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0引言
目前，粉體材料在化工、建材、冶金、電子、醫(yī)藥、生物工程、陶瓷、農(nóng)藥涂料、國防及尖端技術領域得到了廣泛應用，作為國民經(jīng)濟許多領域的配套產(chǎn)業(yè)，全自動粉末包裝機械行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮骩1,2]。在工業(yè)發(fā)達國家，粉體包裝設備自動化技術較為成熟，大多數(shù)粉體物料生產(chǎn)廠家都裝備了自動化包裝生產(chǎn)線，現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境整潔且工作效率高[2]。國內(nèi)的粉體包裝企業(yè)因為開發(fā)粉體包裝技術的高難度而不愿涉足該領域，很多粉體企業(yè)依靠進口包裝設備或采用傳統(tǒng)的人工上袋方式進行生產(chǎn)，生產(chǎn)成本代價高昂且生產(chǎn)效率低下，隨著國內(nèi)用工成本的增加和環(huán)保意識的加強，粉體包裝機械設備以光、機、電、氣、磁為載體，朝著智能化和自動化方向發(fā)展[2～4]。PLC作為工業(yè)控制系統(tǒng)核心，其編程語言簡單且具有較強靈活性和可靠性，粉體包裝設備自動化中利用PLC作為控制系統(tǒng)，能夠使其自動化水平得到提高[5]。PLC控制系統(tǒng)在抗電磁干擾、高溫、粉塵等方面能力很高，在工業(yè)自動化領域應用最廣泛，其應用的廣度和深度成為衡量一個國家工業(yè)自動化程度高低的重要標志，也是未來粉塵包裝機械領域發(fā)展方向[6]。本文利用ER10-C10型埃夫特機器人控制柜系統(tǒng)，西門子S7-1200PLC控制柜系統(tǒng)，智能相機，輸送機構，對企業(yè)提供的含有密封裝置的軟紙質閥口袋實現(xiàn)自動定位-拾取-夾緊-開袋-套袋等連續(xù)過程控制系統(tǒng)設計，利用MCGS觸摸屏實現(xiàn)對粉體包裝生產(chǎn)過程監(jiān)控、參數(shù)輸入、報警輸出，操作簡單便捷。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有較高的定位精度和上袋效率，可代替人工上袋，對相關粉體包裝設備實現(xiàn)自動化具有借鑒和推廣價值。
1自動上袋工藝過程
整個控制系統(tǒng)硬件構成如圖1所示，本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是輸送機構4將閥口袋3運送至光電開關處，輸送機構停止，延遲200ms觸發(fā)相機2拍照，經(jīng)過圖像處理之后將閥口袋位姿信息發(fā)送給機器人，機器人末端執(zhí)行器對閥口袋實現(xiàn)拾取-夾袋-開袋過程，最后將閥口袋套在出料嘴6，然后返回起始點待機，如此循環(huán)的等待下一個閥口袋，最終實現(xiàn)閥口袋自動上袋的全自動循環(huán)過程。其中，圖1中5表示自主設計的專用末端執(zhí)行器[7]，圖中1表示MCGS觸摸屏。為了準確控制整個運行過程，在旋轉氣缸、夾緊氣缸、開袋氣缸處均設計有氣缸用傳感器電子設備，檢測旋轉氣缸、夾緊氣缸、開袋氣缸的運行狀態(tài)。在末端執(zhí)行器開袋氣缸處設計安裝顏色傳感器，根據(jù)金屬出料嘴和閥口袋表面反射顏色信號的差異去檢測套袋是否成功，保障了粉體包裝套袋過程的安全性[8]。

2閥口袋識別
選用SV4-30M智能相機、H0514-MP2鏡頭、分辨率為640×480，支持100Mbps以太網(wǎng)通訊方式，通過內(nèi)含的CMOS傳感器來采集傳送帶上的閥口袋圖像，對其進行圖像畸變校正、二值化、濾波、特征信息識別等處理過程，最終利用定位工具對其特征（圖2中5與7）進行識別。利用自帶的二次開發(fā)軟件X-SightStudio對特征信息進行腳本編寫，最終相機輸出圖2中編號5與7的交點P0（x0，y0）以及閥口袋前端邊沿P0M0所處的角度θ0，建立相機與PLC以太網(wǎng)通信，將識別的特征信息發(fā)送給PLC。對于同一種型號閥口袋，圖中的l和大小確定，建立如下方程式即可求得P（x，y）和PM所處的角度θ。經(jīng)過手眼標定轉換矩陣和坐標轉換，即可獲得機器人拾取閥口袋坐標（X，Y，a）。

