一体的开关柜单工序自动化钾装系统。1开关柜自动组装流程KYN28开关柜是用于电力系统发电、输电、配电、

3、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用的电气设备6。其结构为弯板组装柜。整个柜体以11块镀金件作为零部件搭接组装，通过钾接紧固件进行连接。开关柜柜体卸接孔如图1所示。图1开关柜柜体钾接孔示意图开关柜的自动化组装系统由运输系统、装配系统、钾接系统三部分组成。自动引导车将柜体镀金件从镀金车间运输到装配上料点，并通过机械手将镀金件移载到辐筒输送机。辐筒输送机将镀金件送到定位位置后，依靠装配机器人将镀金件抓取到装配位进行气吸紧固定位。钾接时，先通过A、B两套振动盘和直振器将A、B这2种型号的抽芯钾钉输送到取钉位置。固定镀金件后，钟接机器人按照固定的钾接流程进行工作：钾枪气动吸取钾钉确认钾钉成功吸取f

4、相机定位钟接孔位置fP1C获取位置偏差并送机器人一机器人持钾枪推钉入孔一气动液压钾枪钾接一废气排钾钉断芯一钉芯收集器。如此循环，直到将86个钾接孔钾接完毕。针对装配处底部无法钾接的问题，对钾接机器人设置第7轴伺服转台，用于完成装配位底部未钾接的孔。开关柜装配钾接工艺流程如图2所示。图2开关柜装配钾接工艺流程2系统设计2.1 系统硬件方案设计为了实现自动钾接系统视觉定位、机器人钾接任务，本文以西门子S7T215型P1C为核心控制器、西门子精智面板TP1OOO作为人机监控界面、FANUCi700RTOib机器人为执行机构、基恩士CV-X相机为视觉单元、GESIPADTAURUS2气动液压钾钉枪为钾

5、接执行机构，搭建了自动卸接系统。其中：P1C与触摸屏、视觉单元、工业机器人之间采用PROFINET的通信方式7实现数据通信；P1C扩展了数字量输入模块SM1221用于按钮、传感器信号输入，以及数字量输出模块SM1222用于电磁阀、机器人、相机、振动盘、气缸控制。选用的GES1PADTAURUS2气动液压钾钉枪具有低反冲力、低噪音的特点。它采用压缩空气取代传统弹簧压力作用在钉芯表面，以实现拉抓钾钉。其作用力比传统压力多10倍，拉抓更可靠。压缩空气可以二次使用：第一次用于安装抽芯钾钉；第二次用于收集废弃钉芯。这既减少了压缩空气用量，又降低了钾接噪音。该钾枪配备加长枪头，更适用于钾枪深入到夹具深度较

6、大的场合。基恩士CV-X相机具有高速、大容量的特点，在几何检测方面使用新开发的自动特征抽取算法ShapeTraX3技术实现目标轮廓提取，可自动分析图像干扰。在机器人末端，使用转换板将视觉单元和钾钉枪成90。安装。虽然开关柜整体为六面体，但是镀金件为折弯板，因此只需要卸接四面即可完成卸接工作。即便如此，由于装夹定位原因，在同一工位，机器人无法完成柜体两侧底部的钾接。因此，为钾接机器人配备旋转轴（7轴）以配合钾接。旋转轴采用三菱MR-J4-2OOA伺服驱动器。送钉装置由直振器、振动盘以及信号检测开关组成。钾接控制系统硬件如3所示。图3钾接控制系统硬件框图2.2 系统软件程序设计2.3 2.1软件程

7、序工艺流程系统启动后，钾接机器人、振动盘、直振器、滚筒输送机均处于待机状态。当银金件装配完成且定位结束，钾接机器人启动，按照取钉一拍照f钟接的流程依次对钾接孔进行钾接。当工位上的钾接孔完成钾接后，通过翻转机构和移载程将柜体移载到7轴伺服圆台上进行二次定位夹紧、钾接工作。控制程序的核心要点在于相机一P1Cf机器人之间的数据通信和调试。软件程序工艺具体流程如下。调试流程。开关柜钾接镀金件以夹具定形、工装定位、镀金件定位装夹好之后，按照机器人最优路径规划钾接执行顺序。为了提高钾接精度，以钟接的第一个点为基准点，在机器人工具坐标环境下按照钟接顺序依次进行钾接坐标定位和示教编程。使用相机软件对钾接孔进行

8、特征学习。在相机的工具坐标环境下，按照卸接顺序识别每个孔中心点的坐标，并通过触摸屏记录到P1C中，作为运行时各个孔求取坐标偏差的基准钾接坐标。软件程序设计流程如图4所示。图4软件程序设计流程运行流程。开始钾接时，机器人末端根据钟接执行顺序在振动盘送钉处选用相应规格的钾钉，通过压力检测判断是否取钉成功。取钉完成后，机器人末端移动到被抑接银金件处，使用相机获取钾接孔位置的实际坐标，并将获取的坐标送给P1CP1C根据相机学习坐标和当前实际坐标求X、Y坐标偏差值，并将该偏差值从相机坐标系下变换到机器人坐标系下。变换后的偏差值送给机器人。机器人末端执行器切换为钾枪，在原示教坐标点上进行坐标偏置，驱动机器

9、人完成位置修正并进行钾接。如此往复，按照钾接顺序完成钾接工作。网络拓扑如图5所示。图5网络拓扑图程序框架结构如图6所示。图6程序框架结构系统网络采用PROFINET通信方式，将触摸屏、机器人、视觉单元都分配到P1C的子网下。由于PRoF1NET通信是依靠设备名称实现的，需要在P1C的子向下对机器人、相机分配设备名称。程序编写采用模块式编程结构、顺序控制的编程方法实现8。OBI主程序调用其他子程序。部分子程序对其他子程序进行嵌套调用。2.2.2视觉与P1C通信要实现视觉与P1C之间的通信，需要在P1C与视觉双方进行相关配置。(I)P1C侧通信设置。采用TIAPorta1软件建立通信协议及接口，配

