（机械设计及理论专业论文）螺丝机控制系统研究与开发.pdf

( - ，。 ad i s s e r t a t i o ni nm c b a 孙j c 8 id e s i g na n dt h e o r y r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g t h ec o n t r o ls y s t e m o fs c r e w sf a s t e n i n gm a c h i n e b yc a ij u n s h u a n g s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f e s s o r l i nw e n q i a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 jlll，j ?t1_ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：也 恧。 学位论文作者签名：蔡罕爽 日 期：力d d 缉均五r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 十 l ， 孳 。7 摘要 螺丝机控制系统研究与开发 摘要 本论文主要以苏州某厂的自动化产品准硬盘上拧螺丝的螺丝机为研究对象，利 用e p s o n 机械手控制器、德国b e c k h o f f 的t w i n c a tp l c 和普通p c 代替原来的认机 械手控制器和触摸屏组成的系统，并且自主开发软件，改变了完全依靠进口的局面，从 而能够减少成本，人机界面更友好，使产品更具竞争力。 首先，设计新的控制方案，并进行硬件的选型与连接。然后利用t w i n c a tp l c 编 写程序控制整个系统的动作，其中输入主要有e p s o n 机械手控制器、电动缸、流水线 以及其上面的传感器等共计5 1 个点，输出有e p s o n 机械手控制器、电动缸、电机驱动、 报警器、扫描仪等共计4 7 个点。其中程序主要由顺序功能图、指令表以及功能块等编 程语言完成。 其次，利用v b 建立了螺丝机的监控界面以及与t w i n c a tp l c 的通讯。利用面向 对象的编程语言v b 编写了比触摸屏更友好实用的人机界面。然后利用b e e k h o f f 公司 的a d s 控件中的各种函数命令实现了p l c 与p c 之间的数据交换，通过编写的此软件 就可以监视生产信息以及控制生产动作。利用v b 编写的p l c 和p c 通讯软件代替触摸 屏组态软件，界面更友好，提高了监控生产的效率。 最后，在客户处安装调试和运行此产品，通过优率成功硬盘通过率数据分析， 达到客户要求，9 8 5 以上的优率。以及分析e p s o n 控制系统的工作周期要优于原来的 n 控制系统，所以新系统的开发客户认可，投入到生产线中使用。 关键词：螺丝机；t w i n c a tp l c ；v b ；人机界面；通讯 rr-【- 。j 一。- ij ， 。_ 一一。一。一 。 + * 穸 i 于 末i ：夫学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c h i n ga n dd e v e l c p 、i n gt h ec o n t r o ls y s t e mo f s c r e w sf a s t e n i n g m a c h i n e a b s t r a c t t h et h e s i st a k e ss o m ea u t o m a t i o np r o d u c ti ns u z h o u - - - am a c h i n ef a s t e n i n gs c r e w si n t o h da sr e s e a r c h f u lo b j e c t t h es y s t e mo fe p s o nr o b o t 、g e r m a n yb e c k h o f ft w i n c a tp l c a n dp cr e p l a c e st h ep r e v e n i e n ts y s t e mo fi ar o b o ta n dt o u c hs c r e e n ，a n dd e v e l o p et h es o f tb y o u r s e l i nt h ec o n d i t i o no fg u a r a n t y i n ge f f i c i e n c y , m a k et h ep r o d u c t i o nm o r ec o m p e t i t i v e a b o v ea l l ，d e s i g nt h en e wc o n t r o ls y s t e m ，s e l e c ta n dc o n n e c tt h eh a r d w a r e p r o g r a m m et o c o n t r o lt h et o t a ls y s t e mw i t ht w i n c a tp l c t h e r ea r e51i n p u tp o i n t s ，i n c l u d i n ge p s o nr o b o t c o n t r o l l e r 、r c 、p i p e l i n i n g 、s e n s o r sa n ds oo n a n dt h e r ea l e4 7o u t p u tp o i n t s ，i n c l u d i n ge p s o n r o b o tc o n t r o l l e r ，r c ，m o t o rd r i v e ，t o w e rl i g h t ，s c a n n e ra n ds oo n 。