自動化畢業論文——開關柜自動鉚接的PLC控制系統

開關柜自動鉚接的PLC控制系統

0 引言

鉚接是指利用軸向力，將零件鉚釘孔內釘桿墩粗并形成釘頭，使多個零件相

連接的永久性連接方法。自動鉚接是一種先進的鉚接技術，分為全自動鉆鉚一體

和單工序鉆鉚分離。國外的全自動鉆鉚技術已經成熟，但需不斷停機調整以適應

鉚釘尺寸差異。該技術在國內還處于探索階段。單工序鉆鉚分離技術相對成熟，

目前已逐步應用于民用領域。由于自動鉚接引入了工業機器人，因此具有高精度、

高柔性、高質量的特點。傳統的高壓開關柜柜體組裝是通過多人配合或機械臂助

力柜體鈑金件拼裝，再手持氣動鉚槍鉚接的方式實現的。由于柜體鈑金件裝配具

有大尺寸、大重量、鉚接孔位多、人工工作不穩定的因素，會造成人工裝配鉚接

強度大、效率低、生產周期長、質量穩定性差的問題。隨著智能制造對數字化工

廠發展的需求，提高產品質量和生產效率、降低企業生產成本已成為當前企業發

展的趨勢。

開關柜柜體屬于封閉性腔體，對鉚接定位精度要求不高，適合采用單工序鉆

鉚分離技術單面抽芯鉚接的固定方式。本文設計選用西門子S7-1215型可編程邏

輯控制器作為控制器、末端成90°安裝氣動液壓鉚槍和視覺單元的發那科i700

工業機器人作為鉚接執行機構、振動盤和直振器作為鉚釘送料裝置、伺服圓臺轉

盤作為輔助鉚接裝置，結合柜體組裝定位夾具，構成集自動定位、取釘、鉚接為

一體的開關柜單工序自動化鉚裝系統。

1 開關柜自動組裝流程

KYN28開關柜是用于電力系統發電、輸電、配電、電能轉換和消耗中起通斷、

控制或保護等作用的電氣設備。其結構為彎板組裝柜。整個柜體以11塊鈑金件

作為零部件搭接組裝，通過鉚接緊固件進行連接。開關柜柜體鉚接孔如圖1所示。

圖1 開關柜柜體鉚接孔示意圖

開關柜的自動化組裝系統由運輸系統、裝配系統、鉚接系統三部分組成。自

動引導車將柜體鈑金件從鈑金車間運輸到裝配上料點，并通過機械手將鈑金件移

載到輥筒輸送機。

輥筒輸送機將鈑金件送到定位位置后，依靠裝配機器人將鈑金件抓取到裝配

位進行氣吸緊固定位。鉚接時，先通過A、B兩套振動盤和直振器將A、B這2

種型號的抽芯鉚釘輸送到取釘位置。固定鈑金件后，鉚接機器人按照固定的鉚接

流程進行工作：鉚槍氣動吸取鉚釘→確認鉚釘成功吸取→相機定位鉚接孔位置→

PLC獲取位置偏差并送機器人→機器人持鉚槍推釘入孔→氣動液壓鉚槍鉚接→

廢氣排鉚釘斷芯→釘芯收集器。如此循環，直到將86個鉚接孔鉚接完畢。針對

裝配處底部無法鉚接的問題，對鉚接機器人設置第7軸伺服轉臺，用于完成裝配

位底部未鉚接的孔。

開關柜裝配鉚接工藝流程如圖2所示。

圖2 開關柜裝配鉚接工藝流程

2 系統設計

2.1 系統硬件方案設計

為了實現自動鉚接系統視覺定位、機器人鉚接任務，本文以西門子S7-1215

型PLC為核心控制器、西門子精智面板TP1000作為人機監控界面、FANUC i700

R-30ib機器人為執行機構、基恩士CV-X相機為視覺單元、GESIPAD TAURUS2氣

動液壓鉚釘槍為鉚接執行機構，搭建了自動鉚接系統。其中：PLC與觸摸屏、視

覺單元、工業機器人之間采用PROFINET的通信方式[7]實現數據通信；PLC擴展

了數字量輸入模塊SM1221用于按鈕、傳感器信號輸入，以及數字量輸出模塊

SM1222用于電磁閥、機器人、相機、振動盤、氣缸控制。

選用的GESIPAD TAURUS2氣動液壓鉚釘槍具有低反沖力、低噪音的特點。它

采用壓縮空氣取代傳統彈簧壓力作用在釘芯表面，以實現拉抓鉚釘。其作用力比

傳統壓力多10倍，拉抓更可靠。壓縮空氣可以二次使用：第一次用于安裝抽芯

鉚釘；第二次用于收集廢棄釘芯。這既減少了壓縮空氣用量，又降低了鉚接噪音。

該鉚槍配備加長槍頭，更適用于鉚槍深入到夾具深度較大的場合。基恩士CV-X

相機具有高速、大容量的特點，在幾何檢測方面使用新開發的自動特征抽取算法

Shape Trax3技術實現目標輪廓提取，可自動分析圖像干擾。

在機器人末端，使用轉換板將視覺單元和鉚釘槍成90°安裝。雖然開關柜

整體為六面體，但是鈑金件為折彎板，因此只需要鉚接四面即可完成鉚接工作。

即便如此，由于裝夾定位原因，在同一工位，機器人無法完成柜體兩側底部的鉚

接。因此，為鉚接機器人配備旋轉軸(7軸)以配合鉚接。旋轉軸采用三菱

