基于EPSON工業機器人的加熱杯墊通電檢測站控制與調試*

師 帥，顏建美，王浩強

（常州紡織服裝職業技術學院，江蘇常州 213164）

0 引言

智能制造教學實訓產線具有高集成度、高開放性，是具有模塊化設計的工業4.0柔性智能制造生產線。該智能產線可以生產加熱杯墊，實現對產品的全過程智能化生產，包括最初從智能終端產品下單到最終個性化產品的交付，全流程的自動化、信息化及智能化控制。通電檢測站為此智能產線中多個智能控制站中的一個，實現對加熱杯墊的外觀及通電檢測，即對加熱杯墊進行在線檢測，以有效控制產品質量，并極大地提高生產效率[1]。目前國內有一些智能制造教學實訓產線，但將智能產線相關的知識和技術引入教材并開展相關教學的成功案例很少。本文從智能產線中的通電檢測工作站入手，由工作站的結構組成、工藝流程、控制系統組成、PLC 程序設計、機器人程序設計、交互界面設計及運行與調試等方面展開論述，按照由整體到局部、由簡單到復雜、由工藝到設計、由系統組成到運行調試的邏輯脈絡展開，以更清晰、系統地闡述加熱杯墊通電檢測站的智能控制方法及關鍵技術應用。

將智能制造相關技術集成于教學設備，并根據設備特點編寫教材及開展有效教學是目前很多學校面臨的重要問題。智能制造技術日新月異，讓學員掌握最新的智能制造相關技術及培養相關綜合能力刻不容緩。本文以加熱杯墊通電檢測站為對象，為探索更通俗易懂地展現智能制造相關知識和技術提供參考。

1 結構組成

本站主要包括愛普生4軸機器人、機器人夾具支架、視覺檢測裝置、通電檢測裝置、控制柜、操作面板、觸摸屏等模塊。通電檢測站三維圖如圖1所示。

圖1 通電檢測站三維圖

4 軸機器人實現對工件的抓取、搬運、位置調整等功能。機器人夾具支架可放置供機器人替換的夾具。視覺檢測裝置實現對杯墊外觀及位置的視覺檢測，并將檢測結果傳送至PLC 控制器，包括工業相機、動作氣缸、檢測傳感器及相關機構等。通電檢測裝置實現對杯墊的通電檢測功能，包括動作氣缸、檢測傳感器及相關機構等?？刂乒裎挥谡麄€工作站平臺的下方，控制柜中包括PLC、視覺系統工控機、機器人控制器、繼電器等常用電氣元件。操作面板包括工作站操作的開關、按鈕、指示燈等。觸摸屏主要實現操作設備、參數設置、報警顯示等功能[2-5]。

本站控制核心選用西門子1500 系列PLC，通過西門子HMI 和操作面板按鈕實現人機交互?？刂葡到y拓撲圖如圖2 所示。本站PLC 與主站PLC、觸摸屏及RFID 模塊之間采用PROFINET 協議通信；EPSON 的4 軸機器人及?？狄曈X系統與本站PLC 采用的是TCP/IP 協議通信，另外，EPSON 機器人與主站PLC 之間還有I/O 信號連接；開關、按鈕、傳感器作為PLC的輸入信號連接；繼電器、電磁閥、指示燈作為PLC的輸出信號連接。

圖2 控制系統拓撲圖

本站通過工業以太網交換機模塊實現網絡管理，與主站進行信息交互，實現整條產線的協調運行。所有設備的IP地址設置必須在同一網段，具體地址如表1所示。

表1 設備網絡地址配置

2 工藝流程與控制系統

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）流程啟動后，通過輸送線將上一站裝配完成的加熱杯墊半成品的托盤輸送至本站定位后擋位置；