10、置用于数据通信的输入/输出区域。设置流程为：加载KEYENCE视觉PROF1NET通信通用站点描述文件一添加KEYENCE视觉硬件模块设置视觉以太网IP地址192.168.0.10-设备名称为ViSiOnf分配给P1C控制器。视觉的硬件组态中配置了75B通信数据区。该数据区部分为系统定义，部分为用户自定义。根据需要，设置P1C中通信开始地址为IB800和QB800。KEYENCE视觉I/O参数配置如表1所示。表1KEYENCE视觉I/O参数配置表(2)KEYENCE视觉侧通信设置。KEYENCE视觉侧采用CV-XSeriesTermian1-Software,按照以下流程进行设定。环境设定f网

11、络f网络设定f设置IP地址为192.168.O.IOo环境设定一PROFINETf启用PROFINETfPRoF1NET设备名称一vision-小数点处理一固定小数点一字节序一大端。输出设定一PROFINETf位元分配一CCD1判定。输出设定fPROFINETf字节分配-*对象选择f检测值fT1OO圆心位置f位置Xo需要注意：设备名称要与P1C中设置一致，均为ViSiOn；小数点处理为固定小数点，代表P1C接收到的数据是放大1000倍的，机器人接收到信息后要作缩小处理；由于西门子P1C数据字节序为大端，为了减少数据转化的程序编写,字节序设置为大端。在输出设定中配置PRoFINET通信数据时，按

12、照步骤和步骤配置钾接孔中心X、Y坐标值以及拍照成功等信息，将输出变量与地址关联。该配置要和P1C中的配置对应。P1C中通过设置与相机通信的I/O数据块。输入DB对应相机的输出。输出DB对应相机的输入。数据通信的区域可通过相机中的Profinet接收数据和发送数据表作对应检查p1c与视觉单元间的数据通信是按扫描周期自动刷新读取的。相机在拍照过程中会受日光的影响，夜晚工作效果好，白天正午时分对孔中心和孔边缘轮廓的获取较为困难。因此，本设计在相机侧加装了遮阳挡，增强了光源强度，以满足拍照需求。2.2.3FANUC机器人与西门子P1C通信由于Fanuc机器人未配置Profinet通信卡，本设计采用西门

13、子cpi616以太网通信卡实现PRoF1NET通信。(I)P1C侧通信设置。采用T1APortaI软件作以下设置：加载机器人PROFINET通信GSD文件f添加FANUC机器人模块一属性一Profinet接口-以太网地址192.168.o.n-*Profinet设备名称FANUe-i7oo,将该设备分配给p1c。建立以IB600和QB600地址开的数据通信区域，点于双方数据交换。根据数据通信需求，用户可以自定义与机器人专用I/O、通用I/O和组I/O的数据通信区域。工业机器人I/O参数配置如表2所示。表2工业机器人I/O参数配置表表2中：输出的组I/O用于给机器人发坐标偏差；输入的组I/O用于

14、校验发送的数据是否正确。(2)FANUC机器人侧通信设置。手操器设置如下。MerH1菜单主机通信一机器人名称FANUeT700f通信地址192.168.O.IEMenU菜单一I/O-UOP。MenU菜单一1/0-*数字I0(DID0)oMenu菜单一I/O-组I0(GIG0)oFANUC机器人的GIi数据类型为字(WORD)类型10,而视觉数据为双字(DWORD)类型，二者不匹配，不能直接进行数据收发。所以，需要用2个组合起来的GIi接收视觉数据。此外，FANUC机器人只支持+、-、*、/、MOD运算指令，没有把2个M)RD类型数据合并成一个DWoRD数据的指令。因此，采用加减乘除的方法将视觉

15、的32位数据拆分为2个16位数据发给机器人，机器人侧再逆运算组合成32位数据，从而以西门子P1C为中间媒介，实现KEYENCE视觉单元与FANIJC机器人之间的数据通信。除了数据大小存在的问题以外，工业机器人和视觉单元还存在坐标不统一的问题，因此需要进行坐标变换。面对钾接件：机器人坐标向上为X轴，向右为Y轴，标记为XR和YR;视觉单元坐标向左为X轴，向上为Y轴，标记为XS和YS,则存在YR=-XS、XR=YSo机器人与视觉坐标示意如图7所示。图7机器人与视觉坐标示意图基于以上分析，本文设计了基于P1C的DWORD类型数据处理算法。P1C侧及工业机器人侧数据处理流程分别如图8、图9所示。图8P1

16、C侧数据处理流程图9工业机器人侧数据处理流程2.2.4三菱伺服驱动器的脉冲序列输出控制西门子S7-1200P1C对三菱伺服驱动器的控制采用脉冲串输出脉冲序列输出的方式进行：在TA1PortaI软件的工艺对象下新增轴工艺；组态工艺参数；位置单位为角度；使用IOOkHZ脉冲+方向的模式，Q0.0发送脉冲、QO.1发送方向；每转脉冲数为5000。系统设置硬件上限位为10.0,下限位为10.1,原点开关为10.2,高电平有效，加减速设置为5s,最大速度为160/So硬件配置好以后，可使用MC-PowerMC-HomeMC-MoveAbso1ut、MOMoveJog、MC-ReSetMC-Ha1t等指令实现使能、回原点、绝对位置移动、电动、复位、暂停等功能。3