北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)器視覺檢測臺自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題目：機(jī)器視覺檢測臺自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓 名： 學(xué) 號： 學(xué) 院： 機(jī)電學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 指 導(dǎo) 教 師： 協(xié)助指導(dǎo)教師： 201 年 月 日北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要為了提高機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)中攝像頭的定位精度和實(shí)現(xiàn)攝像頭的全自動(dòng)調(diào)節(jié)，本文結(jié)合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)需求詳細(xì)敘述了怎樣進(jìn)行機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件選型與硬件接線以及精度計(jì)算設(shè)計(jì)等工作。其中硬件設(shè)計(jì)包含怎么選擇合適的控制器、控制工藝、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、上位監(jiān)控軟件及網(wǎng)絡(luò)通信方式等機(jī)器視覺檢測臺自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要組成部分；精度計(jì)算設(shè)計(jì)主是指通過計(jì)算步進(jìn)電機(jī)步距角與其高速脈沖頻率的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)攝像頭移動(dòng)位置的精確定位。關(guān)鍵詞：自

2、動(dòng)檢測系統(tǒng)、PLC、步進(jìn)電機(jī)AbstractPrecision detection technology as the key to promoting industrial development and the efficiency of detection to some extent reflects the development of the manufacturing sector; for machine vision inspection system has the advantage of high precision, on-line, real-time, non-c

3、ontact, etc., with industrial production field of automation requirements continue to increase, machine vision inspection applications in various fields more widely, such as assembly line parts recognition positioning, size and location of the measurement of mechanical components, parts flaw detecti

4、on, mechanical parts assembly Appearance inspection and product testing completely.In order to improve the positioning accuracy of the machine vision inspection system in the camera and the cameras automatic adjustment realization, this paper actual industrial production requirements described in de

5、tail how mechanical structure design, hardware selection and the hardware wiring and accuracy of the calculation and design work. The hardware design includes how to choose the right controller to control the process, drives, PC and network monitoring software, communications and other machine visio

6、n inspection station automatic control system, an important part; precision computing design of the main means by calculating the stepper motor step Relationship angle from its high-speed pulse frequency to achieve precise positioning camera movement position.Keywords: Automatically Detecting System

7、, PLC, Stepper Motor.目 錄摘 要IAbstractII引 言11緒論21.1上位監(jiān)控21.2驅(qū)動(dòng)技術(shù)22 總體方案設(shè)計(jì)42.1 機(jī)器視覺檢測臺控制系統(tǒng)構(gòu)成42.1.1 機(jī)械總體結(jié)構(gòu)42. 2控制工藝要求52. 3總體方案53硬件設(shè)計(jì)83. 1 信號分析83. 2 硬件選型93. 2 硬件組態(tài)103. 3I/O分配133. 4硬件原理圖143. 5操作面板和控制面板設(shè)計(jì)154 軟件設(shè)計(jì)174. 1 程序結(jié)構(gòu)174. 2 主程序分析174. 3急停子程序194. 4復(fù)位子程序204. 5手動(dòng)子程序204. 6自動(dòng)子程序204. 7報(bào)警子程序225 上位設(shè)計(jì)235. 1 新建項(xiàng)

8、目235.1.1 添加新的驅(qū)動(dòng)程序255.1.2建立新驅(qū)動(dòng)程序的鏈接255. 3建立變量265. 4 初始畫面275. 5 運(yùn)行畫面275. 6 報(bào)警畫面285. 7 參數(shù)畫面296調(diào)試及解決方案30結(jié) 論31致 謝32參考文獻(xiàn)33-III-北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 引 言精密測量與檢測的效率很大程度上體現(xiàn)了制造業(yè)的發(fā)展水平，對精密測量與檢測技術(shù)要求有了極大地提高,且現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)化程度要求的越來越高，機(jī)器視覺檢測技術(shù)是一種在工業(yè)、醫(yī)療、智能交通等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛的新型技術(shù)，機(jī)器視覺檢測技術(shù)是通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)對攝像頭采集的圖像進(jìn)行處理，而后運(yùn)用自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)、數(shù)字