（2）系統檢測到位后進行后擋放行，托盤被輸送至定位前擋位置；

（3）頂升氣缸進位把托盤頂起，EPSON 機器人抓取杯墊，并搬運至視覺檢測位置；

（4）視覺系統對杯墊的正反面及放置水平角度進行判斷，系統進行自動糾偏操作，糾偏的目的是通電檢測時，USB插頭能對正插入杯墊USB插口；

（5）機器人將杯墊搬運至通電檢測位置，通電定位氣缸伸出固定杯墊，USB插入氣缸進位通電；

（6）機器人抓手松開杯墊并移動至等待位置，系統檢測通電情況并判斷是否合格；

（7）旋轉氣缸動作進位，旋轉上下氣缸下降，杯墊吸氣閥動作把杯墊吸住后旋轉氣缸動作原位，將杯墊進行翻轉操作；

（8）機器人抓取杯墊，杯墊吹氣閥動作釋放杯墊；

（9）若通電檢測合格，機器人搬運杯墊至輸送托盤并放置，頂升氣缸恢復原位托盤下降，機器人運行至初始位置；

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

2.2 控制系統

本站的主控制器選用CPU1512C-1 PN，它自帶32個DI 數字量輸入和32 個DO 數字量輸出，又分別增加了32個DI 數字量輸入模塊、32 個DO 數字量輸出模塊和CM PtP RS422/485 通信模塊。電柜內電氣元器件還包括開關電源、安全繼電器、空開、接觸器、中間繼電器、工業交換機、插座及接線端子排等[6]，組成本站電氣控制系統硬件部分。通電檢測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程序設計與機器人程序設計

3.1 PLC程序設計

（1）控制流程

通電檢測站PLC 程序在OB1 中調用了功能塊FB5 來實現設備的自動運行，控制流程圖如圖5所示。

圖5 自動運行控制流程

開始后執行光電、氣缸、氣閥功能塊程序，以實現光電傳感器及氣缸等的控制。調用EPSON機械手功能塊，實現PLC對機器人的控制及與機器人的相互通信[7]。視覺工控機功能塊實現PLC與視覺系統之間控制與通信。隨后是設備動作流程控制，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、機器人取料1 等，此處機器人取料1 是機器人從初始位置至輸送托盤上取料控制；視覺檢測獲取坐標值是通過視覺系統獲取杯墊的外觀及糾偏角度數據；溫度傳感器檢測是在通電檢測中，通過溫度傳感器來獲取數據判斷杯墊通電后的加熱性能，從而判斷杯墊是否合格；機器人取料2 是機器人從中間等待位至物料翻轉位取料控制[8]。最后，PLC根據通電檢測結果來控制機器人把杯墊放置在合適位置，若檢測合格則放置在輸送托盤上，若檢測不合格則放置在不良品暫存處。

（2）重要程序說明

在EPSON 機械手功能塊中，主要調用了FB10012 愛普生四軸機器人功能塊，如圖6所示，來自機器人控制器的輸入信號有機器人就緒、運行中、暫停中、錯誤中等，PLC控制機器人的輸出信號有機器人啟動、停止、暫停、繼續、復位等；連接數據塊端口連接的數據塊為DB130。

圖6 調用FB10012功能塊程序

在FB10012 愛普生四軸機器人功能塊中，機器人通信連接程序如圖7 所示?！癟CON”指令可設置并建立通信連接，在PLC 程序中，當設置并建立連接后，CPU 可以自動連續地監視該連接?！癟DISCON”指令可以終止CPU與某個連接伙伴之間的通信連接[9]。

圖7 機器人通信連接程序

（3）I/O信號分配表

通電檢測站PLC 主要I/O 信號分配表如表2 所示。輸入信號主要為開關、按鈕及傳感器信號，輸出信號主要為氣缸、氣閥及指示燈等控制[10]。

表2 主要I/O信號分配表

3.2 機器人程序設計

EPSON 機器人主程序通過與PLC 做TCP/IP 字符串通信，通信程序如圖8 所示。機器人作為服務器以#201 為編號，IP地址為192.168.0.65，端口號設置為2000。

圖8 機器人通信程序

機器人程序進行工藝工歩斷點分割形式，其中“Case11”依次到“Case16”6 個工步為加熱杯墊的通電檢測步驟，經過搬運拍照、翻轉、上線以及不良品剔除等幾個工步，相關程序中有對應的中文文字備注和Print打印說明，程序名稱說明如表3所示。

表3 機器人程序名稱說明

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）為運行至糾偏后應該放置的位置。

圖9 機器人角度糾偏程序

4 交互界面設計

HMI 界面需要根據控制要求完成觸摸屏自動和手動操作界面的設計。

（1）自動界面設計

自動界面包括主畫面和功能選擇/畫面切換畫面。主畫面如圖10所示，要能夠實時顯示設備當前運行狀態和報警信息，實現記錄歷史報警和報警清除功能；同時，能夠對設備進行初始化操作、運行和停止等操作[11]。功能選擇/畫面切換畫面如圖11 所示，能夠實現設備各種功能模式的切換、選擇及屏蔽等操作，同時可以在本畫面切換至其他控制畫面[12]。