p r o g r a m m ew i t hs e q u e n t i a l f u n c t i o nc h a r t 、i la n df u n c t i o nb l o c kd i a g r a m s e c o n d l y , b u i l dt h em a n i p u l a t i v ei n t e r f a c ea n dm a k et w i n c a tp l ca n dp c c o m m u n i c a t e w i t hv i s u a lb a s i c w i t ht h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ev bo ff a c i n go b j e c t ，m a k et h ei n t e r f a c e m o r ef r i e n d l ya n du s e f u lt h a nt o u c hs c r e e n u s i n ga l lk i n d so fa d sf u n c t i o n si nb e c k h o f f m a k e st h ed a t ab e t w e e np l ca n dp ce x c h a n g e t h es o f tc a nh e l pt ow a t c ha n dc o n t r o lt h e t o t a lp r o d u c t i o n t h es o f tp r o g r a m m e dw i t hv bi n s t e a do ft o u c hs c r e e nm a k e st h ei n t e r f a c e m o r ef r i e n d l y t h i sm a k e st h ep r o d u c t i o nm o r ec o m p e t i t i v e f i n a l l y , f i x 、d e b u ga n dr u n t h ep r o d u c t i o nf o rc l i e n t b ya n a l y z i n gt h ep a s s i n gr a t e , r e a c h t h er e q u i r e m e n to fc l i e n t - - - a b o v et h er a t eo f9 8 5 a n da n a l y s et h a tt h ew o r k i n gc y c l eo f e p s o ns y s t e mi sb e t t e rt h a nt h a to fi as y s t e m ，s ot h en e ws y s t e mi sa c c e p t e db yc l i e n ta n d r u n si np r o d u c t i o n k e yw o r d s ：m a c h i n eo ff a s t e n i n gs c r e w s ；t w i n c a tp l c ；v b ；h u m a n - m a c i n e i n t e r f a c e ； c o m m u n i c a t i o n m ， l 、 ， 东北大学硕士学位论文 目录 3 4 本章小结2 3 。 第4 章e p s o n 系统人机界面开发2 4 4 1v i s u a l b a s i c 界面设计原则2 4 4 2e p s o n 控制系统人机界面设计2 5 4 2 1e p s o n 系统主界面2 5 4 2 2e p s o n 系统子界面2 6 4 2 3e p s o n 人机界面设计特点2 9 4 3 本章小结3l、 第5 章p l c 与上位机通讯3 2 5 1e t h e r c a t 以太网通讯3 2 5 2 以态网a d s 与3 3 5 2 1 以太网a d s 协议3 3 5 2 2a d so c x 控件应用于v b 3 4 5 3e p s o n 监控软件与p l c 通讯实现3 6 5 3 1 数据通信信道。3 6 5 3 2 定义变量连接v b 与p l c 。