9、信號處理等的非接觸式測量技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中,傳統(tǒng)的檢測技術(shù)需要眾多的檢測工人, 且存在眾多人類視覺不能夠感知的場合，如不可見物體感知、精確定量感知、危險(xiǎn)場景感知等，這不僅影響生產(chǎn)效率加大生產(chǎn)成本,而且?guī)聿豢煽考鞍踩蛩?；而作為近幾十年迅速崛起的一種新型計(jì)算機(jī)技術(shù)與科學(xué)，機(jī)器視覺檢測技術(shù)克服了傳統(tǒng)檢測技術(shù)的缺點(diǎn)，即是使機(jī)器視覺具有信息處理的能力，用機(jī)器代替人來做相關(guān)的測量和判斷；所以近年來基于機(jī)器視覺的自動(dòng)化檢測系統(tǒng)已經(jīng)在汽車制造、醫(yī)學(xué)檢測、食品檢測以及各種工業(yè)加工品生產(chǎn)檢測等眾多工作危險(xiǎn)或者人工無法完成的環(huán)境下代替人工工作。機(jī)器視覺在應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目之前，通常需要在檢測臺上進(jìn)行算法研究和測試。

10、目前市場上的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)為適應(yīng)不同對象的檢測要求，攝像頭的位置通?？梢赃M(jìn)行調(diào)解，但大都是手動(dòng)調(diào)節(jié)或半自動(dòng)調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)機(jī)構(gòu)中的攝像頭可以進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，并可實(shí)現(xiàn)上位監(jiān)控和控制系統(tǒng)之間的通信；在上位監(jiān)控系統(tǒng)中有攝像頭位置狀態(tài)顯示，可進(jìn)行上位調(diào)節(jié)控制、參數(shù)設(shè)置和報(bào)警等功能。1緒論機(jī)器視覺是一個(gè)正處在快速發(fā)展中的學(xué)科，其理論體系及控制體系還在不斷完善，而隨著工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)化程度要求的不斷提高，對機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的要求也在不斷提高，因此進(jìn)一步開展視覺檢測的實(shí)踐研究和理論探索，引進(jìn)及學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的機(jī)器視覺檢測技術(shù)與學(xué)術(shù)思想，對開拓視覺檢測新的應(yīng)用領(lǐng)域，具有十分重要的意義。1.1

11、上位監(jiān)控目前市場上的上位監(jiān)控軟件有iFIX、組態(tài)王、InTouch、WinCC等等。其中，InTouch：InTouch軟件是第一批進(jìn)入中國的組態(tài)軟件。在八九十年代，基于Windows3.1的InTouch軟件一度讓早期研究人員耳目一新，而且InTouch可以提供大量的圖庫；但是，早期的InTouch軟件采用方式與驅(qū)動(dòng)程序通信，使用性能較差，最新的InTouch7.0版已經(jīng)完全適用基于32位的Windows操作平臺，并且提供了OPC支持。組態(tài)王：組態(tài)王是中國第一家相對具有一定影響力的組態(tài)軟件開發(fā)公司；組態(tài)王給用戶提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語言支持方便中國用

12、戶使用，組態(tài)王也提供多種硬件驅(qū)動(dòng)程序。WinCC：西門子公司旗下的WinCC上位監(jiān)控軟件也具有一套完備的組態(tài)開發(fā)環(huán)境，WinCC上位監(jiān)控軟件可提供類語言的腳本，包括調(diào)試環(huán)境，WinCC內(nèi)嵌OPC支持，并可對分布式系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。1.2驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)行市場中所流通的驅(qū)動(dòng)設(shè)備主要分為氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)。氣壓驅(qū)動(dòng)主要優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)成本低，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用，氣源方便，結(jié)構(gòu)相對簡單，能夠在粉塵、高溫等環(huán)境惡劣的條件中工作。氣壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是裝置體積大，功率質(zhì)量比小，同時(shí)由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時(shí)，位姿精度不高。適用于灰塵大、易爆與易燃的場合。液壓驅(qū)動(dòng)與氣壓驅(qū)動(dòng)相比體積小，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，系統(tǒng)的

