开关柜自动铆接的PLC控制系统设计与实现

吕伟珍，金晓华，2

(1.宁夏工商职业技术学院电气与控制工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏荣邦电力工程有限公司，宁夏 银川 750021)

0 引言

铆接是指利用轴向力，将零件铆钉孔内钉杆墩粗并形成钉头，使多个零件相连接的永久性连接方法[1]。自动铆接是1种先进的铆接技术，分为全自动钻铆一体和单工序钻铆分离。国外的全自动钻铆技术已经成熟，但需不断停机调整以适应铆钉尺寸差异[2]。该技术在国内还处于探索阶段[3-4]。单工序钻铆分离技术相对成熟，目前已逐步应用于民用领域。由于自动铆接引入了工业机器人，因此具有高精度、高柔性、高质量的特点[2]。传统的高压开关柜柜体组装是通过多人配合或机械臂助力柜体钣金件拼装，再手持气动铆枪铆接的方式实现的。由于柜体钣金件装配具有大尺寸、大重量、铆接孔位多、人工工作不稳定的因素，会造成人工装配铆接强度大、效率低、生产周期长、质量稳定性差的问题[1，5]。随着智能制造对数字化工厂发展的需求，提高产品质量和生产效率、降低企业生产成本已成为当前企业发展的趋势。

开关柜柜体属于封闭性腔体，对铆接定位精度要求不高，适合采用单工序钻铆分离技术单面抽芯铆接的固定方式。本文设计选用西门子S7-1215型可编程逻辑控制器(programable logic controller，PLC)作为控制器、末端成90°安装气动液压铆枪和视觉单元的发那科(FANUC) i700工业机器人作为铆接执行机构、振动盘和直振器作为铆钉送料装置、伺服圆台转盘作为辅助铆接装置，结合柜体组装定位夹具，构成集自动定位、取钉、铆接为一体的开关柜单工序自动化铆装系统。

1 开关柜自动组装流程

KYN28开关柜是用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用的电气设备[6]。其结构为弯板组装柜。整个柜体以11块钣金件作为零部件搭接组装，通过铆接紧固件进行连接。开关柜柜体铆接孔如图1所示。

图1 开关柜柜体铆接孔示意图Fig.1 Schematic diagram of riveting holes of switchgear cabinets

开关柜的自动化组装系统由运输系统、装配系统、铆接系统3部分组成。自动引导车(automatic guided vehicle，AGV)将柜体钣金件从钣金车间运输到装配上料点，并通过机械手将钣金件移载到辊筒输送机。

辊筒输送机将钣金件送到定位位置后，依靠装配机器人将钣金件抓取到装配位进行气吸紧固定位。铆接时，先通过A、B两套振动盘和直振器将A、B这2种型号的抽芯铆钉输送到取钉位置。固定钣金件后，铆接机器人按照固定的铆接流程进行工作：铆枪气动吸取铆钉→确认铆钉成功吸取→相机定位铆接孔位置→PLC获取位置偏差并送机器人→机器人持铆枪推钉入孔→气动液压铆枪铆接→废气排铆钉断芯→钉芯收集器。如此循环，直到将86个铆接孔铆接完毕。针对装配处底部无法铆接的问题，对铆接机器人设置第7轴伺服转台，用于完成装配位底部未铆接的孔。

开关柜装配铆接工艺流程如图2所示。

图2 开关柜装配铆接工艺流程Fig.2 Switchgear assembly riveting process

2 系统设计

2.1 系统硬件方案设计

为了实现自动铆接系统视觉定位、机器人铆接任务，本文以西门子S7-1215型PLC为核心控制器、西门子精智面板TP1000作为人机监控界面、FANUC i700 R-30ib机器人为执行机构、基恩士(KEYENCE)CV-X相机为视觉单元、GESIPAD TAURUS2气动液压铆钉枪为铆接执行机构，搭建了自动铆接系统。其中：PLC与触摸屏、视觉单元、工业机器人之间采用PROFINET的通信方式[7]实现数据通信；PLC扩展了数字量输入模块SM1221用于按钮、传感器信号输入，以及数字量输出模块SM1222用于电磁阀、机器人、相机、振动盘、气缸控制。