3 7 5 3 3 控制功能通讯4 0 5 3 4 监视通讯4 4 5 4 本章小结4 6 第6 章e p s o n 螺丝机调试运行及可靠性分析4 7 6 1e p s o n 螺丝机安装调试4 7 6 2e p s o n 螺丝机可靠性4 7 6 2 1 可靠性定义4 8 6 2 2e p s o n 控制系统可靠性设计4 8 6 2 3 工作可靠性验证4 9 6 3 本章小结。5 4 第7 章结论与展望5 6 7 1 结论5 6 7 2 展望5 6 参考文献5 7 致谢6 0 附录6 1 v 东北大学硕士学位论文 _ 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 苏州工业园区某公司专门为一些如希捷、b d 等大型电子生产厂商提供自动化设备， 其中的产品之一是自动为硬盘拧螺丝的螺丝机。之前设计生产的螺丝机控制系统都是日 本认机械手控制器以及进口触摸屏组成，但是此控制系统完全依靠进口设备，造价昂 贵，且触摸屏界面设计略模糊，一定程度上影响生产管理的效率。 为了改变完全依靠成型进口设备的现状，降低成本，提高产品质量，能够在激烈的 市场竞争中占有一席之地，所以考虑自主开发软件，人机界面利用高级语言v b 编写， 用v b 编写的监控软件取代组态软件触摸屏，但硬盘螺丝旋紧率，也就是优率必须达到 客户提出的9 8 5 以上。而在控制方面，利用p l c 控制器控制e p s o n 机械手来取代认 机械手控制器，并且监控软件通过v b 实现p c 与p l c 之间的通讯。这样，在其它硬件 基本不变的情况下，其人机交换部分采用自主研发实现的，使得控制系统的成本大大降 低，且监控界面更友好，不但使公司的自动化产品更具竞争力，且在国家自主研发控制 软件的道路上又迈了一步。 1 2 自动拧螺丝机和工业机械手现状与发展趋势 1 2 1 自动拧螺丝机现状与发展趋势 螺丝用来连接紧固两个或多个物体，是常用的连接件之一，主要是分手动拧螺丝与 自动拧螺丝两种。对于一些小批量的生产，可以利用螺丝刀进行人工旋拧，而对于大批 量的生产，人工悬拧则工作效率低下，所以考虑进行自动化旋拧。自动化旋拧螺丝分为 手持式自动锁螺丝机和全自动化锁螺丝机。 ( 1 ) 手持式自动锁螺丝机 手持式螺丝机，螺丝输送、锁付一气呵成，不用手取螺丝。大大提高了生产效率， 节省人工。每打完一颗螺丝，机器会自动输送到批嘴，省去了用手拿螺丝。只要直接对 准螺丝孔位就可以了，轻轻一按螺丝就锁好了，方便快捷。此种自动锁螺丝机小巧轻便， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 放在台上台下都可以，没有任何噪音。主要适用于电子、塑胶、玩具、电器、通讯设备 等行业的装配工序中，必须在在每个工位分配工人进行手持旋拧。 ( 2 ) 全自动化锁螺丝机 市场上进口及国产的振盘式涧槽式自动化锁螺丝机分别采用振动盘气动元件做为 驱动部件，采用p l c 光电传感器及接近开关联合控制，螺丝由驱动部件驱动再由压缩空 。 气高速吹至螺丝刀头处进行锁螺丝作业，具有方便快捷的特点。配置上自动化专机可实 t 现全自动无人化锁螺丝作业，但实际应用于国内企业该类产品又有一些局限性主要表现 、 在： 对螺丝外形有一定要求，螺丝直径要求2 5m m - - - 5 m m ，长度5 m m 1 8 m m ，超 过此范围成功把握不大； 自动锁螺丝机对螺丝各方面尺寸精度要求高，否则会造用机器频繁卡堵现象； 制造周期长，由于螺丝品类繁多，自动化锁螺丝机均属自动化专用设备，从拿 到螺丝样品到机器制造完毕不低于3 0 个工作日； 造价昂贵，由于属于自动化专机，该机价格进口的为3 6 万，国产的也要近2 万元，所以该类自动锁螺丝机用于手工操作是不合算不适应的，而配上自动化专用设备 才能最大体现出价值。 工业机器人的出现，使自动拧螺丝向工业机械机械手方向发展，螺丝机具有操纵方 便、控制精度高、稳定性好、维护方便、人机界面人性化等特点。主要是采用单轴与多 轴机器人自动运行及单独动作的运行方式，实现了控制响应的快速性，并对拧紧扭矩及 角度进行测控，保证了系统的精度和准确性。螺丝机的结构组成：工业机械手、电动螺 丝刀、螺丝自动上料系统和精装夹具等附件。 在工业机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点 位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔 卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 ， 利用控制器控制工业机械手抓取并旋紧螺丝是螺丝机自动化发展的趋势，所以工业 机械手的发展状况及趋势关系着螺丝机自动化的发展。 1 2 2 工业机械手现状与发展趋势 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产 东j 己大学硕士学位论文 第1 章绪论 系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为- 1 7 新兴的学科机械 手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计 算机技术等科学领域，是- f 7 跨学科综合技术。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业 机器人的一个重要分支。