王 峰，丁金林，常維康，史森培

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104）

鋁合金具有重量輕、散熱效率高、抗壓性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用在中高檔超薄型筆記本電腦外殼上，不僅外觀漂亮，而且具有良好的防銹、防震、耐磨、抗拉伸和抗氧化等功能。但在筆記本外殼加工過程中，因通過冷壓成型的鋁制外殼具有一定彈性，當(dāng)利用加工中心成型及切邊時(shí)，殼體邊緣深度可能會(huì)出現(xiàn)加工誤差，導(dǎo)致質(zhì)量不合格[1-2]。出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題的具體原因主要有兩點(diǎn)：①冷壓成型的外殼本身存在質(zhì)量問題，殼體底面及邊沿出現(xiàn)嚴(yán)重誤差，不能用于進(jìn)一步加工；②在加工中心進(jìn)行加工時(shí)，真空吸盤吸力不均勻，出現(xiàn)底面不水平，導(dǎo)致加工誤差過大。在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)加工精度的檢測由于缺乏有效的手段，通常普遍采用量規(guī)人工選點(diǎn)檢測，這不僅工作量大，且測量準(zhǔn)確度不高，易造成大量次品。據(jù)調(diào)查，人工選點(diǎn)檢測的次品率一般在10%左右，更有甚者達(dá)15%，嚴(yán)重影響企業(yè)效益。也可采用視覺技術(shù)[3]解決這一問題，但視覺技術(shù)不僅成本較高，而且在進(jìn)行邊沿高度檢測時(shí)難度較大?；谝陨蠁栴}，本研究提出采用高精度光學(xué)傳感器進(jìn)行巡檢，不但解決了產(chǎn)品質(zhì)量檢測問題，而且降低了勞動(dòng)力成本，提高了檢測效率，具有較高好的推廣價(jià)值。

1 筆記本外殼檢測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的架構(gòu)主要由PLC控制器、X軸伺服驅(qū)動(dòng)器、Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、真空吸盤、光學(xué)傳感器、各種開關(guān)按鈕及傳感器、交換機(jī)、觸摸屏、網(wǎng)關(guān)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等組成，其設(shè)計(jì)方案如圖1所示。其中PLC是系統(tǒng)的核心：首先，通過變頻器控制傳送帶速度，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)送料；其次，當(dāng)位置傳感器檢測工件到位后，控制真空吸盤工作，并實(shí)現(xiàn)工件的準(zhǔn)確定位；最后，通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制，使固定在十字軸上的精密光學(xué)傳感器按照固定軌跡精確運(yùn)動(dòng)，在設(shè)定的位置點(diǎn)自動(dòng)采集測量數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)值比較，判斷工件是否合格。在檢測現(xiàn)場設(shè)置觸摸屏，可進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試、參數(shù)設(shè)置、測量數(shù)據(jù)顯示等功能，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化檢測。該系統(tǒng)既確保了加工質(zhì)量，又提高了產(chǎn)品的檢測效率，適合筆記本電腦外殼經(jīng)打孔、成型和切邊后成品的檢測。此外，為了方便產(chǎn)品檢測優(yōu)化及遠(yuǎn)程檢測，利用工業(yè)網(wǎng)關(guān)采集PLC的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過MQTT協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)到漢云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可在云端進(jìn)行組態(tài)、數(shù)據(jù)分析、故障診斷等，實(shí)現(xiàn)異地PC和手機(jī)APP端的設(shè)備監(jiān)控。

圖1 筆記本外殼檢測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2 筆記本外殼檢測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主電路圖如圖2所示。主回路采用單相220 V供電，斷路器QS1為總電源開關(guān)，QS2、QS3、QS4分別為變頻器控制、伺服控制及PLC控制回路電源開關(guān)。M1為皮帶電機(jī)，由0.37 k W的施耐德緊湊型單相變頻器ATV320U04M2C驅(qū)動(dòng)，M2、M3分別為X軸、Y軸伺服電機(jī)，分別由兩臺(tái)0.2 kW的單相運(yùn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器LXM28AU02M3X實(shí)現(xiàn)位置控制。變壓器不僅可實(shí)現(xiàn)主回路和控制回路電氣隔離，而且可抑制高頻雜波傳入控制回路；變壓器有兩路輸出，其中一路為交流36 V，為設(shè)備提供安全工作電源，用于現(xiàn)場設(shè)備照明；另一路為交流220 V，經(jīng)開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為直流24 V，為PLC及控制電路提供工作電源。此外，SA1為控制回路電源開關(guān)，合上SA1，電源指示燈HL1點(diǎn)亮，表示系統(tǒng)處于通電狀態(tài)。HL2為系統(tǒng)工作狀態(tài)指示燈，由繼電器KA1控制；HL3為報(bào)警指示燈，由繼電器KA2控制，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)點(diǎn)亮；氣閥由KA3控制，通過真空吸盤實(shí)現(xiàn)柔性工件的固定。