13、固有效率高，且快速性好，功率質(zhì)量比大，同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)的速度調(diào)節(jié)比較簡單，能夠在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速；用電液伺服調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向和液體流量時(shí)，可以使機(jī)器人的軌跡重復(fù)性提高；液壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是易漏油，這將影響定位的精度與工作的穩(wěn)定性，而且會造成污染環(huán)境。液壓驅(qū)動(dòng)大多用于要求運(yùn)行速度偏低，輸出力較大的場合。電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩或力，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；由于電氣驅(qū)動(dòng)具有響應(yīng)快，信號監(jiān)測、信號監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)精度高，信號監(jiān)測、使用方便，成本低廉，不污染環(huán)境，傳遞和處理方便，驅(qū)動(dòng)效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為市場中應(yīng)用最多，最普遍的

14、驅(qū)動(dòng)方式。1.3主要研究內(nèi)容機(jī)器視覺自動(dòng)檢測臺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)旨在研制一臺在高度和水平方向均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的裝置，主要研究內(nèi)容包括：機(jī)械設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和上位界面軟件設(shè)計(jì)等。2 總體方案設(shè)計(jì)機(jī)器視覺自動(dòng)檢測臺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容包括：機(jī)械設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和上位界面軟件設(shè)計(jì)等。故需對本設(shè)計(jì)實(shí)施方案在控制器、控制工藝、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、上位監(jiān)控軟件及網(wǎng)絡(luò)通信方式選擇進(jìn)行詳細(xì)分析。2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)器視覺自動(dòng)檢測臺系統(tǒng)主要包括傳輸機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)等機(jī)械機(jī)構(gòu)。根據(jù)項(xiàng)目需求，其中傳輸機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)傳輸待檢測工件，可以使用普通電機(jī)皮帶傳輸。所以需要設(shè)計(jì)傳送裝置，而升降機(jī)構(gòu)與水平移動(dòng)

15、機(jī)構(gòu)的主要工作是驅(qū)動(dòng)升降機(jī)機(jī)構(gòu)和水平機(jī)構(gòu)將攝像頭移動(dòng)到指定位置，可以使用絲杠滑桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。又因要求攝像頭移動(dòng)位置要精確，因此可以使用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。1、步進(jìn)電機(jī)1 2、上限位開關(guān) 3、升降導(dǎo)軌絲杠 4、左限位開關(guān) 5、攝像頭安裝位置6、步進(jìn)電機(jī)2 7、升降滑塊 8、水平移動(dòng)滑塊 9、連接板 10、水平導(dǎo)軌絲杠11、右限位開關(guān) 12、下限位開關(guān) 13、傳輸裝置 14、頭輥 15、尾輥圖2-1機(jī)械機(jī)構(gòu)示意圖2. 2控制工藝要求機(jī)器視覺自動(dòng)檢測系統(tǒng)包括傳輸機(jī)構(gòu)，升降機(jī)構(gòu)，水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)器視覺設(shè)備和控制系統(tǒng)等。機(jī)器視覺設(shè)備包括攝像頭，光源（可選）和計(jì)算機(jī)。傳

16、輸機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)傳輸待檢測工件，可以使用普通電機(jī)皮帶傳輸。驅(qū)動(dòng)升降機(jī)機(jī)構(gòu)和水平機(jī)構(gòu)將攝像頭移動(dòng)到指定位置，可以使用絲杠滑桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。由于要求攝像頭移動(dòng)位置要精確，因此可以使用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。計(jì)算機(jī)需要顯示攝像頭當(dāng)前的位置，并通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。（a）啟動(dòng)：在系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，按下控制面板上的SB1系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，若攝像頭不在初始位置，則系統(tǒng)啟動(dòng)指示燈HL1閃亮，若攝像頭位于初始位置，則啟動(dòng)指示燈HL1常亮。（b）復(fù)位：系統(tǒng)啟動(dòng)后，按下復(fù)位按鈕SB2，攝像頭回復(fù)初始位置。（c）模式選擇：系統(tǒng)啟動(dòng)并復(fù)位成功后，由SA1實(shí)現(xiàn)就地/遠(yuǎn)程模式的選擇，并通過相應(yīng)的指示燈進(jìn)行模式指示。（d）