其特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能 上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环 境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间比1 。 ( 1 ) 机械手的国内外应用状况 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工 作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越 来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者 危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的据资料介绍， 美国生产的全部工业零件中，有7 5 是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 5 0 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5 嘲。从这里可以看出， 装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。 目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传 诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔 液等等嘲嘲蚴7 1 。 建造旋转零件( 转轴、盘类、环类) 自动线 一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深 井泵轴承体加工自动线( 环类) ，大连电机厂的4 号和5 号电动机加工自动线( 轴类) ， 上海拖拉机厂的齿坯自动线( 盘类) 等。 加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手 的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。 在实现单机自动化方面 各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下 料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应 用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自 动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的y 3 8 滚齿机械手，青海第二机床厂的滚 东北大学硕士学位论文第! 幸绪沦 铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产 品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳 冲压生产线机械手( 生产线中有两台多工位机床) 和天津二注塑机有加料、合模、成型、 分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手 在冲床上应用有两个方面：一是1 6 0 t 以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂 2 0 0 t 环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂4 0 0 t 冲床的下料机械手等； 其二是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的1 2 0 t 和4 0 t 多工 1 位冲床机械手等。 铸、锻、焊热处理等热加工方面 模锻方面，国内大批量生产的3 t 、5 t 、1 0 t 模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械 手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖 拉机厂等已有较成熟的经验。 ( 2 ) 工业机械手的发展趋势 工业机器人性能不断提高( 高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修) ，而 单机价格不断下降，平均单机价格从9 1 年的1 0 3 万美元降至9 7 年的6 5 万美元。 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测 系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化 装配机器人产品问市。 工业机器人控制系统向基于p c 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络 化，器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、 易操作性和可维修性陋1 。 