劉俊良，江文炳

（1.江西瑞林裝備有限公司，江西 南昌 330032；2.云南錫業(yè)股份銅業(yè)分公司，云南 昆明 650000）

目前，無論是采用傳統(tǒng)法銅電解工藝還是采用ISA法銅電解工藝，陰極剝片機組在全自動化的電解廠中都是不可缺少的，并且銅板剝離通常是電解廠出銅產(chǎn)品的最后一道工序，所以產(chǎn)品質(zhì)量的把控尤為重要。而在全自動化電解廠中，國內(nèi)傳統(tǒng)剝片機組只有通過人工去挑出帶有銅粒子的銅板并且手動處理，勞動強度大且工作效率低，并且人工成本很高。

為了解決以上問題，本文將闡述在新型剝片機組洗滌系統(tǒng)中增加視覺檢測系統(tǒng)，通過相機來檢測銅粒子所處銅板的準確位置和粒子高度，面積等相關(guān)參數(shù)，通過與PLC數(shù)據(jù)交互，將每塊銅板的粒子參數(shù)發(fā)送至PLC系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理完后發(fā)出相關(guān)參數(shù)給到機器人抓取機構(gòu)，機器人抓取機構(gòu)將需要處理的B級銅抓取到粒子處理架，再通過伺服定位系統(tǒng)和銑刀處理機構(gòu)去對含有大量雜質(zhì)的銅粒子進行銑削處理，使其達到A級銅的目的，提高工作效率，降低人工成本。具體流程可見圖1。

圖1 粒子檢測及處理整體機械流程

1 PLC系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)概述

PLC控制系統(tǒng)是工業(yè)設(shè)備重要的組成部分，是連接著粒子檢測系統(tǒng)，機器人抓取系統(tǒng)，伺服行走定位系統(tǒng)的關(guān)鍵樞紐。此次項目采用的是PLC控制系統(tǒng)是西門子S7-1500系統(tǒng)，S7-1500自動化系統(tǒng)是在S7-300/400的基礎(chǔ)上開發(fā)的自動化系統(tǒng)，在原有的基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)功能，集成了運動控制功能和PROFINET IRT通信功能，通過集成式屏蔽保證信號檢測的質(zhì)量。S7-1500的CPU模塊響應(yīng)時間快速，位指令執(zhí)行時間最短可達1ns。集成有可用于調(diào)試和診斷的CPU顯示面板、最多128軸的運動控制功能、標準以太網(wǎng)口。PROFINET接口和Web服務(wù)器，可以通過網(wǎng)頁瀏覽器快速瀏覽診斷信息。支持高大2GB的存儲卡，可存儲項目數(shù)據(jù)、歸檔、配方和相關(guān)文檔。優(yōu)化存儲的程序塊可以提高處理器的訪問速度。對應(yīng)S7-1500的編程和組態(tài)軟件為TIA博圖。本文主要闡述與粒子檢測系統(tǒng)、機器人抓取機構(gòu)、粒子處理系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。

1.2 系統(tǒng)配置

相關(guān)硬件配置主要有西門子1513系列CPU，西門子精智系列人機界面HMI，西門子V90伺服控制系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC M-410ic/315系列機器人以及Gocator線激光輪廓相機檢測系統(tǒng)及其配套計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。西門子CPU1513作為主站，通過PROFINET通信協(xié)議分別與其他分站進行數(shù)據(jù)交互，具體系統(tǒng)配置可見圖2。

