基于PLC的自动料盘上料系统的可视化设计.pdf

圆园23,38穴10雪基于 PLC 的自动料盘上料系统的可视化设计DOI院10.19557/ki.1001-9944.2023.10.007张敏袁阮泽鹏渊广东理工学院 电气与电子工程学院袁肇庆 526100冤摘要院电子行业贴片生产线中对未用完的贴片元器件需要退回仓库盘点剩余的数量袁该文设计了一种全自动料盘上料系统袁将剩余元件送到自动X鄄Ray计数器的进料口遥 该上料系统采用FX3U鄄64MT为核心控制器袁 结合三菱GT2710鄄VTBA触摸屏设计可视化操作界面袁使整个控制过程的操作及监控清晰明了遥 该系统在实现电子元件贴片物料退库清点过程中起到重要的辅助作用袁达到了提高企业生产效率尧减少雇员支出的目的遥关键词院可视化曰料盘上料系统曰PLC曰GT Designer3中图分类号院TP23文献标识码院A文章编号院员园园员鄄怨怨源源渊圆园23冤10鄄园园29鄄园4Visual Design of Automatic Feeding System Based on PLCZHANG Min袁RUAN Zepeng渊Department of Electronic and Electrical Engineering袁Guangdong Technology College袁Zhaoqing 526100袁China冤Abstract院In the patch production line of the electronic industry袁the unused patch components should be returned tothe warehouse to check the remaining quantity.In this paper袁an automatic tray feeding system is designed to sendthe remaining components to the feed port of the automatic X鄄Ray counter.The feeding system uses FX3U鄄64MT asthe core controller袁combined with Mitsubishi GT2710鄄VTBA touch design visual operation interface袁so that the opera鄄tion and monitoring of the whole control process is clear.The system plays an important auxiliary role in the processof returning and counting the electronic component patch materials袁so as to improve the production efficiency of en鄄terprises and reduce the expenditure of employees.Key words院visualization曰tray feeding system曰PLC曰GT Designer3收稿日期院2022-12-27曰修订日期院2023-09-27基金项目院广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目渊2020-19冤曰2023年广东省普通高校特色创新类项目渊2023KTSCX197冤曰广东理工学院一流课程建设项目渊YLKC202113冤作者简介院张敏渊1982要冤袁女袁硕士袁副教授袁研究方向为机械自动化及教育教学工作遥电子行业在产品贴片工序过程中会留下大量未用完的贴片元件袁如电阻尧电容等需要退库盘点剩余的数量遥 目前袁仍有许多工厂使用传统的人工盘点尧统计和登记袁这样不仅效率低下袁而且盘点数目的精确度不高遥 据深圳某公司统计袁传统人工完成一盘物料的盘点尧 统计和贴标需要一个工人综合用时 3 min曰半自动 X鄄Ray 计数器设备渊X鄄Ray计数器冤需要一个工人综合用时 1 min曰而用全自动的 X鄄Ray 计数器设备渊料盘上料机+X鄄Ray 计数器+料盘贴标机冤仅需用时 17 s遥 文中设计的全自动上料系统就是配合全自动 X鄄Ray 计数设备完成进料工序袁从而达到提高生产效率袁减少雇员支出的目的遥1料盘上料控制系统设计要求1.1总体控制流程设计本设计是采用三菱 FX3U 系列 PLC 作为控制核心元件袁结合三菱触摸屏的操作界面袁利用单相控制系统与智能制造29粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶 驭 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶圆园23,38穴10雪异步电动机将放置料盘的运料小车驱动上升到指定的位置袁并通过对射传感器来精确定位料盘上升的高度1遥 料盘上升到指定位置后袁步进电动机驱动机械手沿着 X 轴到达料盘上升位置袁再沿 Z 轴下降抓取料盘袁然后再将料盘横移到自动 X鄄Ray 计数器的进料口等待放料袁 放下料盘后返回初始位置袁重复以上工序袁即完成全自动料盘上料流程袁其控制系统流程如图 1 所示遥1.2其他控制功能设计左尧右上料工位设计院为保证不间断供料袁系统设计了双工位上料车进料袁两个储存工位互不影响袁设备运行期间也可以更换上料车遥 当上料车装载完待清点的料盘后袁按下触摸屏上的左或右工位袁上料车则会上升至取料工位袁等待机械手取料曰当左尧右工位抓料完成后袁蜂鸣器连续响三声提示料盘抓完袁请及时更换装满料盘的上料车遥急停控制设计院若遇到如料盘卡死或料盘脱落等紧急情况时袁则按下急停按钮袁排除问题后袁释放急停按钮袁此时在自动运行状态下袁按下复位按钮袁当所有轴和气缸都回归原点后袁再点击触摸屏中的启动按钮或机台的实物启动按钮袁方可进入自动模式袁让设备正常运行遥2控制系统硬件设计2.1主控硬件选型从系统的输入尧输出的统计结果来看袁该控制需要 24 个输入点和 18 个输出点袁考虑系统的可扩展性和稳定性袁PLC 的点数还需预留 10%耀20%的余量袁故最终选择 FX3U鄄64MT 的 PLC2-3遥 同时袁设计中选取了 GT2710鄄VTBA 型号三菱触摸屏袁 主要用于与 PLC 进行人机界面交互袁方便地显示 PLC 数据和现场设备的动作状态袁仿真 PLC 实时工作的效果袁实现可视化操作4-5遥 上料机构需要垂直升降袁实现将料盘移送到指定高度的控制袁 结合驱动负载类型尧额定功率尧额定电压尧额定转速等因素核算袁选用两台晟邦 28 轴立式 0.75 kW 带刹车的单相异步电动机做左右工位上料小车的升降电机遥 同时系统选用了 Kinco 3S57Q鄄04056 型步进电机用于精确定位 X 轴和 Z 轴位置袁并进一步将它们联合组成动力设备抓取及运送料盘遥 步进电机需要配合步进驱动器使用袁步进驱动器的主要功能是接收来自 PLC 的Y0 或 Y1 输出端的一定频率尧一定数量的脉冲信号袁可对步距角做进一步细分袁让定位能更加精确袁设计中选用了 Kinco3M458 步进驱动器遥图 1上料控制系统流程Fig.1Flow chart of feeding control system物料小车到位选定左/右工位启动按左工位左电机上升X轴到达左工位气缸回退Z轴到达抓料位气爪张开Z轴到达原点位X轴横移到放料位气缸伸出Z轴到达放料位气爪夹紧Z轴到达原点位气缸回退按右工位X轴到达右工位右电机上升气缸回退Z轴到达抓料位气爪张开Z轴到达原点位X轴横移到放料位气缸伸出Z轴到达放料位气爪夹紧Z轴到达原点位气缸回退控制系统与智能制造30圆园23,38穴10雪2.2其他硬件选型设计中根据需求选用了型号为SMC MY3B20G鄄700 的机械式无杆气缸和型号为 SMC MHZ2鄄16D的手指气缸曰 系统还选用两个型号为 4V210鄄08 和4V220鄄08 两位五通的电磁阀袁其中一个用于控制抓取气缸的夹紧和松开袁另一个电磁阀控制料盘传送气缸的伸出和回退曰选用了 SMC 3C鄄D鄄Z73L 型号的磁性开关袁用于检测气缸是否到位曰选用了型号为E3Z鄄T61 的欧姆龙对射式光电开关检测物料袁主要通过对射红外线判断左右上料小车上是否有料盘曰同时袁系统还选用型号为 EE鄄SX672 的欧姆龙 U 槽型光电开关袁主要用做电机的限位袁防止误操作或故障尧电机越程及原点定位等控制曰在开关电源的选择上袁由于触摸屏功率为 6.5 W袁2 个电磁阀功率为 6 W袁所有传感器功率为 3 W袁2 个步进驱动器功率为 250 W袁4 个中间继电器功率为 4 W袁合计269.5 W遥考虑预留 20%耀30%的余量袁最终选择型号为 LSR鄄350鄄24 的明纬开关电源遥其余常规硬件就不再描述遥3系统软件设计3.1程序总体设计根据现场控制需要袁该系统设计了自动和手动运行 2 种控制模式袁同时能实现 2 种模式的良好切换袁程序总体设计思路如图 2 所示遥总控程序包含三大部分袁即其他程序尧自动程序及手动程序遥 其他程序部分主要包含显示控制尧检测控制袁报警控制等辅助程序曰自动控制程序部分主要完成自动循环控制流程曰手动控制程序主要完成安装尧调试及手动回原点等手动操作程序遥 总程序设计中袁用 X10 作为自动/手动选择开关袁用功能指令 CJ 完成程序跳转控制袁当 X10 得电时袁跳过自动程序袁直接跳转到 P0 指针的指示程序处袁系统处于手动控制运行状态曰当 X10 