17、就地控制：系統(tǒng)啟動(dòng)且攝像頭回復(fù)初始位置后，可通過控制面板上的手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)按鈕調(diào)節(jié)攝像頭位置，通過控制面板上的啟停按鈕實(shí)現(xiàn)傳送帶的啟停傳輸。其攝像頭具體位置可在上位監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行顯示。（e）遠(yuǎn)程控制：攝像頭具體位置可在上位監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行顯示。光電傳感器故障或運(yùn)行故障，在上位監(jiān)控系統(tǒng)中均能實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。在系統(tǒng)啟動(dòng)且攝像頭回復(fù)到初始位置后，可以通過上位監(jiān)控系統(tǒng)中的手動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)攝像頭位置的點(diǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，而在自動(dòng)模式下在參數(shù)畫面中放置的輸入輸出域中輸入移動(dòng)量，點(diǎn)擊確定按鈕可對攝像頭進(jìn)行精確定位，以及對傳送帶進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停控制。2. 3總體方案機(jī)器視覺自動(dòng)檢測臺控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對攝像頭的位置進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和高精度定位。本

18、畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)施方案在控制器、控制工藝、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、上位監(jiān)控軟件及網(wǎng)絡(luò)通信方式選擇進(jìn)行以下分析。（1）驅(qū)動(dòng)設(shè)備選型本課題傳輸機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)等機(jī)械機(jī)構(gòu)，所需機(jī)械運(yùn)動(dòng)要靠驅(qū)動(dòng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，直流電機(jī)、交流電機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等都是可供選擇的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。其中，傳輸機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)傳輸待檢測工件，將待檢測工件運(yùn)送到指定位置，所以傳送裝置可以采用價(jià)格低廉的直流電機(jī)來進(jìn)行件的傳輸，而升降機(jī)構(gòu)與水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要工作是驅(qū)動(dòng)升降機(jī)機(jī)構(gòu)和水平機(jī)構(gòu)將攝像頭精確移動(dòng)到指定位置，因此可以使用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)相比價(jià)格低廉，且其控制精度足以滿足課題研究需求，因而在此設(shè)計(jì)中選擇可以通過控

19、制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。（2）控制器選擇目前市場上的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)主要分為PLC系統(tǒng)及單片機(jī)系統(tǒng)，而PLC憑借著可靠的、分立邏輯和簡單的模擬I/O且系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，并能與上位機(jī)組成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化；編程簡單，使用方便，可采用簡明的邏輯圖、語句表、梯形圖等編程語言，而無需計(jì)算機(jī)知識，因此現(xiàn)場調(diào)試容易，系統(tǒng)開發(fā)周期短。另外PLC也可在線進(jìn)行修改程序，改變控制方案也不用拆動(dòng)硬件。因此本課題選用PLC作為控制系統(tǒng)。 PLC的品牌眾多，有國外著名品牌西門子、三菱、通用、施耐德等，也有國內(nèi)生產(chǎn)的臺達(dá)、永宏、深圳合信、德維深、和利時(shí)、淅大中控、江蘇信捷等。

20、而相對于其他品牌的PLC，西門子PLC的模擬量模塊價(jià)格便宜，開放性好，程序簡單，性能質(zhì)量好,支持多種通信協(xié)議,產(chǎn)品售前售后服務(wù)到位，適用多種人機(jī)界面和監(jiān)控組態(tài)軟件利于多廠家設(shè)備的通訊與集成，西門子具有很多功能塊，減輕了設(shè)計(jì)人員的編程負(fù)擔(dān)。本設(shè)計(jì)選用西門子品牌的S7系列的PLC，而本課題輸入及輸出量較多故選取西門子S7-300為機(jī)器視覺檢測臺自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器。（3）上位監(jiān)控軟件選擇目前市場上的上位監(jiān)控軟件有iFIX、組態(tài)王、InTouch、WinCC等等。其中，iFIX功能強(qiáng)大，但是操作繁瑣，適用于大型的或較復(fù)雜的控制系統(tǒng)；組態(tài)王設(shè)計(jì)簡潔直觀，適應(yīng)性強(qiáng)；InTouch的單功能較簡單，但在分布