圖2 系統(tǒng)配置圖

1.3 軟件整體設(shè)計

軟件設(shè)計是系統(tǒng)運行的重要組成部分。軟件設(shè)計也是基于機械結(jié)構(gòu)組成，對每個部分進行聯(lián)結(jié)控制。相機固定在兩側(cè)機架上，整塊銅板通過伺服提升機構(gòu)進行提升，提升的過程，相機同時發(fā)出激光射線，檢測到銅板上各粒子高度，面積等相關(guān)數(shù)據(jù)，并實時發(fā)送到計算機，計算機接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過特定算法，非線性優(yōu)化處理，再通過線拼成面，再經(jīng)過圖像處理后便可得出整個銅板表面的圖形與對應(yīng)粒子所在的區(qū)域位置等參數(shù)，當檢測整個板面完成后，銅板表面的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到西門子1513CPU進行數(shù)據(jù)整合處理，如果檢測表面沒有存在粒子，CPU將發(fā)送A級銅信號給到機器人抓取系統(tǒng)，機器人將銅板抓取到A級銅處理工位進行銅板剝離，這也是正常的工藝流程；當檢測到銅板為B級銅，機器人將銅板抓取到B級銅處理架上或是B級銅暫存架上，而放到B級銅處理架上的銅板，由CPU去發(fā)送信號，驅(qū)動X軸，Y軸方向的伺服電機，自動定位到粒子所在的位置，到達目標位后，再由銑刀處理機構(gòu)對粒子進行銑削打磨，將含有大量雜質(zhì)的粒子祛除，完成后再由機器人抓取機構(gòu)將打磨完的銅板抓取到A級銅處理架進行正常流程剝離，這樣就完成整個流程了。而B級銅暫存架功能就是存儲B級銅，待B級銅處理架處理完成后，機器人再將暫存架上的銅板抓取到處理架上進行處理。具體設(shè)計流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計流程圖

2 粒子檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 概述

粒子檢測系統(tǒng)通過銅板剝離生產(chǎn)線上安裝2臺激光輪廓傳感器，分別對每塊陰極板單面進行掃描,得到單面的輪廓數(shù)據(jù)，測量軟件對掃描的三維輪廓數(shù)據(jù)進行分析、處理，判斷陰極板的表面質(zhì)量，同時將檢測數(shù)據(jù)保存到本地數(shù)據(jù)庫,并采用TCP Modbus方式將檢測結(jié)果傳輸至PLC。激光輪廓傳感器的檢測視場大于陰極板的寬度，當陰極板到達檢測位置時，PLC發(fā)送“開始信號”至計算機，開啟傳感器掃描。傳感器連接狀態(tài)、PLC通訊狀態(tài)、陰極板檢測結(jié)果均在檢測系統(tǒng)操作界面上顯示。

2.2 框架結(jié)構(gòu)說明

框架結(jié)構(gòu)主要由三大部分組成：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)顯示層。

數(shù)據(jù)采集層：相機檢測。數(shù)據(jù)處理：由電腦主機和處理算法組成。用于點云數(shù)據(jù)的處理，PLC通信交互。數(shù)據(jù)顯示：由電腦顯示器和顯示軟件組成。用于處理數(shù)據(jù)和圖片顯示。

2.3 軟件架構(gòu)組成

軟件架構(gòu)主要包含用戶登錄及退出、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)表格輸出、歷史系統(tǒng)查詢、用戶權(quán)限更改和系統(tǒng)主畫面顯示及數(shù)據(jù)結(jié)果顯示。歷史數(shù)據(jù)具備生成EXCEL報表功能以及具有報表打印功能，便于統(tǒng)計分析銅表面情況。

2.4 粒子檢測系統(tǒng)工作流程

2.4.1 首先設(shè)定好銅板參數(shù)

板面區(qū)域邊長：根據(jù)現(xiàn)場實際物料來設(shè)定；

粒子高度限值：粒子高度值上下限值，用于篩選判定A級銅、B級銅；

粒子面子占比限值：粒子面積占整塊銅板面積的百分比，用于篩選判定A級銅、B級銅。

2.4.2 根據(jù)現(xiàn)場設(shè)定完相關(guān)參數(shù)后，可選擇本地或是遠程控制

本地模式：銅板在移動的過程中，通過手動觸發(fā)相機掃描光束去檢測銅板表面情況，將數(shù)據(jù)采集下來進行處理。

遠程模式：通過PLC遠程發(fā)送啟動命令，即當銅板開始運動時，PLC直接發(fā)送啟動命令，相機開始工作，銅板運行完一個工位時，停止工作，計算機同步處理相關(guān)數(shù)據(jù)，并生成對應(yīng)銅板粒子的參數(shù)列表和通過圖像處理，形成圖像數(shù)據(jù)顯示（見圖4），其中紅點代表銅板表面粒子。同時將銅板類型及粒子位置，高度等參數(shù)發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)。再由PLC系統(tǒng)進行處理控制后續(xù)的工作流程。

圖4 粒子參數(shù)列表和圖片數(shù)據(jù)

3 機器人抓取系統(tǒng)