3閥口袋自動上袋控制系統(tǒng)設計
3.1控制系統(tǒng)框架
采用S7-1200PLC作為系統(tǒng)控制核心，完成對相機、機器人、昆侖通態(tài)MCGS人機界面、啟動按鈕、光電開關、急停按鈕，輸送機構和末端執(zhí)行器上各種傳感器檢測裝置等器件的通信控制工作。昆侖通態(tài)顯示屏自帶良好的軟件設計界面，將編輯好的設計界面下載到人機界面中可以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的操作和監(jiān)控功能，故障自動報警以及故障查詢功能，使生產(chǎn)操作簡單化，自動化。
在TIA博途開發(fā)軟件編寫PLC程序，通過與機器人建立通信連接，實現(xiàn)精確控制機器人自動上袋過程，從而實現(xiàn)超精細粉體包裝過程。
編寫手動和自動程序，在手動情況下，可以調(diào)試輸送機構的啟動，相機光源打開，觸發(fā)拍照，末端執(zhí)行器的旋轉氣缸、開袋氣缸動作等過程，確保接線的準確性。在自動運行的過程中，確保運行安全性，對閥口袋拾取坐標值限制在一定范圍內(nèi)，超出設定坐標值范圍內(nèi)將啟動報警程序，停止運行。
3.2硬件組成
1）PLC采用S7-1200PLC，CPU型號為1215C/DC/DC/DC，本地板載I/O為14個輸入，10個輸出，擴展數(shù)字量模塊為SM1223DI16×24VDC/DQ，共計16個數(shù)字量輸入模塊和16個數(shù)字量輸出模塊[9]。
2）機器人選用型號為ER10-C10埃夫特機器人,該機器人具有6個自由度、由帶有編碼器的伺服電機驅動、其最大運動半徑1640mm、末端最大負載10kg、重復定位精度±0.05mm、控制系統(tǒng)為C10平臺，可以方便的在示教器上編寫程序代碼。
3）交換機選用上海造瑞電子科技有限公司的ZRS108-D型號的8口工業(yè)交換機，完成相機和PLC、PLC和機器人之間的信息交互，完成閥口袋拾取坐標的傳送以及實現(xiàn)PLC控制機器人操作過程。
3.3PLC輸入/出端口設計
本控制系統(tǒng)S7-1200CPU采用源型輸入接線，M端接入24V直流電源的正極，擴展數(shù)字量模塊SM1223接線的方式與S7-1200PLC的CPU本體接線方式一致。按照各I/O端口地址進行接線即可，圖3是本控制系統(tǒng)I/O端口的接線圖。其中，-KA1、-KA2表示中間繼電器線圈，其常開觸點分別控制觸發(fā)相機拍照，以及環(huán)形光源（拍照光源）打開；-KA3表示中間繼電器常開觸點，相機拍完照之后將會從相機控制器SIC242的Y4端口發(fā)送信號，線圈得電使其常開觸點吸合，從而達到拍照完成檢測的目的。