圖10 主畫面

圖11 功能選擇畫面

（2）手動界面設計

手動界面包括EPSON機器人畫面、視覺系統界面、氣缸操作畫面、RFID調試畫面、傳感器監視畫面等。EPSON機器人畫面如圖12所示，能夠單獨對機器人進行運行、初始化、暫停、停止、繼續、斷開連接、執行程序指令等操作，同時能實時顯示機器人的運行狀態及參數設置等[13]。視覺系統畫面如圖13所示，能夠顯示當前視覺通信狀態及報警各種狀態；將設定的流程號發送給視覺控制器，并接收檢測結果；可以對視覺通信連接進行斷開及復位操作等。

圖12 EPSON機器人畫面

圖13 視覺系統畫面

5 運行調試

（1）機器人程序調試

確認通電、通壓縮空氣，機器人工具放置在對應正確的工具支架位置。打開工控機桌面上的機器人控制軟件“EPSON RC+7.0”，等待軟件啟動并執行自動生產程序。RC+啟動界面如圖14所示。

圖14 RC+啟動界面

此時已完成機器人全部開機后的準備工作，等待電氣初始化和啟動運行信號，不需要任何操作。如進行編程調試需要點擊圖14 中的“轉變為程序調試模式”并輸入密碼，如圖15所示。

圖15 轉到程序模式

（2）初始化操作

上電后，觸摸屏進入啟動畫面，點擊“進入畫面”按鈕進入主畫面，長按主畫面上的“初始化”按鍵3S，觸摸屏顯示設備初始化中，初始化完成后設備處于停止中狀態[14]。在未進行初始化時，綠燈以1 Hz 的頻率閃爍；在初始化的過程中，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）控制與調試

手動控制要求：①急停保持松開狀態，門保持關緊狀態，Hand-0-Auto 切換到Hand 位置；②通過按下氣缸動作按鈕可以對氣缸進行伸出縮回等動作；③EPSON機器人在手動控制模式下可以進行單獨調試及點位示教；④可以對RFID 進行手動讀取寫入信息。

自動控制要求：①急停保持松開狀態，門保持關緊狀態，Hand-0-Auto 切換到Auto 位置；②操作運行，初始化成功后，此時按下Start（啟動）按鈕后設備進入自動運行狀態，此時狀態Start 按鈕常亮，設備框LED顯示綠色，在自動運行狀態下按下STOP（停止）按鈕、急停按鈕和開門觸發安全開關設備都會停止，以保證設備與人員的安全[15]；③送料小車運送到后擋氣缸位置，判斷通電檢測站位置是否有正在生產的訂單，若沒有則落下放行。

送料小車繼續運送到前擋氣缸位置，此時RFID 讀寫器進行讀取，讀取數據包括小車編號、工單值、工單單號、工單類型、產品編碼、定制信息、生產數量、單站完成狀態和單站OK 狀態等信號，若此時信息正確則進行通電檢測工序，若信息錯誤則放行。

6 結束語

通電檢測站為杯墊生產智能產線的中間一站，所起作用比較關鍵。在單站調試過程中，可以根據調試的需要，通過觸摸屏進行“屏蔽安全門”“RFID 屏蔽”“屏蔽視覺”“屏蔽MES 報工”等操作，有助于設備的順利調試。在線檢測技術的應用，有效提高了生產效率、產品質量和設備安全性，實現了基于EPSON 工業機器人的加熱杯墊通電檢測站的智能化控制，也有助于整體全面了解本站所涉及智能制造相關的知識和技術。在使用過程中，發現了一些問題，通電檢測時，通電插頭插入杯墊供電接口的可靠性有待進一步提高，可以從設計上做進一步的優化；另外，軟件程序也可以進一步優化，比如，若杯墊在進站時正反面方向放置錯誤，目前系統可以檢測出有問題并暫停設備，但缺少系統下一步如何操作或處理，觸摸屏也缺少相關信息報警或提示等。