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外， 装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力 觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产 品化系统中已有成熟应用。 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机 器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器 人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器 人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳机器人就是这种系统成 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 功应用的最著名实例。 ：、! ： ；， ： 譬 o 彝 机器人化机械开始兴起。从9 4 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装 置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器入从 8 0 年代“七五 科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五、“八五 科技攻关， 目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动 学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、 搬运等机器入：其中有1 3 0 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近3 0 条自动喷漆生产 线上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的 工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产 品，机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。在应用 规模上，我国己安装的国产工业机器人约2 0 0 台，约占全球已安装台数的万分之四。以 上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客 户，一次重新设计一，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本 也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品 进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智 能机器人和特种机器人在“8 6 3 一计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的 是水下机器人，6 0 0 0 m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器 人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种。在机器人视觉、力觉、触 觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传 感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化 机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上， 有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五 后期立 于世界先进行列之中。 1 3 本课题的主要研究内容 1 3 1 本课题的提出和意义 在工业自动化控制中，p l c 以其高可靠性，配置灵活和完善的功能，在工业控制系 统中得到越来越广泛的应用。但它也有自身的一些缺点：数据的计算处理和管理能力较 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 弱，如对于操作员所需要的报表打印、趋势图形显示、工况查寻、参数在线修改等功能， p l c 却不能直接方便地提供。 随着计算机技术的发展和成熟，计算机的应用也越来越广泛。同时计算机不仅有很 强的数据处理和管理能力，而且能给用户提供非常美观而有易于操作的界面，这恰恰是 p l c 的不足。因此，在自动化领域，计算机已经成为控制系统的首选平台，应用计算机 对生产和试验进行实时、远程监控是现代自动化发展的主要方向。微软公司推出的v i s u a l b a s i c6 0 ，是一个功能丰富、方便实用的程序开发环境。v i s u a lb a s i c 对界面、图形图象、 多媒体以及操作控制系统都有强大的支持。