选用的GESIPAD TAURUS2气动液压铆钉枪具有低反冲力、低噪音的特点。它采用压缩空气取代传统弹簧压力作用在钉芯表面，以实现拉抓铆钉。其作用力比传统压力多10倍，拉抓更可靠。压缩空气可以二次使用：第一次用于安装抽芯铆钉；第二次用于收集废弃钉芯。这既减少了压缩空气用量，又降低了铆接噪音。该铆枪配备加长枪头，更适用于铆枪深入到夹具深度较大的场合。基恩士CV-X相机具有高速、大容量的特点，在几何检测方面使用新开发的自动特征抽取算法Shape Trax3技术实现目标轮廓提取，可自动分析图像干扰。

在机器人末端，使用转换板将视觉单元和铆钉枪成90°安装。虽然开关柜整体为六面体，但是钣金件为折弯板，因此只需要铆接四面即可完成铆接工作。即便如此，由于装夹定位原因，在同一工位，机器人无法完成柜体两侧底部的铆接。因此，为铆接机器人配备旋转轴(7轴)以配合铆接。旋转轴采用三菱MR-J4-200A伺服驱动器。送钉装置由直振器、振动盘以及信号检测开关组成。铆接控制系统硬件如3所示。

图3 铆接控制系统硬件框图Fig.3 Hardware block diagram of riveting control system

2.2 系统软件程序设计

2.2.1 软件程序工艺流程

系统启动后，铆接机器人、振动盘、直振器、滚筒输送机均处于待机状态。当钣金件装配完成且定位结束，铆接机器人启动，按照取钉→拍照→铆接的流程依次对铆接孔进行铆接。当工位上的铆接孔完成铆接后，通过翻转机构和移载辊将柜体移载到7轴伺服圆台上进行二次定位夹紧、铆接工作。控制程序的核心要点在于相机→PLC→机器人之间的数据通信和调试。软件程序工艺具体流程如下。

①调试流程。

开关柜铆接钣金件以夹具定形、工装定位、钣金件定位装夹好之后，按照机器人最优路径规划铆接执行顺序。为了提高铆接精度，以铆接的第一个点为基准点，在机器人工具坐标环境下按照铆接顺序依次进行铆接坐标定位和示教编程。使用相机软件对铆接孔进行特征学习。在相机的工具坐标环境下，按照铆接顺序识别每个孔中心点的坐标，并通过触摸屏记录到PLC中，作为运行时各个孔求取坐标偏差的基准铆接坐标。

软件程序设计流程如图4所示。

图4 软件程序设计流程Fig.4 Software programming design flowchart

②运行流程。

开始铆接时，机器人末端根据铆接执行顺序在振动盘送钉处选用相应规格的铆钉，通过压力检测判断是否取钉成功。取钉完成后，机器人末端移动到被铆接钣金件处，使用相机获取铆接孔位置的实际坐标，并将获取的坐标送给PLC。PLC根据相机学习坐标和当前实际坐标求X、Y坐标偏差值，并将该偏差值从相机坐标系下变换到机器人坐标系下。变换后的偏差值送给机器人。机器人末端执行器切换为铆枪，在原示教坐标点上进行坐标偏置，驱动机器人完成位置修正并进行铆接。如此往复，按照铆接顺序完成铆接工作。

网络拓扑如图5所示。

图5 网络拓扑图Fig.5 Network topology diagram

程序框架结构如图6所示。

图6 程序框架结构Fig.6 Program framework structure

系统网络采用PROFINET通信方式，将触摸屏、机器人、视觉单元都分配到PLC_1的子网下。由于PROFINET通信是依靠设备名称实现的，需要在PLC_1的子网下对机器人、相机分配设备名称。程序编写采用模块式编程结构、顺序控制的编程方法实现[8]。OB1主程序调用其他子程序。部分子程序对其他子程序进行嵌套调用。