3.4機器人輸入/出功能設計
在實際工作過程中，PLC、相機、機器人通過以太網(wǎng)建立通信連接，PLC根據(jù)運行到不同階段通過start_on傳輸?shù)膬?nèi)容去控制機器人運行過程，同時機器人通過status_rob、run_rob傳輸?shù)膬?nèi)容將運行信息發(fā)送給PLC。
3.5系統(tǒng)軟件設計
結合閥口袋自動上袋的過程，控制系統(tǒng)軟件將PLC、相機、機器人、MCGS觸摸屏、傳感器及執(zhí)行器件聯(lián)系在一起，使其能夠實現(xiàn)粉體包裝自動化。
1）相機與PLC通訊客戶端和PLC與機器人通訊客戶端程序
該程序使控制系統(tǒng)能夠不停地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀與寫，該程序實現(xiàn)了圖像處理之后將特征信息發(fā)送給PLC及經(jīng)過PLC數(shù)據(jù)處理之后向機器人發(fā)送抓取點坐標的過程，最終使機器人準確拾取閥口袋。
2）PLC數(shù)據(jù)處理程序
相機將閥口袋位姿信息發(fā)送給PLC，該數(shù)據(jù)處理程序將對得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)格式轉換，手眼標定轉換矩陣及坐標轉換處理之后，將抓取點坐標發(fā)送給機器人。
3）輸送機控制程序
根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)的工作過程和前面定義I/O端口，設計輸送機構控制程序。輸送機構程序在實現(xiàn)工作過程的要求之外，同時還要從安全角度出發(fā)，在程序中設計停止按鈕，急停按鈕，報警按鈕等功能。在程序設計時，為保障工序有條不紊的進行，在PLC電路中設計自鎖與互鎖電路，提高運行效率。
4）機器人控制程序
機器人控制程序分為兩個部分，分別是PLC控制機器人程序和機器人程序。PLC是根據(jù)接收到機器人運行狀況信號之后向機器人發(fā)送下一步運行指令來達到控制機器人，中間包括移動末端執(zhí)行器到拾取點，接通拾取氣泵，拾取吸盤吸住閥口袋，采用延時法來使吸氣過程平穩(wěn)；機器人末端執(zhí)行器將閥口袋抬起一定高度，PLC控制旋轉氣缸旋轉90°，夾緊氣缸將閥口袋夾緊，采用延時法確保夾緊過程可靠；拾取氣泵斷開，拾取吸盤與閥口袋分離，回轉氣缸復位；按照既定路徑將閥口袋抬高到套袋起始點，PLC控制開袋氣缸作用，使其與閥口袋閥套貼合，開袋氣泵作用使開袋吸盤吸住閥套，采用延時法使吸附過程可靠，開袋氣缸復位，將閥口袋閥套打開，進行套袋程序[8]。在機器人示教器編寫程序，分別是數(shù)據(jù)判斷程序，目的是為了機器人運行安全，將抓取點坐標數(shù)據(jù)限制在一定范圍內(nèi)，在該數(shù)值范圍內(nèi)，機器人將進行下一步指令，超出該范圍，機器人停止運動，蜂鳴器報警；拾取閥口袋程序，按照既定路徑運動到某一位置，得到拾取點坐標值之后，移動到拾取點；套袋程序，目的是按照既定路徑，將閥口袋套在出料嘴上，完成套袋任務，之后，機器人將回到起始套袋點，處于待機狀態(tài)，在開袋氣缸上裝有顏色傳感器，一旦檢測到套袋失敗，停止套袋，并發(fā)出報警。
4MCGS人機界面設計
人機界面的主要任務是實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控，主要參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)控報警，故障發(fā)生內(nèi)容查詢，相關技術人員登錄權限設置，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的管理。
使用昆侖通態(tài)的“1061Ti”人機界面，該款產(chǎn)品具有以太網(wǎng)接口，可以與PLC的FROFINT接口建立連接。該人機界面自帶MCGS組態(tài)環(huán)境，其中包括主控窗口，設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫、運行策略窗口，能夠使用戶根據(jù)自己的項目需求組態(tài)人機界面，模塊之間的關系如圖4所示，其中主控窗口是設置啟動窗口。將組態(tài)好的工程下載到MCGS模擬運行環(huán)境，進行仿真運行，確定無誤后將組態(tài)的工程下載到“1061Ti”人機界面。本系統(tǒng)設計了用戶登錄界面、操作界面、機器人、流水線、瀏覽報警查詢界面、數(shù)據(jù)安全報警界面、通信報警界面，能夠實現(xiàn)對開發(fā)系統(tǒng)的保護以及操作安全功能；實現(xiàn)對通信故障，機器人抓取點坐標數(shù)據(jù)超限及時報警，并在當前界面以小窗口形式進行提醒和蜂鳴器閃爍報警功能；能夠對生產(chǎn)過程實現(xiàn)啟動、狀態(tài)跟蹤、停止、急停功能；能夠讀寫機器人閥口袋拾取坐標；能夠查詢一定時間范圍內(nèi)故障報警信息等內(nèi)容，機器人設計界面如圖5所示。

5運行測試結果
按照上述所設計的控制系統(tǒng)，經(jīng)運行程序調(diào)試之后，所設計的控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)對輸送機構、相機、機器人、急停、報警等子系統(tǒng)邏輯控制，MCGS觸摸屏實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程監(jiān)控，主要參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)控報警等任務，拾取精度較高，完全滿足后續(xù)末端執(zhí)行器對閥口袋夾緊，打開閥口袋閥套及套袋精度要求，自動上袋效率較高，連續(xù)運行情況下上袋速度達8袋/分鐘。下表是對機器人抓取點坐標值的統(tǒng)計，由表1中數(shù)據(jù)可以看出，機器人對輸送機構上的閥口袋準確定位，X方向的拾取誤差小于0.6mm，Y方向的誤差小于0.4mm，閥口袋旋轉角度a的誤差小于0.5°。
6結語
目前，大多數(shù)粉體包裝企業(yè)采用進口國外全自動粉體包裝設備或者依靠人工上袋，不利于我國粉體包裝行業(yè)長久發(fā)展。本文基于機器視覺和PLC實現(xiàn)了閥口袋運輸、拾取、夾緊、開袋、套袋、套空檢測全自動化操作，設計了MCGS人機界面，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程實時監(jiān)控，在保證系統(tǒng)運行安全與穩(wěn)定基礎之上，將有效解決國家對生產(chǎn)粉體企業(yè)的環(huán)保要求和粉體污染對人體危害的問題。

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