可视化的开发环境、丰富的控件支持使得 v i s u a lb a s i c 成为工程实践中重要的开发工具。 如果能利用p l c 作为工业自动化控制器，利用v b 开发出监控软件来取代组态软件， 这不但可以使产品成本降低，而且在国内自主开发工控软件的道路上又前进了一步。 1 3 2 本课题的主要任务 本课题是一个实际的项目产品开发，主要的任务如下： ( 1 ) 制定整个控制方案，并选择合适的硬件。本课题主要选择德国b e c k h o f f 公司 的t w i n c a tp l c 作为控制器，并要利用p l c 编程语言编写螺丝机控制程序。 ( 2 ) 利用v i s u a lb a s i c 语言编写人机界面，利用其丰富的控件，编写出比触摸 屏更友好、实用的界面。 ( 3 ) 最主要的是要实现p l c 与p c 之间的通讯，通过人机界面就可以方便、快捷地 监视整个生产状况以及控制p l c 的运行。 ( 4 ) 要到客户处，安装、调试并运行新的控制系统，并验证其可靠性，使其在保证 客护要求的优率的基础上，使成本降低，产品更加人性化，让客户满意。 东北犬学硕士学位论文第2 章e p s o n 控制系统方案设计 第2 章e p s o n 控制系统方案设计 2 1 螺丝机e p s o n 控制系统方案设计 2 1 1 螺丝机设备简介 诊， 图2 1 螺丝机设备 f i g 2 1d e v i c eo ff a s t e n i n gs c r e w s 螺丝机主要是为硬盘拧螺丝的一种自动化设备，如图2 1 所示，主要应用在硬盘生 产厂家中。 首先，硬盘经流水线送到某工位，由扫描仪记录此硬盘的条形码，并跟存储器记录 的信息对比检查此硬盘是需要拧螺丝的硬盘还是已经拧螺丝失败的硬盘。如果是需要拧 的，那么机器的电动缸将把夹具顶起来夹住硬盘，并且螺丝机驱动将完成合适的螺丝旋 紧。完成旋紧后，此硬盘的条形码的信息将被写入到下一工位，并且硬盘会送到下一工 位继续动作。丽如果旋紧失败了，则在余下的工位不会有任何的动作，硬盘会被直接送 出整个系统站，重新处理一下。因为一个硬盘需要利用六个螺丝来紧固，所以相应的一 条完整的生产线需要六个机械手进行工作。 东北大学硕士学位论文 。第2 章e p s o n 控制系统方麦设讨 之前为该厂设计生产的螺丝机流水线用的都是i a 机械手控制器，称为i a 螺丝机， 其控制系统称为i a 控制系统。由于整个系统需要改进，现要改为e i s o n 机械手，所以 本课题螺丝机称为e p s o n 螺丝机，其要设计的控制系统称为e p s o n 控制系统。 2 1 2e p s o n 控制系统方案设计 ( 1 ) 整体方案设计 选择e p s o n 机械手，其本身自带一个控制器，但它不像i a 控制器一样既可以控制 机械手本身，又可以控制机械手以外的设备。e p s o n 控制器只能控制机械手本身，对于 其它执行设备控制不了，所以要寻找其它控制器对其进行全面控制。 在自动化控制方面，主要有p l c 与单片机。而p l c 以其功能强大、稳定而优于单片 机，且可以控制多点数，所以选择p l c 进行控制。 p l c 控制功能虽然强大，但其管理功能却显得捉襟见肘。而基于p c 的控制系统优点 则显而易见，对实时数据的采集更为全面、广泛；对数据的处理更为迅速、精确；使控 制系统与公司管理系统实现联网更为容易。它能够把实时逻辑控制、连续生产过程和批 量生产过程控制、运行控制、可视化操作、信息分析及系统诊断等功能集成到一个紧凑 的软件包中，这是p l c 或单片机所望尘莫及的。而且，p c 机对i 0 硬件设备的选用有更 多的灵活性。 采用计算机监控可将大部分计算交给计算机处理，从而大大提高了工作效率，计算 机所提供的联网功能将全面实现多台机器的联合监控、远程监控，并可与其它计算机和 总机联网，是企业实现信息化管理和生产总体调控、调度的基础。由于p l c 的廉价和体 积小的特点，p l c 将被用于低层控制，接受计算机传递来的参数并作简单处理后，控制 机器进行各种动作n un 铂n 町。 p l c 采用的是德国b e c k h o f f 公司的t w i n c a tp l c ，而基于计算机的监控系统利用 面向对象的编程语言一v i s u a lb a s i c 实现。在e p s o n 控制系统中，用p c 机为高层控制， 以p l c 为底层控制，执行机构主要控制电动缸升降以及机械手的动作等。具体解决方案 如图2 2 示意，螺丝机的监控系统由v i s u a l b a s i c 编程语言开发，控制程序由基于p c 机的软p l c ( s o f t p l c ) 软件t w i n c a t 开发，通过以太网t c p i p 协议与b e c k h o f f 公司 的以太网总线控制器b k t1 2 0 通信，通过总线端子的数字量i o 口对螺丝机进行控制。 