3.1 概述

機器人為FANUC M-410ic/315系列，該系列機器人安裝面積小，工作空間大，能夠快速完成小節(jié)距的多點定位，定位精度高，示教簡單，可編程性強，本體結(jié)構(gòu)適用于在該類工況環(huán)境下運行，穩(wěn)定性非常高安全可靠性高。本系統(tǒng)中，機器人通過PROFINET通訊協(xié)議和PLC進行數(shù)據(jù)交換，PLC傳輸給機器人控制信號以及速度給定，來執(zhí)行取放銅板啟動命令，以及控制機器人不同軌跡的選擇。同時PLC接收機器人運行的各種狀態(tài)，來判斷機器人是否運行正常，確保機器人系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，方便操作人員掌握設(shè)備運行狀態(tài)。

3.2 機器人編程設(shè)計

（1）機器人取板程序:機器人從初始位開始運行到抓板工位，夾具抓住板子后，再回到初始位，完成整個取板流程；

（2）機器人放板至A級銅處理工位程序：PLC接收檢測系統(tǒng)的參數(shù)，判定為A級銅后，會將取到的銅板直接從初始位到A級銅處理工位放板處放下，再回到初始位，完成放板流程，同時處理工位開始對銅板剝離。其中判定A級銅再將信號給到機器人不會有時間延誤，取板程序和放板程序是非常連貫的；

（3）機器人放板至B級銅處理工位或暫存架程序：同樣的將判定為B級銅的銅板在進行分類，如果處理工位滿足條件則直接放到B級銅處理工位，如果不滿足，先放到暫存架待后續(xù)處理；

（4）機器人去處理架翻轉(zhuǎn)銅板或取板到A級銅處理架程序：當處理架處理完一面粒子后，如果銅板另外一面不是粒子板，則機器人從初始位直接去取處理完后的粒子板，然后放到A級銅處理工位進行剝離，再回到初始位；如果另外一面也是粒子板，當?shù)谝幻嫣幚硗瓿珊螅瑱C器人從初始位到B級銅架取板抓起來后，在沒有障礙的位置進行180度旋轉(zhuǎn)，然后再放回到B級銅處理架，再回到初始位，當兩面都處理完成后，機器人再從初始位到B級銅處理架取板放到A級銅處理架，放完板后再回到初始位，完成整個流程。

4 粒子處理系統(tǒng)

4.1 概述

粒子處理系統(tǒng)主要由兩臺V90伺服電機以及粒子銑削打磨機構(gòu)組成，其中兩臺伺服電機構(gòu)成一個直角坐標系，主要起到定位功能，銑削打磨主要由旋轉(zhuǎn)電機和特制刀盤組成，對粒子進行銑削打磨。

4.2 粒子處理系統(tǒng)工作流程

首先板子是豎直懸掛在B級銅處理架上，X/Y軸伺服電機起始在原點位置，機器人放板完成后，PLC將會把銅板表面第一個需要處理的粒子位置發(fā)送給伺服電機，伺服電機將會自動啟動到目標位置，到達后，銑刀電機旋轉(zhuǎn)，然后伸出氣缸伸出頂?shù)姐~板表面，對粒子進行銑削，完成后縮回，銑刀停止。PLC再發(fā)送第二個需要處理的位置，給到伺服電機，以此類推將全部粒子打完后，伺服電機再回到初始位，等待機器人將板子翻轉(zhuǎn)處理另外一面或者直接抓取到A級銅處理工位。以下圖5是處理前后銅板對比效果，其中左側(cè)為處理前，右側(cè)為處理后，實際效果滿足要求。

圖5 銅板處理前后對比

5 結(jié)語

采用高精度相機，配合相應(yīng)算法和圖像處理技術(shù)，可以完全實現(xiàn)對粒子銅板的區(qū)分和知道粒子所在的準確位置，再搭配西門子1500PLC的高性能和FANUC機器人專業(yè)性特點，加上西門子V90伺服控制器定位的精準性，實現(xiàn)了從粒子數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，物料轉(zhuǎn)運執(zhí)行以及粒子精準處理整個步驟。提高了A級銅的產(chǎn)出率，提高效益，同時也提高工廠自動化程度，減輕工廠人員勞動強度，提高工作效率，降低人工成本。