王月芹，周保廷，朱伟博

WANG Yue-qin1, ZHOU Bao-ting2, ZHU Wei-bo3

(1.苏州工业职业技术学院，苏州 215104；2.苏州汇川技术有限公司，苏州 215100；3.苏州自动化设备有限公司，苏州 215100)

0 引言

在现代化生产流水线中，自动控制技术起着越来越重要的作用，所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况，利用外加的设备或装置，使生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行[1]。单相国网表生产流水线中，表电压接线端子上需8个锁螺丝，传统方式是依靠人工进行手动锁螺丝，一方面严重影响了企业的产能，另一方面造成了不良产品的漏检。企业要降低成本提高生产效率，急需研制出一台机械自动锁螺丝机。本文设计了基于可编程控制器(PLC)的自动锁螺丝控制系统。该系统融合了视觉定位、伺服驱动和人机交互等技术，实现了表电压接线端子自动锁螺丝的控制功能。解决了现有生产线自动化程度低的问题，提高了产品生产效率。

1 自动锁螺丝机概述

自动锁螺丝机是单相国网表自动化生产流水线中表电压接线端子锁螺丝自动化装置。本系统具有单表自动上料，通过CCD对螺丝孔的视觉定位，找准相应螺丝孔中心位置，驱动锁螺丝单元，按设定的扭力锁螺丝，自动安装入表中所有螺丝，安装完毕，自动出料流至下道工序。

系统技术要求：正常情况下，锁螺丝速度控制每5～6秒完成一个螺丝的锁定。并且锁螺丝的不成功率小于0.5%；系统具有视觉定位异常报警、浮锁报警、螺丝滑锁报警、搬运不到位报警，螺丝缺料报警，螺丝长度不合格报警。系统设置八个工位：一个上料区、一个视觉定位区、四个锁螺丝区、一个下料区和预留一个工位。八工位定位采用八工位分割器构成的分度转盘结构，在所有工位都完成后给出一个工位切换信号，八工位分割器切换一个工位，结构图如图1所示。

自动锁螺丝机动作流程分析如下：

1）上料工位

传送带将电表带入上料区，导正气缸将电表导正，上料传感器检测到电表到位，启动上料机械手，伺服驱动运行到位，升降气缸下降到位，夹爪气缸抓取电表，升降气缸上升到位，伺服驱动运行到上料工位，升降气缸升降气缸下降到位，准确放入到上料工位。完成上料功能。如果有异常要发出搬运不到位报警。

2）视觉定位工位

视觉定位区采用日本松下CCD视觉定位图像识别，负责对工位上电表所需锁螺丝位置进行定位，并判断8个锁螺丝位和有无锁螺丝，并将信号数据保存，供后续的四个自动锁螺丝定位。如发现信号异常，要发出视觉定位异常报警。

3）自动锁螺丝1号工位

自动锁螺丝区根据上工位的视觉定位信号，由锁螺丝机械手自动锁螺丝。每个电表上需要锁8个螺丝，四个自动锁螺丝工位各负责自动锁两螺丝。自动锁螺丝1号工位负责锁1、2号螺丝。得到打螺丝驱动信号后，先驱动锁1号螺丝，再驱动锁2号螺丝。自动锁螺丝状态下，锁螺丝机械手的伺服被驱动，运行到1号打螺丝位，气缸下降，下降到位，补充螺丝到位，驱动电批，电批低速反转定心，然后快速正转，确保上紧到位，扭力达标，保证锁螺丝质量。如果发现锁螺丝到位信号或扭力信号有异常，说明没有锁到位或出现滑丝，则要保存信号，告知下料时，将此产品放入到次品区。同时要发出浮锁报警和螺丝滑锁报警。如果螺丝不匹配，要发出螺丝长度不合格报警。

4）自动锁螺丝2号工位

动作流程同上。负责锁3、4号螺丝。

5）自动锁螺丝3号工位

动作流程同上。负责锁5、6号螺丝。

6）自动锁螺丝4号工位

动作流程同上。负责锁7、8号螺丝。

7）下料工位

下料信号驱动后，伺服驱动运行到下料区，准确定位，机械手上的升降气缸下降到位，夹爪气缸抓取电表，升降气缸上升到位，伺服驱动运行到位，升降气缸下降到位，准确放入传送带。下料机械手根据正品和次品的判断分别放入不同的位置，如果是正品将放入传送带，出料流至下一个工位，如果是次品将放入次品托盘中。

图1 自动锁螺丝机的结构图

2 硬件设计

自动锁螺丝机控制系统主要由 PLC、CCD视觉定位、六个伺服、十个气缸、传感器、触摸屏等组成。其硬件组成，如图2所示。

1）通过分析自动锁螺丝机的工艺流程，可以归纳出，系统对信号的处理集中为数字量的处理和伺服控制，估算系统需要处理的输入输出120多个点，PLC要驱动10个气缸和6个伺服，根据系统的功能需求和系统控制信号的数量，选择汇川H2U4040MTXP型，采用两个PLC作为控制主机，每个PLC各有3个高速脉冲输出点，通过输出高速脉冲对伺服驱动器进行控制可以控制六个伺服，脉冲的频率、脉冲数及加减速时间可以改变伺服电机的速度和位置[2]。两个PLC上配上CANlink通讯扩展卡H2UCAN-BDCAN，这样两个PLC直接通过CANLINK进行通信。PLC与伺服之间通过RS485连接，进行MODBUS通信配置[3]，可快速读写与伺服的通信数据。系统中上料机械手上升降气缸和夹爪气缸、下料机械手上升降气缸和夹爪气缸、四个自动锁螺丝机械手升降气缸、上料处产品导正气缸和下料处次品区NG托盘气缸组成了气动控制系统。PLC通过控制电磁阀的通断控制气缸的正反向运动，实现气动系统的顺序控制动作。两个PLC的O/I表分别如表1和表2所示。