产 东北大学硕士学位论文第2 章e p s o n 控制系统方案设计 可视化界面 v i s u a l b a s i c 编程 t v i r c a tp l c 以态两t c p i p 以b 套i ( 葛11 2 羹0 线l 总线端子 控制器 i 总拨孺干 i 现场开关、传感器 执行元件 图2 2 控制系统解决方案 f i g 2 2s o l u t i o no f c o n t r o ls y s t e m ( 2 ) 控制任务分配 在此系统，作为高层控制的微机需完成以下任务： 接受工作人员发出的指令； 弩秘一 完成对指令的处理，变成p l c 可以识别的指令； 向p l c 发送指令； 随时监控机器工作情况，实时的从p l c 上采集机器工作状态参数，如采集硬盘 的验证码、l v d t 的数据、每个硬盘的完成周期以及优率等： 保存和统计打螺丝失败的原因，以便同后有针对性地改进机器。 下位机p l c 功能： 实时采集工作参数，并送至上位机( p c 机) ； 接受上位机发送的指令； 根据上位机的控制指令，向下位的执行机构发出信号，实现螺丝机的自动化，如 电动缸的升降、机械手的移动以及旋紧螺丝等。 2 2e p s o n 控制系统硬件选型 e p s o n 控制系统的硬件部分主要由德国b e c k h o f f 公司的t w i n c a tp l c 、e p s o n 控制 器与机械手、微机( p c ) 组成，其它部分基本与i a 控制系统一样。 东北大学硕士学位论文 2 2 1t w i n c a tp l c 第2 章e p s o n 控制- t 统方案设计 ( 1 ) p l c 选择原则叫 在选择p l c 时通常要在实际需要点数的基础上预留1 0 的余量，因为这样可以保 证在有点烧坏或者需要改进机器添加点数的情况下有多余的点可以利用。 p l c 的i 0 点数的多少，在很大程序上反映了p l c 系统的功能要求，因此可在i o 点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加2 0 - - 3 0 的裕量。存储容量( 字 节) = 开关量i 0 点数x1 0 + 模拟量i 0 通道数x1 0 0 。这样就可以进行p l c 的存 储容量的选择。 ( 2 ) t w i n c a tp l c 的特点1 2 1 嘲 b e c l ( h o 行n 洫c a t 是一个自动控制软件包，可将任何兼容的p c 转换成具有多p l c 系统、n c 轴控制，编程环境和操作站的实时控制器。t w i n c a t 取代了传统的p l c 和 n c 控制器及操作设备，并具备以下特点： 使用开放式的、兼容的p c 硬件； l 至) w i n d o w s2 0 0 0 x p 和嵌入式x p 、c e 中，内嵌i e c 6 1 1 3 1 3 软p l c 和软n c ； 可选择将编程和实时运行系统装于同一台p c 中，或分开安装； 可连接所有的公共现场总线和用于i o 信号的p c 接口卡； 带用户接口的数据通讯，提供微软开放式标准接口( o p c 、o c x 、d l l 等) 。 l g s ( p e n t i u m4 2 8g h z ) 完成1 0 0 0 个p l c 指令。 其中第条的提供微软开放式标准接口( o p c 、o c x 、d l l 等) 是本课题选择 惭n c a tp l c 的主要依据。 ( 3 ) t 1 i n c a t p l c 的选择 根据设备的实现的功能以及工艺过程判定，每个工位需要的输入点数是e p s o n 机 械手控制器1 6 个、升降器的电动缸1 0 个、流水线及流水线上的传感器8 个、设备的起 停继电器5 个、上下工位的交流4 个、螺丝电动机的驱动4 个、螺丝深度的监测2 个、 供应螺丝2 个，总计5 1 个。每个工位需要的输出点数是e p s o n 机械手控制器1 7 个、 升降器的电动缸9 个、螺丝电动机的驱动5 个、流水线5 个、报警塔灯4 个、多路器3 个、螺丝深度监测l v d t 2 个、扫描仪读取1 个、真空发生器1 个，总计4 7 个。 由于其输入点和输出点都是开关量的，而其输入点数为5 1 个，输出点数为4 7 个， 遵循p l c 的选择原则，所以选择7 个输入模块和7 个输出模块，且每个模块都有8 个 ， 东托天学硕士学位论文第2 章e p s o n 控制系统方案设计 开关量。而存储容量大约为( 5 1 + 4 7 ) 1 0 = 9 8 0 字二肖，所以选择控制器b k l l 2 0 既可， 龟一，蕊 b k l1 2 0 的程序内存为6 4 k 字节。 因此，基于课题中的p l c 的通讯与控制功能，选择了德国的b e e k h o f f 公司的 t w i n c a tp l c 作为低层控制，其耦合控制器型号为b k l1 2 0 。 2 2 2e p s o n 控制器及机械手 e p s o n 机械手起始于1 9 8 1 年年开发s e i k 0 ( 精工) 手表的组装机械手。当时开发 的目标是制造出前所未有的能够高精度、高效率地安装精密部件的机械手。此后的各种 技术继承了原有的爱普生机械手所具有的高精度、高速度和高可靠性，并在此基础上向着 节省技术( 节省空间、节省电力) 及先进的控制技术而迈进。 e p s o n 机械手速度快、功能强大、准确度高，占地小、适合元件拾放、滴液、监 测及装配等。