MR-J4-200A伺服驅動器。送釘裝置由直振器、振動盤以及信號檢測開關組成。

鉚接控制系統硬件如3所示。

圖3 鉚接控制系統硬件框圖

2.2 系統軟件程序設計

2.2.1 軟件程序工藝流程

系統啟動后，鉚接機器人、振動盤、直振器、滾筒輸送機均處于待機狀態。

當鈑金件裝配完成且定位結束，鉚接機器人啟動，按照取釘→拍照→鉚接的流程

依次對鉚接孔進行鉚接。當工位上的鉚接孔完成鉚接后，通過翻轉機構和移載輥

將柜體移載到7軸伺服圓臺上進行二次定位夾緊、鉚接工作。控制程序的核心要

點在于相機→PLC→機器人之間的數據通信和調試。軟件程序工藝具體流程如下。

①調試流程。

開關柜鉚接鈑金件以夾具定形、工裝定位、鈑金件定位裝夾好之后，按照機

器人最優路徑規劃鉚接執行順序。為了提高鉚接精度，以鉚接的第一個點為基準

點，在機器人工具坐標環境下按照鉚接順序依次進行鉚接坐標定位和示教編程。

使用相機軟件對鉚接孔進行特征學習。在相機的工具坐標環境下，按照鉚接順序

識別每個孔中心點的坐標，并通過觸摸屏記錄到PLC中，作為運行時各個孔求取

坐標偏差的基準鉚接坐標。

軟件程序設計流程如圖4所示。

圖4 軟件程序設計流程

②運行流程。

開始鉚接時，機器人末端根據鉚接執行順序在振動盤送釘處選用相應規格的

鉚釘，通過壓力檢測判斷是否取釘成功。取釘完成后，機器人末端移動到被鉚接

鈑金件處，使用相機獲取鉚接孔位置的實際坐標，并將獲取的坐標送給PLC。PLC

根據相機學習坐標和當前實際坐標求X、Y坐標偏差值，并將該偏差值從相機坐

標系下變換到機器人坐標系下。變換后的偏差值送給機器人。機器人末端執行器

切換為鉚槍，在原示教坐標點上進行坐標偏置，驅動機器人完成位置修正并進行

鉚接。如此往復，按照鉚接順序完成鉚接工作。

網絡拓撲如圖5所示。

圖5 網絡拓撲圖

程序框架結構如圖6所示。

圖6 程序框架結構

系統網絡采用PROFINET通信方式，將觸摸屏、機器人、視覺單元都分配到

PLC_1的子網下。由于PROFINET通信是依靠設備名稱實現的，需要在PLC_1的

子網下對機器人、相機分配設備名稱。程序編寫采用模塊式編程結構、順序控制

的編程方法實現。OB1主程序調用其他子程序。部分子程序對其他子程序進行嵌

套調用。

2.2.2 視覺與PLC通信

要實現視覺與PLC之間的通信，需要在PLC與視覺雙方進行相關配置。

(1)PLC側通信設置。

采用TIA Portal軟件建立通信協議及接口，配置用于數據通信的輸入/輸出

區域。設置流程為：加載KEYENCE視覺PROFINET通信通用站點描述文件→添加

KEYENCE視覺硬件模塊→設置視覺以太網IP地址192.168.0.10→設備名稱為

vision→分配給PLC_1控制器。

視覺的硬件組態中配置了75 B通信數據區。該數據區部分為系統定義，部

分為用戶自定義。根據需要，設置PLC中通信開始地址為IB800和QB800。KEYENCE

視覺I/O參數配置如表1所示。

表1 KEYENCE視覺I/O參數配置表

(2)KEYENCE視覺側通信設置。

KEYENCE視覺側采用CV-X Series Termianl-Software，按照以下流程進行

設定。

需要注意：設備名稱要與PLC中設置一致，均為vision； 小數點處理為固定小

數點，代表 PLC接收到的數據是放大1 000倍的，機器人接收到信息后要作縮

小處理；由于西門子PLC數據字節序為大端，為了減少數據轉化的程序編寫，字

節序設置為大端。在輸出設定中配置PROFINET通信數據時，按照步驟③和步驟

④配置鉚接孔中心X、Y坐標值以及拍照成功等信息，將輸出變量與地址關聯。

該配置要和PLC中的配置對應。PLC中通過設置與相機通信的I/O數據塊。輸入

DB對應相機的輸出。輸出DB對應相機的輸入。數據通信的區域可通過相機中的

PROFINET接收數據和發送數據表作對應檢查。PLC與視覺單元間的數據通信是按

掃描周期自動刷新讀取的。

相機在拍照過程中會受日光的影響，夜晚工作效果好，白天正午時分對孔中

心和孔邊緣輪廓的獲取較為困難。因此，本設計在相機側加裝了遮陽擋，增強了

光源強度，以滿足拍照需求。

2.2.3 FANUC機器人與西門子PLC通信