不得电袁顺序执行自动控制程序袁当执行到 P0 指针的跳转程序时袁因执行 CJ P63 指令袁直接跳过手动程序袁跳转到END程序结束处袁其中 P63 指针为程序的 END 处袁不需要标识6遥3.2手动控制程序设计PLC 程序设计除了自动控制程序外袁为增强系统的多元操作性以及方便安装尧调试尧手动回原点等袁还增加了手动控制程序遥 在安装调试阶段袁手动操作比自动操作更加具备可行性及灵活性遥 当按钮切换为手动时袁进入手动程序遥 在触摸屏的手动界面袁按下任意触摸屏控制按钮袁相应的电机或者气缸执行手动程序袁具体可参看图 3 手动调试界面设计遥3.3自动控制程序设计自动控制程序是该控制系统软件设计的核心部分袁在整个控制过程中袁执行机构的动作具有明确的先后顺序袁如果采用 PLC 中传统的经验编程法设计控制程序袁会比较繁琐且易出错袁给程序的调试及设备维护带来困难袁而采用顺序功能图编程思路则能达到事半功倍的效果7遥 因此该系统的自动控制程序采用步进顺控编程的方法袁即 SFC 编程方式遥 当选择自动模式时袁首先要按下复位按钮袁完成复位后再按下启动按钮袁系统开启自动运行模式曰按下暂停按钮袁可以暂停运行曰遇到紧急情况或者电机越程故障袁可立即按下急停按钮袁PLC 所有输出停止遥 该自动控制程序的基本运行原理可参看图 4自动调试界面设计遥4触摸屏可视化界面设计触摸屏的主要作用是在现场运行中实现人机界面的控制及处理袁合理的设计使得界面直观尧操作方便尧稳定性强袁且通过操作界面可实现实时参数设置及采集尧历史数据查询及诊断尧报警分析和远程 Web 监控等遥合理的人机界面有助于可视化直观监控从而减轻操作人员的工作量8-9遥 结合控制系统需求袁选用三菱 GT2710鄄VTBA 型号触摸屏完成可视画面监控及操作设计袁并可根据用户需要设计图 2总控程序示意图Fig.2Schematic diagram of general control procedure控制系统其他程序X10CJP0控制系统自动程序X10CJP63控制系统手动程序ENDP0控制系统与智能制造31粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶 驭 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶圆园23,38穴10雪多个控制和监视画面袁此处列举几个典型界面功能进行分析袁说明可视化操作效果遥4.1手动调试界面设计手动调试界面设计的出发点是为了方便安装调试尧单独控制某个气缸袁以及测试时能够获取 X 轴尧Z 轴工位尧放料位尧取料位的精确位置遥 具体画面如图 3 所示遥该界面最上部分设置了各种手动控制区袁如当按下野左物料上升冶按钮时袁旁边的指示灯会亮袁表示左边工位料盘上升遥 设置按钮动作为点动模式袁即按住则左物料上升袁左电机会一直运行袁直到松手或者到设定位置时才停止上升袁其他以此类推遥该调试界面右上角设置了三色灯袁显示系统运行的状态遥 即待机状态为黄色袁自动运行为绿色袁报警状态为红色遥 其下方设置了手动/自动转换按钮袁当旋钮拨到手动时袁 可按手动界面的按钮进行调试曰当旋钮拨到自动时袁可启动自动运行模式遥 同时袁在转换按钮下方设置了界面切换按钮袁按下自动界面袁可切换到自动调试界面袁按下参数界面袁可切换到参数设置界面袁按下报警界面袁可切换到报警界面袁方便操作者切换及监控各个界面内容遥4.2自动调试界面设计自动调试界面的设计是为方便日常监控袁一般设备运行时袁都会停留在此界面遥 如图 4 所示遥该触摸屏最上面长条部分为报警显示区袁当设备发生报警时袁报警条会显示当前时间尧报警注释等信息袁使报警内容一目了然遥 其下部分区域设置了触摸屏按钮袁实现手/自切换尧启动尧复位尧暂停尧报警清除和急停等功能袁方便操作人员现场控制遥 其中袁启动尧复位和报警消除按钮动作设置为点动袁暂停和急停按钮动作设置为位反转遥 复位完成是按下复位按钮袁所有电机和气缸回到设定的位置袁该指示灯亮遥 中下部分区域用指示灯指示顺序工作流程袁包含电机动作尧气缸动作及是否到位等信息袁当自动运行达到某个步骤袁其指示灯会亮遥右侧区域的左尧右工位选择区用于选择左工位或者右工位上料小车袁可以二者同时选中遥假如同时按下左工位和右工位袁左工位上料小车的料盘抓取完毕袁X 轴会自动到达右工位抓料袁在右工位抓料的同时袁可以把左工位的小车移出来装料袁这样可以不停机地 24 h 循环作业遥 该界面最下面部分区域用来显示已经完成运输料盘的计数显示和计数清零操作遥4.3参数设置界面设计参数设置界面主要是输入和显示 PLC 内部的参数袁从而可以调整某些参数和观察数据的变化遥如图 5 所示遥该界面左上部分设计了各类参数设置功能区袁可实现 X 轴和 Z 轴的速度或位置参数的设置及显示曰一辆上料小车可以放 50 