主要应用于如c d v c d 全自动生产线；高速产品分类系统高精度视像检 测，利用同步追踪定位，机械手工作同时，生产线不需停顿；全自动多功能五金零件及 工具加工机械；安装印头于机械手，可高速编印多类型不同产品；自动化食品包装输送 等，e p s o n 机械手如图2 3 所示 图2 3e p s o n 机械手 f i g 2 3e p s o n r o b o t 在e p s o n 机械手的头上安装上一个吸针，并把针安装在步进电机上。这样e p s o n 机械手在t w i n c a tp l c 的控制下，就可以拾取螺丝以及向硬盘上旋紧螺丝。其中除一 台e p s o n 机械手，还有一台e p s o n 控制器。首先是p l c 与e p s o n 控制器通讯，然 后由控制器驱动机械手动作完成任务，e p s o n 机械手控制器参数如表2 1 所示n 刀。 东北大学硕士学位论文 第2 章e p s o n 控制系统方案设计 t a b l e2 1p a l l u n e l e l r o f e p s o nr o b o tc o n t r o l l e r 表2 1e p s o n 机械手控制器参数 名称 机械手控制器 c p u 部c p u ：c e l e r o n8 5 0 m h z 以上 h d ：2 0 g b 以上 r a m ：1 2 8 m b 以上 o s ：w i n d o w s2 0 0 0 机械手控制程序语言及机械e p s o nr c + ( 多重任务机械手语言) 手控制软件 关节控制最大4 轴同时 软件a c 伺服控制器 速度控制可1 - 1 0 0 程序控制 加减速速度控制可l 。1 0 0 程序控制及自动加速 存储容量数据区：4 m b 点数据区：最大1 0 0 0 点 。 示教方法远程示教 直接示教 外部输出信号标准i o输入：1 6 点远程功能可 输出：1 6 点分配 扩展i o输入：3 2 点 输出：3 2 点 通信界面r s 2 3 2 c2 个频道 以太网1 个频道 u s b 2 个端口 电源 a c 2 0 0 v a c 2 4 0 v 单相5 0 6 0 h z 最大额定容量 2 0 0 0 w 2 2 3p c 机 每个工位需要一台p c 机，配置只要保证内存2 5 6 m 以上，硬盘4 0 g 以上即可。在 每台电脑上需要安装的软件有v b 编写的监控软件、t w i n c a tp l c 编程软件以及调试 e p s o n 机械手的s p e l 软件。但要保证p c 上有3 个以上的串行通讯口，要与p c 之间、 多路器、e p s o n 机械手控制器之间通讯，并且要安装上一个以太网卡，并且安装上以 太网网络驱动，保证p c 与p l c 之间的以太网通讯。 东北大学硕士学位论文第2 章e p s o n 控制系统方案设计 2 3 控制系统硬件连接秘 2 3 1 e p s o n 系统整体连接 图2 4e p s o n 控制系统硬件连接 。 f i g 2 4h a r d w n mc o n n e c t i o no fe p s o n c o n t r o ls y s t e m 如图2 4 所示，因为一个硬盘需要六个螺丝来锁定，所以e p s o n 控制系统由六个工 位组成，一个工位负责拧紧一个位置，图2 4 中只示意出两个工位。其中，上下工位的 连接是通过多路器传送数据实现的。每一个工位主要包含了一台p c ( 含显示器) ，一台 b e c k h o f f 公司的t w i n c a tp l c ，一套e p s o n 系统( 含一台e p s o n 控制器和一台e p s o n 机 械手) ，以及一些传感器和执行元件。在p c 电脑上主要用到了3 个串行通信端口和一个 配置的以太网卡端口。其中串行端口的c o m l 和c o m 2 与多路器连接实现上下站点之间的 数据交换，c o m 3 与e p s o n 控制器连接实现p c 与e p s o n 机械手之间的对话。而以太网卡 配上网线连接上了p c 与p l c ，实现两者之间的通讯。所以整个系统的监视与控制都可以 通过p c 来实现。 2 3 2 门控连接 硬件连接除了图2 4 围绕p l c 与p c 的连接外，还有以继电器为主控的门控连接，如 图2 5 和图2 6 所示。图2 5 主要负责整个控制系统的启动、断开以及重启等。而图2 6 东北大学硕士学位论文 第2 章e p s o n ：j 空* 系统方案设计 ，- - _ _ - ，。 ，- _ 一- ，一_ 。，_ 一一一 主要连接到p l c 上，当前门钥匙开关合上后， p l c 停止工作。这样，就可以在必要的时候， 转情况。 p s l 2 4 、r 当打开门的时候，不会因门控继电器而使 在安全门开启的情况下更好地观察机器运 p l c 图2 5 前后门急停、复位线路连接 f i g 2 5c o n n e c t i o no fs t o pa n dr e s e ta tb o t hd o o r s 图2 6 门旁路线路连接 f i g 2 6c o n n e c t i o no fb y p a s sd o o r 1 4 东北大学硕士学位论文第2 章e p s o n 控制系统方案设计 2 4 本章小结 一b 本章主要从新系统的功能要求出发，提出了新系统的控制方案，并进行了硬件选型。 主要是利用德国倍福公司的t w i n c a tp l c