圖2 控制系統(tǒng)主電路圖

控制電路PLC I/O接線圖如圖3所示。控制器選擇施耐德TM241CEC24T，其具有豐富的通信端口，包括2個(gè)串口、1個(gè)以太網(wǎng)接口、1個(gè)CANopen接口，可滿足系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器及其他系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信。模擬量輸入選擇2通道電流輸入型擴(kuò)展模塊TM3AI 2H，用于采集光學(xué)傳感器信號(hào)，進(jìn)行水平及邊緣測量。SB1、SB2分別為啟動(dòng)、停止按鈕；SB3為系統(tǒng)復(fù)位按鈕，可進(jìn)行PLC及變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器的故障復(fù)位；SA為急停開關(guān)；光電開關(guān)SQ1選用OMRON的ESZ-LS81，當(dāng)檢測到皮帶上有工件時(shí)，變頻器工作，皮帶運(yùn)行；SQ2、SQ3、SQ4為位置傳感器，用于檢測工件是否正確放入吸盤；SQ5、SQ6、SQ7為X軸伺服的上下限位及原點(diǎn)傳感器；SQ8、SQ9、SQ10為Y軸伺服的上下限位及原點(diǎn)傳感器。外殼高度檢測選用CMOS激光傳感器HG-C1030，其精度為10 um，可滿足公差范圍為0.05 mm的測量需求，其模擬量輸出連接TM3AI2H，外部控制輸入端由PLC控制，使用方便，可精確測量物體表面的平面度及工件的高度。繼電器KA1驅(qū)動(dòng)狀態(tài)指示燈，可通過不同閃爍表明系統(tǒng)目前工作狀態(tài)；KA2驅(qū)動(dòng)報(bào)警燈，KA3驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)電磁閥，當(dāng)工件到位后繼電器得電，真空吸盤工作，通過真空負(fù)壓固定工件，為后續(xù)測量做好準(zhǔn)備；KA5、KA6控制光學(xué)傳感器1和2的工作狀態(tài)，KA4和KA7為備用繼電器。其中，單相變頻器與PLC通過Modbus RTU通信，兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器與PLC通過CANopen通信，觸摸屏與PLC 通過Modbus TCP通信。

圖3 PLC I/O接線圖

3 筆記本外殼檢測系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

3.1 PLC主程序設(shè)計(jì)

主程序由SFC編程語言搭建，設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。每一個(gè)方框表示一個(gè)子程序段，各個(gè)程序段的執(zhí)行順序： PLC上電后，執(zhí)行Init初始化程序，然后直接跳轉(zhuǎn)到并行分支，包括Input、Calculate、OpMode、Motion、Inver ter程序段，在一個(gè)掃描周期內(nèi)按從左到右的順序執(zhí)行。其中Input為輸入程序，Calculate為數(shù)據(jù)采集及計(jì)算程序，OpMode包含選擇分支Manual和Auto，分別為手動(dòng)運(yùn)行程序和為自動(dòng)運(yùn)行程序，Motion為伺服運(yùn)動(dòng)程序，Inverter為變頻器程序。雙擊程序框，即可進(jìn)入對(duì)應(yīng)程序段，編寫程序代碼，完成筆記本外殼檢測系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。

圖4 主程序設(shè)計(jì)流程圖

表1 變頻器Modbus通信參數(shù)設(shè)置表

3.2 變頻器控制程序設(shè)計(jì)