盘 7 寸的料盘袁该区域左尧右料盘数量用来显示实际剩余料盘数遥 该界面右上部分设计了数据写入和数据清零功能区袁为了防止误碰操作袁应用写入和清零功能时袁需长按该界面上的仿真按钮3 s袁直到指示灯亮袁方可完成该参数设置功能遥图 4自动调试界面设计Fig.4Design of automatic debugging interface图 3手动调试界面设计Fig.3Design of manual debugging interface图 5参数设置界面设计Fig.5Design of parameter setting interface控制系统与智能制造渊下转第 47 页冤32圆园23,38穴10雪用于疫情防控重点场景袁减少疫情防控人员感染病毒风险遥参考文献院1陶永袁王田苗袁刘辉袁等.智能机器人研究现状及发展趋势的思考与建议J.高技术通讯袁2019袁29渊2冤院149-163.2卫璐.医用消毒服务机器人造型设计研究D.武汉院湖北工业大学袁2019.3白亮亮袁平雪良袁陈盛龙袁等.分布式移动机器人控制系统设计与实现J.机械设计与制造袁2015渊10冤院180-183.4孙弋袁张松.基于 ROS 的服务机器人关键技术研究与实现J.软件袁2019袁40渊11冤院186-190+194.5邓海松袁缪爱梅袁章虹霞袁等.智能紫外线消毒监控系统在医院感染高风险区域的应用研究J.中国消毒学杂志袁2019袁36渊1冤院36-37+40.6杨晶东袁郭远首.基于联合点线特征的医疗服务机器人同时定位与地图构建算法研究J.第二军医大学学报袁2019袁40渊5冤院507-511.姻该界面左下部分为操作动作指示功能区袁当在现场或在触摸屏上按下相应按钮时袁旁边的指示灯会闪烁表示正在执行该功能袁长亮则表示已经到位遥设置该功能参数界面主要是为了调试时获取 X 轴尧Z轴的放料位尧取料位和左右工位的判断遥4.4报警界面设计报警是指当系统中的某一些量的值超过了所规定的界限时袁系统自动产生相应警告信息袁表明该数据的值已经达到或超限袁提醒操作人员10遥报警界面将系统所发生故障的事件记录起来袁方便操作者管理和记录设备的故障时间和故障事件袁具有较强的可视化功能遥 如可设置料盘小车是否到位尧是否缺料尧入料口接收装置是否到位等信息遥 当报警事件解除后袁要及时复位遥 其设计界面如图 6 所示遥5结语总体而言袁 对剩余电子元器件料盘的盘点尧统计和贴标的全套自动化设备袁需要上料机构尧计数统计机构及贴标机构三大部分的机械及电气结构环环相扣尧紧密配合才能完成遥 而自动上料机构袁尤其是双工位自动上料机构作为整个自动控制的前驱部分袁其设计的合理性尧自动化程度和人工操作的可视化程度决定了后续机构的可操作性及可延续性袁直接影响全套设备的自动化程度及生产效率遥参照本次设计的全自动上料系统袁完成一盘剩余电子元器件料盘的退库清点袁在不同盘点方式下的参数对比情况如表 1 所示遥实践证明袁该自动上料系统的设计大幅提升了退库清点系统的准确率及自动化程度尧提高企业生产效率和节省大量的人力资源成本遥参考文献院1陈嘉茂袁张敏袁郑焕腾袁等.基于 PLC 的触摸屏西药房取药的模拟设计J.机电技术袁2021渊3冤院9-11.2张敏袁陈颂韶袁孙飞.基于 PLC 对压敏电阻包封工序的自动化设计J.包装工程袁2019袁40渊9冤院180-184.3张敏袁林锦坤.基于 PLC 的压敏电阻磨片生产线的设计与实施J.制造技术与机床袁2018袁68渊8冤院109-121.4王莉袁张宏.基于 PLC 的塑料挤出机控制系统设计J.合成树脂及塑料袁2020袁37渊2冤院59-62.5黄鹏袁周彦佚.基于 PLC 与触摸屏的镀液温度自动控制系统J.电镀与环保袁2018袁38渊4冤院50-52.6王阿根.电气可编程控制原理与应用M.北京院清华大学出版社袁2020.7侍寿永袁史宜巧.FX3u 系列 PLC 技术及应用M.北京院机械工业出版社袁2021.8张敏袁关健袁林锦坤.发动机端盖清洗烘干的 PLC 控制流程可视化设计J.自动化与仪表袁2022袁37渊6冤院18-21.9侯建勤袁陈俊杰.基于 ZigBee 技术的锅炉焊接参数监控系统J.自动化仪表袁2019袁40渊1冤院27-31.10 潘海鹏袁顾敏明袁张益波.控制系统组态软件应用及设计M.北京院机械工业出版社袁2019.姻图 6报警界面设计Fig.6Alarm interface design表 1多方式清点料盘的参数对比Tab.1Parameter comparison of multiple ways ofcounting material tray盘点方式人工半自动自动单工位双工位耗时3 min1 min17 s15 s准确率75%90%99%99%效率低中高高自动化程度低中高高渊上接第 32 页冤人工智能与机器人47