图2 系统硬件结构图

2）视觉定位系统。CCD图像传感器是一种半导体器件，CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。作为光电转换式图像传感器，以其灵敏度高，动态范围大，体积小，分辨率高和采样速度快等特点，成为现代电子学和现代测试技术中最活跃的传感器[4]。CCD视觉系统选择松下WVCL934CH视觉定位相机，24小时自动后焦调整功能，确保全天候获取精确识别所必须的清晰图像；通过提高监控效率降低操作成本。日夜监控功能的超高灵敏度：F1.4时，彩色模式0.09Lux，黑白模式0.008Lux。红外剖切滤波器自动开关和根据彩色/黑白模式开关，ABF(自动后焦调节)再调节后焦，以确保彩色和黑白图像的质量。根据将CCD图像传感器固定在视觉定位区，通过RS232与PLC进行数据链接。

3）监控系统。根据系统对人机界面的功能要求，选择汇川触摸屏，此人机界面能与主控 PLC实时通讯，显示系统寄存器状态和数值，具有丰富的功能键盘，和报警列表功能，实时显示当前报警信息，并且具有很高的性价比。

4）伺服控制系统。伺服系统要求采用直线滑块高精度螺旋丝杆及伺服马达，确保重复精度0.02毫米。所以选择多摩川TA8481-N0000伺服驱动器和TS4603-N1680-E200伺服电机。伺服驱动器工作在位置控制模式时，速度和位置取决于接收到的高速脉冲的个数和频率，脉冲的个数决定伺服电机转过的角度，脉冲的频率决定伺服电机的转速。伺服驱动器采用位置控制模式，通过自带的CN1端口与PLC连接，接收 PLC输出使能信号，高速脉冲和方向指令，同时向PLC输入伺服驱动器状态，CN2端口与伺服电机光电编码器相连获得伺服电机实时位置。满足系统的精度要求。

5）系统气动控制系统。上料机械手上升降气缸和夹爪气缸、下料机械手上升降气缸和夹爪气缸、四个自动锁螺丝电批升降气缸、上料处产品导正气缸和下料处次品区NG托盘气缸。其中下料处次品区NG托盘气缸为由一个单电控的电磁阀控制，其他的都是由双电控电磁阀控制。系统气动原理图如图3所示。

3 软件设计

控制系统的软件设计由PLC程序设计和人机界面程序设计两部分组成。

PLC程序设计：PLC程序设计是核心，系统PLC程序由一个主程序和5个子程序组成。5个子程序分别是子程序1四个自动锁螺丝定位控制程序，子程序2上料传送带自动程序，子程序3上料伺服自动程序，子程序4收料伺服自动程序，子程序5收料传送带程序。主程序是核心，负责系统初始化和CCD数据采集，负责系统子程序调用，负责与HIM的数据交换。程序较长，这里略。

图3 系统电气原理图

表1 PLC1的I/O表

表2 PLC2的I/O表

在自动锁螺丝程序中，先读取CCD数据，读取数据格式（起始符），1，Y1a，Y1b,1，Y2a，Y2b,1，Y3a，Y3b,1，Y4a，Y4b,1，Y5a，Y5b,1，Y6a，Y6b,1，Y7a，Y7b,1，Y8a，Y8b,(结束符)。其中：1代表有无螺丝（1为无螺丝，0为有螺丝），Y1a～Y8a代表无螺丝的Y轴坐标，Y1b～Y8b代表有螺丝的Y轴坐标，数据三个为一组，当无螺丝时坐标取Y1a～Y8a中的数，当有螺丝时坐标取Y1b～Y8b中的数。系统根据CCD图像传感器所检测到的数据进行自动螺丝位的定位控制。先读取CCD数据依次判断有无螺丝，如有则进行下一个螺丝的判断，如果无则启动自动打螺丝程序，进行自动打1#螺丝程序根据控制流程如图4所示。

图4 1#螺丝自动控制流程

人机界面系统：主要功能包括系统参数设置界面、伺服参数设置界面、I/O状态监控界面、系统报警界面、故障记录查询界面等。人机界面的编程软件采用汇川HIM专用软件InoTouch Editor，HIM与PLC编程口直接相连实现通讯。主菜单和参数界面（其他菜单略）如图5所示。系统实物图如图6所示。

图5 系统人机界面

图6 自动锁螺丝机照片

4 结束语

本设备已成功用于实际生产。经过运行观察，系统运行稳定，应用PLC实现自动锁螺丝控制系统的开发，能够满足自动锁螺丝机构和功能的要求，同时具有人机界面友好、维护方便、系统操作简便，对工人零要求，并方便企业查询数据，成本投入低的优点。对单相国网表成品的生产产生了较大的社会效益和经济效益，具有较好的推广价值。

[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2001.

[2]汇川公司H2U系列PLC软、硬件手册[M].2013.

[3]胡文翔,蔡政,郭伟玮,等.面向RS-485控制网络的Modbus协议扩展及应用[J].自动化仪表.2013；4(34):59-62.

[4]王士绅,隋修宝,陈钱,顾国华.高速高清CCD自适应相关双采样技术[J].红外与激光工程.2014；1(34):155-159.