PLC通過變頻器實(shí)現(xiàn)皮帶調(diào)速及正反轉(zhuǎn)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)上料。本研究中PLC與變頻器采用Modbus RTU協(xié)議通信[4-5]，其中PLC為Modbus主站，變頻器為Modbus從站，使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線連接TM241CEC24T PLC的SL1和ATV320變頻器的RJ45網(wǎng)線接口，使用集成顯示終端，對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置參數(shù)及參數(shù)路徑如表1所示。設(shè)置變頻器頻率給定方式為集成的Modbus通信，控制模式設(shè)置為組合模式，可通過網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)，從站站號(hào)為1，通信速率為19 200 bps，串行數(shù)據(jù)格式為8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無檢驗(yàn)位。

打開SoMachine軟件，進(jìn)行變頻器組態(tài)及編程。首先，在串行線路 SL1上添加設(shè)備，進(jìn)行通信接口設(shè)置，其參數(shù)與變頻器設(shè)置一致。其次，進(jìn)行變頻器程序編寫，將變頻器的內(nèi)部變量通過IOScanner映射到PLC本地變量，通過對(duì)PLC變量進(jìn)行讀寫，來完成對(duì)變頻器的監(jiān)控。ATV320變頻器實(shí)現(xiàn)Modbus通信所用的控制狀態(tài)字、控制字等相關(guān)變量如表2所示。可通過對(duì)控制字CMD的寫操作控制變頻器，讀取狀態(tài)字ETA獲取變頻器的當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)變頻器的內(nèi)部操作狀態(tài)表創(chuàng)建FB塊進(jìn)行PLC編程，通過觸摸屏控制變頻器，監(jiān)測變頻器實(shí)際工作頻率和電機(jī)電流。

表2 ATV320變量表

3.3 伺服控制程序設(shè)計(jì)

PLC通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制光學(xué)傳感器在X、Y水平面運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)筆記本外殼在設(shè)定的位置點(diǎn)自動(dòng)循跡和采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)巡檢。

在本研究中，PLC與X軸、Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器采用CANopen協(xié)議通信[6-8]，其中PLC為主站，X軸、Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器均為從站，伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置如表3所示。X軸站號(hào)為1，Y軸站號(hào)為2，其通信速率都為1 Mbps，并定義原點(diǎn)及正向、反向限位等,確保其正常工作。在So Ma c h ine中進(jìn)行CANopen通信組態(tài)及相關(guān)編程，首先，設(shè)置CANopen端口通信速率和伺服驅(qū)動(dòng)器一致，添加2個(gè)Lexium28伺服軸，進(jìn)行X、Y伺服軸硬件組態(tài)，并配置X軸、Y軸伺服齒輪比，電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)11 000個(gè)，即1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)位移為0.001 mm。其次，定義相關(guān)BOOL型操作變量以及DINT型數(shù)據(jù)變量，編寫X軸、Y軸控制程序，建立POU程序組織單元，調(diào)用針對(duì)伺服控制的使能、原點(diǎn)設(shè)置、絕對(duì)定位等相關(guān)功能模塊，實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸伺服使能、原點(diǎn)設(shè)置、正向點(diǎn)動(dòng)、反向點(diǎn)動(dòng)、相對(duì)定位和絕對(duì)定位等精確控制，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)傳感器在工件水平面的自動(dòng)循跡控制。

表3 X軸及Y軸橫移軸參數(shù)表

4 觸摸屏畫面設(shè)計(jì)

人機(jī)用戶界面選用7英寸觸摸屏HMIGXU3512，通過Modbus TCP協(xié)議與PLC通信。可在觸摸屏設(shè)置變頻器工作頻率，控制皮帶運(yùn)行速度；通過對(duì)X軸、Y軸伺服參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)水平面上的精確運(yùn)動(dòng)；同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)采集點(diǎn)位置數(shù)據(jù)及高度數(shù)據(jù)，進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量的判斷。

4.1 界面設(shè)計(jì)

使用Vi j e o De s i gne r Bas i c創(chuàng)建HMI項(xiàng)目，選擇Ta r ge t的常規(guī)菜單，設(shè)置觸摸屏以太網(wǎng)IP地址為192.168.12.30；進(jìn)行從站PLC通信參數(shù)配置，設(shè)置PLC以太網(wǎng)IP地址為192.168.12.11。觸摸屏界面包括1個(gè)主界面及6個(gè)子界面，其中系統(tǒng)主界面如圖5所示，按下相應(yīng)按鈕可切換到對(duì)應(yīng)的子界面。其中，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面可進(jìn)行變頻器、X軸、Y軸等參數(shù)設(shè)置；監(jiān)控界面可實(shí)時(shí)監(jiān)測工作狀態(tài)、工件數(shù)量及合格率等；通信設(shè)置界面可進(jìn)行觸摸屏IP地址及通信參數(shù)設(shè)定；故障診斷界面可自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)故障監(jiān)測并給出故障解決方案提示；數(shù)據(jù)分析界面可顯示當(dāng)前工件12個(gè)采點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4.2 系統(tǒng)調(diào)試