由于FANUC機器人未配置PROFINET通信卡，本設計采用西門子CP1616以太

網通信卡實現PROFINET通信。

(1)PLC側通信設置。

采用TIA Portal軟件作以下設置：加載機器人PROFINET通信GSD文件→添

加FANUC機器人模塊→屬性→PROFINET接口→以太網地址192.168.0.11→

PROFINET設備名稱FANUC-i700，將該設備分配給PLC_1。

建立以IB600和QB600地址開的數據通信區域，用于雙方數據交換。根據數

據通信需求，用戶可以自定義與機器人專用I/O、通用I/O和組I/O的數據通信

區域。工業機器人I/O參數配置如表2所示。

表2 工業機器人I/O參數配置表

表2中：輸出的組I/O用于給機器人發坐標偏差；輸入的組I/O用于校驗發

送的數據是否正確。

(2)FANUC機器人側通信設置。

手操器設置如下。

FANUC機器人的GI[i]數據類型為字(WORD)類型[10]，而視覺數據為雙字

(DWORD)類型，二者不匹配，不能直接進行數據收發。所以，需要用2個組合起

來的GI[i]接收視覺數據。此外，FANUC機器人只支持+、 -、* 、/ 、MOD運算

指令，沒有把2個WORD類型數據合并成一個DWORD數據的指令。因此，采用加

減乘除的方法將視覺的32位數據拆分為2個16位數據發給機器人，機器人側再

逆運算組合成32位數據，從而以西門子PLC為中間媒介，實現KEYENCE視覺單

元與FANUC機器人之間的數據通信。

除了數據大小存在的問題以外，工業機器人和視覺單元還存在坐標不統一的

問題，因此需要進行坐標變換。面對鉚接件：機器人坐標向上為X軸，向右為Y

軸，標記為XR和YR；視覺單元坐標向左為X軸，向上為Y軸，標記為XS和YS，

則存在YR=-XS、XR=YS。機器人與視覺坐標示意如圖7所示。

圖7 機器人與視覺坐標示意圖

基于以上分析，本文設計了基于PLC的DWORD類型數據處理算法。

PLC側及工業機器人側數據處理流程分別如圖8、圖9所示。

圖8 PLC側數據處理流程

圖9 工業機器人側數據處理流程

2.2.4 三菱伺服驅動器的脈沖序列輸出控制

西門子S7-1200 PLC對三菱伺服驅動器的控制采用脈沖串輸出脈沖序列輸出

的方式進行：在TAI Portal軟件的工藝對象下新增軸工藝；組態工藝參數；位

置單位為角度；使用100 kHz脈沖+方向的模式，Q0.0發送脈沖、Q0.1發送方向；

每轉脈沖數為5 000。系統設置硬件上限位為I0.0，下限位為I0.1，原點開關

為I0.2，高電平有效，加減速設置為5 s，最大速度為160°/s。硬件配置好以

后，可使用

等指令實現使能、回原點、絕對位置移動、電動、復位、暫停等功能。

3 人機界面設計實現

人機界面選用西門子TP1000精致面板，采用PROFINET與PLC進行通信，設

置了機器人控制與監視、伺服轉臺控制與監控、視覺控制、振動盤以及報警畫面。

觸摸屏畫面內添加了相關數據監控記錄表，可實現對相機、機器人、伺服轉臺、

振動盤的手動調試和自動運行監視工作。觸摸屏虛擬按鈕的使用節省了大量的實

物按鈕，縮短了設備開發周期并降低了維護成本。相機控制畫面包括相機狀態監

視、參數手動/自動設置、被測孔實測值/偏差值/基準值顯示等功能，能夠滿足

手動調試及參數初始化設置，以及拍照坐標參數的顯示功能。伺服控制界面主要

實現了伺服電機軸位置、驅動器狀態、運動狀態、故障情況、速度、位置等信息

的顯示，同時具有點動、定向運動、手動調試、回原點等觸屏操作功能。振動盤

控制主要設置了觸摸按鈕，實現振動盤、直振器的啟停控制和狀態顯示，以及鉚

釘夾緊氣缸的伸縮控制和狀態顯示。

4 結論

本文設計并實現了西門子S7-1215 PLC、FANUC機器人、KEYENCE視覺單元、

TP1000觸摸屏為一體的開關柜自動鉚裝控制系統。首先，給出了硬件方案、軟

件程序流程；然后，介紹了西門子PLC與FANUC機器人、KEYENCE視覺單元的

PROFINET通信實現方法；最后，提出了解決FANUC機器人無法直接接收32位數

據的方法。該系統可通過修改PLC程序和機器人示教程序實現不同尺寸箱體的自

動鉚裝，可拓展性強，與人工鉚接相比具有效率高、質量穩定的優點，對同類自

動化控制系統的開發具有一定借鑒意義。