21、式結(jié)構(gòu)、大型應(yīng)用上能力較弱；而WinCC的功能強(qiáng)大，應(yīng)用靈活，擴(kuò)展功能開放簡易，而且與西門子PLC的方便集成，有豐富的功能選件，更適用于該課題。綜上所述，最終選用WinCC作為控制系統(tǒng)的上位監(jiān)控軟件。綜上，本課題的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-4所示。圖2-4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3硬件設(shè)計(jì)根據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)備選型與控制工藝要求，選擇相應(yīng)控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及所需其他設(shè)備，進(jìn)行硬件選型，硬件接線與硬件設(shè)計(jì)。3. 1 信號分析本設(shè)計(jì)需要控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的方向信號為輸出信號，靠脈沖輸出控制故需要兩個(gè)高速脈沖信號；再根據(jù)對本設(shè)計(jì)的控制工藝分析，并結(jié)合所需要控制的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。在分析相應(yīng)的控制任務(wù)和需實(shí)現(xiàn)的功能情況下總結(jié)統(tǒng)計(jì)出，本設(shè)

22、計(jì)共需數(shù)字量輸入信號14個(gè)；數(shù)字量輸出信號11個(gè)；數(shù)字量輸入信號表詳見表3-1；數(shù)字量輸出信號詳見表3-2。表3-1 數(shù)字量輸入信號序號名 稱符號類型1啟動(dòng)按鈕SB1DI2復(fù)位按鈕SB2DI3停止按鈕SB3DI4急停按鈕SB4DI5上行按鈕SB5DI6上行按鈕SB6DI7上行按鈕SB7DI8上行按鈕SB8DI9就地/遠(yuǎn)程模式選擇開關(guān)SA1DI10手動(dòng)/自動(dòng)選擇開SB2DI11上限位開關(guān)SQ1DI12下限位開關(guān)SQ2DI13左限位開關(guān)SQ3DI14右限位開關(guān)SQ4DI表3-2數(shù)字量輸出信號序號名 稱符號類型1步進(jìn)電機(jī)1方向M2DO2步進(jìn)電機(jī)2方向Y1DO3系統(tǒng)指示燈HL1DO4報(bào)警指示燈HL2D

23、O5遠(yuǎn)程控制指示燈HL3DO6就地控制指示燈HL4DO7手動(dòng)模式指示燈HL5DO8自動(dòng)模式指示燈HL6DO9直流電機(jī)繼電器M1DO10步進(jìn)電機(jī)1脈沖M2D011步進(jìn)電機(jī)2脈沖M3D03. 2 硬件選型本設(shè)計(jì)需要用到步進(jìn)電機(jī)并對其進(jìn)行精確控制，故需要有高速脈沖輸出，而西門子緊湊型S7-300C系列的PLC中CPU31XC型號的CPU都具有高速脈沖輸出，本設(shè)計(jì)選用的CPU型號為6ES7 313-6CE01-0AB0。經(jīng)過信號分析可知本設(shè)計(jì)共需數(shù)字量輸入信號14個(gè)；數(shù)字量輸出信號9個(gè)；高速脈沖信號輸出2個(gè)，所以還需要擴(kuò)展模塊，本設(shè)計(jì)選擇6ES7 323-1BH01-0AA0型號的數(shù)字量輸入輸出模塊。