2.2.2 视觉与PLC通信

要实现视觉与PLC之间的通信，需要在PLC与视觉双方进行相关配置。

(1)PLC侧通信设置。

采用TIA Portal软件建立通信协议及接口，配置用于数据通信的输入/输出(input/output,I/O)区域。设置流程为：加载KEYENCE视觉PROFINET通信通用站点描述(generic station desoription,GSD)文件→添加KEYENCE视觉硬件模块→设置视觉以太网IP地址192.168.0.10→设备名称为vision→分配给PLC_1控制器。

视觉的硬件组态中配置了75 B通信数据区。该数据区部分为系统定义，部分为用户自定义。根据需要，设置PLC中通信开始地址为IB800和QB800。KEYENCE视觉I/O参数配置[9]如表1所示。

表1 KEYENCE视觉I/O参数配置表Tab.1 KEYENCE visual I/O parameter configuration table

(2)KEYENCE视觉侧通信设置。

KEYENCE视觉侧采用CV-X Series Termianl-Software[9]，按照以下流程进行设定。

①环境设定→网络→网络设定→设置IP地址为192.168.0.10。

②环境设定→PROFINET→启用PROFINET→PROFINET设备名称→vision→小数点处理→固定小数点→字节序→大端。

③输出设定→PROFINET→位元分配→CCD1判定。

④输出设定→PROFINET→字节分配→对象选择→检测值→T100圆心位置→位置X。

需要注意：设备名称要与PLC中设置一致，均为vision； 小数点处理为固定小数点，代表 PLC接收到的数据是放大1 000倍的，机器人接收到信息后要作缩小处理[8]；由于西门子PLC数据字节序为大端，为了减少数据转化的程序编写，字节序设置为大端。在输出设定中配置PROFINET通信数据时，按照步骤③和步骤④配置铆接孔中心X、Y坐标值以及拍照成功等信息，将输出变量与地址关联。该配置要和PLC中的配置对应。PLC中通过设置与相机通信的I/O数据块(data block，DB)。输入DB对应相机的输出。输出DB对应相机的输入。数据通信的区域可通过相机中的PROFINET接收数据和发送数据表作对应检查。PLC与视觉单元间的数据通信是按扫描周期自动刷新读取的。

相机在拍照过程中会受日光的影响，夜晚工作效果好，白天正午时分对孔中心和孔边缘轮廓的获取较为困难。因此，本设计在相机侧加装了遮阳挡，增强了光源强度，以满足拍照需求。

2.2.3 FANUC机器人与西门子PLC通信

由于FANUC机器人未配置PROFINET通信卡，本设计采用西门子CP1616以太网通信卡实现PROFINET通信。

(1)PLC侧通信设置。

采用TIA Portal软件作以下设置：加载机器人PROFINET通信GSD文件→添加FANUC机器人模块→属性→PROFINET接口→以太网地址192.168.0.11→PROFINET设备名称FANUC-i700，将该设备分配给PLC_1。

建立以IB600和QB600地址开的数据通信区域，用于双方数据交换。根据数据通信需求，用户可以自定义与机器人专用I/O、通用I/O和组I/O的数据通信区域。工业机器人I/O参数配置如表2所示。

表2 工业机器人I/O参数配置表Tab.2 I/O parameter configuration table of industrial robot

表2中：输出的组I/O用于给机器人发坐标偏差；输入的组I/O用于校验发送的数据是否正确。

(2)FANUC机器人侧通信设置[10-12]。

手操器设置如下。

①Menu菜单→主机通信→机器人名称FANUC-i700→通信地址192.168.0.11。

②Menu菜单→I/O→UOP。

③Menu菜单→I/O→数字IO(DI/DO)。

④Menu菜单→I/O→组I/O(GI/GO)。

FANUC机器人的GI[i]数据类型为字(WORD)类型[10]，而视觉数据为双字(DWORD)类型，二者不匹配，不能直接进行数据收发。所以，需要用2个组合起来的GI[i]接收视觉数据。此外，FANUC机器人只支持+、 -、* 、/ 、MOD运算指令，没有把2个WORD类型数据合并成一个DWORD数据的指令。因此，采用加减乘除的方法将视觉的32位数据拆分为2个16位数据发给机器人，机器人侧再逆运算组合成32位数据，从而以西门子PLC为中间媒介，实现KEYENCE视觉单元与FANUC机器人之间的数据通信。