在組態(tài)完成后，下載觸摸屏程序并運(yùn)行，進(jìn)行基本功能調(diào)試。首先進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試，并建立伺服X軸和Y軸坐標(biāo)系；然后進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)試，先將畫面切換到如圖6所示的監(jiān)控界面，設(shè)置產(chǎn)品名稱及計(jì)劃數(shù)量，然后點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，系統(tǒng)則自動(dòng)啟動(dòng)，使皮帶運(yùn)行，帶動(dòng)工件到達(dá)指定位置并控制真空吸盤動(dòng)作；同時(shí)，十字軸按照設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)，在指定位置進(jìn)行產(chǎn)品測量，并實(shí)時(shí)顯示檢測數(shù)量、合格數(shù)量、合格率以及當(dāng)前工件的采集點(diǎn)數(shù)據(jù)等，判斷產(chǎn)品質(zhì)量，并進(jìn)行報(bào)警，提醒用戶處理。

圖5 組態(tài)系統(tǒng)主界面

圖6 監(jiān)控界面

5 筆記本外殼檢測系統(tǒng)云端監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了更好地進(jìn)行設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析，利用漢云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[9-12]，將系統(tǒng)工作過程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)上報(bào)到平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和呈現(xiàn)，方便對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在異地的PC和手機(jī)APP端進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控。

5.1 網(wǎng)關(guān)配置

使用XEdge客戶端軟件進(jìn)行網(wǎng)關(guān)配置。建立3個(gè)連接，前兩個(gè)連接為網(wǎng)關(guān)采集PLC數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備，其中連接1為網(wǎng)關(guān)通過Schneider MODBUS_TCP與PLC通信，主要用于非位變量添加；連接2為網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS_TCP與PLC通信，主要用于位變量添加；連接3為網(wǎng)關(guān)通過MQTT協(xié)議與云平臺(tái)通信。在建立連接后，進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)配置及云服務(wù)配置，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)與網(wǎng)關(guān)的通信。

5.2 云組態(tài)

登錄漢云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后，進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置，添加網(wǎng)關(guān)綁定設(shè)備。系統(tǒng)監(jiān)控在線后，進(jìn)行云端采集點(diǎn)配置，確?？蓪?shí)時(shí)顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)。進(jìn)行云組態(tài)界面設(shè)計(jì)，關(guān)聯(lián)采集點(diǎn)，完成工業(yè)APP的發(fā)布，監(jiān)控主界面如圖7所示。云端顯示產(chǎn)品名稱、完成數(shù)量、合格率等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控皮帶轉(zhuǎn)速、采點(diǎn)坐標(biāo)及當(dāng)前采點(diǎn)測量數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)異常或出現(xiàn)故障時(shí)可對(duì)本地設(shè)備生成報(bào)警，通過短信服務(wù)通知相關(guān)人員。同時(shí)，可通過手機(jī)APP登錄工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，對(duì)筆記本外殼檢測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

圖7 云平臺(tái)組態(tài)顯示

6 結(jié)論

針對(duì)筆記本電腦鋁合金外殼加工中質(zhì)量檢測問題，設(shè)計(jì)了一種基于漢云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的筆記本外殼檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用具有豐富通信端口的施耐德PLC作為控制器，進(jìn)行基于Modbus RTU通信的傳輸皮帶控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)料；通過真空吸盤及傳感器實(shí)現(xiàn)工件的精確定位；進(jìn)行基于CANopen的十字軸軌跡控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳感的自動(dòng)尋跡及自動(dòng)測量；并利用工業(yè)網(wǎng)關(guān)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳至漢云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)云端監(jiān)控、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析、故障診斷與系統(tǒng)維護(hù)。該系統(tǒng)不僅可有效檢測筆記本外殼的加工質(zhì)量，降低廢品率，而且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備上云，便于遠(yuǎn)程維護(hù)及管理，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。