除了数据大小存在的问题以外，工业机器人和视觉单元还存在坐标不统一的问题，因此需要进行坐标变换。面对铆接件：机器人坐标向上为X轴，向右为Y轴，标记为XR和YR；视觉单元坐标向左为X轴，向上为Y轴，标记为XS和YS，则存在YR=-XS、XR=YS。机器人与视觉坐标示意如图7所示。

图7 机器人与视觉坐标示意图Fig.7 Schematic diagram of robot and visual coordinates

基于以上分析，本文设计了基于PLC的DWORD类型数据处理算法。

PLC侧及工业机器人侧数据处理流程分别如图8、图9所示。

图8 PLC侧数据处理流程Fig.8 Data processing flowchart of PLC side

图9 工业机器人侧数据处理流程Fig.9 Data proce ssing flowchart of industrial robot side

2.2.4 三菱伺服驱动器的脉冲序列输出控制

西门子S7-1200 PLC对三菱伺服驱动器的控制采用脉冲串输出脉冲序列输出(pulse train output，PTO)的方式进行：在TAI Portal软件的工艺对象下新增轴工艺；组态工艺参数；位置单位为角度；使用100 kHZ脉冲+方向的模式，Q0.0发送脉冲、Q0.1发送方向；每转脉冲数为5 000。系统设置硬件上限位为I0.0，下限位为I0.1，原点开关为I0.2，高电平有效，加减速设置为5 s，最大速度为160°/s。硬件配置好以后，可使用MC_Power、MC_Home、MC_MoveAbsolut、MC_MoveJog、MC_Reset MC_Halt等指令实现使能、回原点、绝对位置移动、电动、复位、暂停等功能。

3 人机界面设计实现

人机界面选用西门子TP1000精致面板，采用PROFINET与PLC进行通信，设置了机器人控制与监视、伺服转台控制与监控、视觉控制、振动盘以及报警画面。触摸屏画面内添加了相关数据监控记录表，可实现对相机、机器人、伺服转台、振动盘的手动调试和自动运行监视工作。触摸屏虚拟按钮的使用节省了大量的实物按钮，缩短了设备开发周期并降低了维护成本。相机控制画面包括相机状态监视、参数手动/自动设置、被测孔实测值/偏差值/基准值显示等功能，能够满足手动调试及参数初始化设置，以及拍照坐标参数的显示功能。伺服控制界面主要实现了伺服电机轴位置、驱动器状态、运动状态、故障情况、速度、位置等信息的显示，同时具有点动、定向运动、手动调试、回原点等触屏操作功能。振动盘控制主要设置了触摸按钮，实现振动盘、直振器的启停控制和状态显示，以及铆钉夹紧气缸的伸缩控制和状态显示。

4 结论

本文设计并实现了西门子S7-1215 PLC、FANUC机器人、KEYENCE视觉单元、TP1000触摸屏为一体的开关柜自动铆装控制系统。首先，给出了硬件方案、软件程序流程；然后，介绍了西门子PLC与FANUC机器人、KEYENCE视觉单元的PROFINET通信实现方法；最后，提出了解决FANUC机器人无法直接接收32位数据的方法。该系统可通过修改PLC程序和机器人示教程序实现不同尺寸箱体的自动铆装，可拓展性强，与人工铆接相比具有效率高、质量稳定的优点，对同类自动化控制系统的开发具有一定借鉴意义。