24、初步確定所需材料與器件型號具體清單見表1-4。表3-4 硬件清單表序號材料/器件型號/規(guī)格/訂貨號1PLC分布式機(jī)架6ES7 390-1AE80-0AA02開關(guān)電源HB-60W124V-1b3CPU6ES7 313-6CE01-0AB04數(shù)字量輸入輸出模塊6ES7 323-1BH01-0AA05永磁直流減速電機(jī)302YJ6兩相步進(jìn)電機(jī)35 HBP22BL4-TRO7選擇開關(guān)T80-T8按鈕(綠色)LA128A9按鈕(紅色)LA128A續(xù)表3-4 硬件清單表序號材料/器件型號/規(guī)格/訂貨號10按鈕(黃色LA128A11按鈕(白色)LA128A12急停按鈕AVW 6681316綠色指示燈AD16-

25、16V1416藍(lán)色指示燈AD16-16V1516紅色指示燈AD16-16V16限位開關(guān)CM-170417光電傳感器E3F-DS30C418繼電器2790C19斷路器5SJ6220步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ZD-873121接線端子SAK JXB 2.5/EN22絲杠滑桿機(jī)構(gòu)1DTX0808-30023絲杠滑桿機(jī)構(gòu)2DTX0808-40024型材2040500mm25PVB傳送帶寬100mm,長806mm，厚1.2mm26尼龍托輥40mm,長100mm3. 2 硬件組態(tài)本設(shè)計(jì)具有高速脈沖輸出和使用定時(shí)器，所以需對CPU的循環(huán)特性和時(shí)鐘存儲器及脈寬調(diào)制調(diào)用進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)本設(shè)計(jì)的課題任務(wù)，機(jī)器視覺檢測臺的硬件模

26、塊選擇及配置如圖3-1所示。其中1號槽安裝電源模塊，選擇了一塊輸入AC220V、輸出DC24V/2A的電源模塊。2號槽安裝CPU模塊。需設(shè)置CPU與PC通信的接口MPI的地址為2，用于下載程序和監(jiān)視程序運(yùn)行。3號槽為接口模塊本設(shè)計(jì)不需要，所以3號槽空出不安裝模塊。4號槽安裝I/O模塊，安裝本設(shè)計(jì)所需的數(shù)字量輸入輸出模塊。圖3-1 硬件配置本設(shè)計(jì)需要定時(shí)器來控制脈沖輸出已達(dá)到精確定位的目的，因此設(shè)置CPU的掃描周期為150ms,保存時(shí)鐘信號的位存儲器的存儲器字節(jié)是10，如圖3-2。圖3-2 CPU設(shè)置本設(shè)計(jì)是通過控制脈沖輸出來控制步進(jìn)電機(jī)，在硬件組態(tài)通過設(shè)置脈沖輸出周期及脈沖寬度的來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)

27、的移動(dòng)速度。可雙擊硬件組態(tài)下的計(jì)數(shù)進(jìn)入計(jì)數(shù)器屬性對話框?qū)ο鄳?yīng)的脈沖輸出參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置方式如圖3-3所示。圖3-3 脈寬調(diào)制組態(tài)CPU計(jì)數(shù)模塊作為普通數(shù)字量輸出點(diǎn)使用時(shí)，其系統(tǒng)默認(rèn)地址為Q124.0、Q124.1、Q124.2（可自行修改），作為高速脈沖輸出時(shí)，對應(yīng)的通道分別為0通道、1通道、2通道（通道號為固定值，不能自行修改）。每一通道都可輸出最高頻率為2.5KHZ（周期為0.4ms）的高頻脈沖。在CPU計(jì)數(shù)模塊的屬性對話框中需要調(diào)用通道0和1和脈寬調(diào)制功能，相應(yīng)設(shè)置如圖3-4。圖3-4 脈寬調(diào)制參數(shù)設(shè)置1設(shè)置脈沖參數(shù)：在上圖的對話框中選擇OK，對應(yīng)通道被設(shè)置脈寬調(diào)制工作方式，脈沖參數(shù)將

28、被設(shè)置為默認(rèn)值。計(jì)數(shù)器屬性對話框會出現(xiàn)一個(gè)新的標(biāo)簽，脈寬調(diào)制標(biāo)簽，選擇此標(biāo)簽可對脈寬參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖3-5所示。圖3-5 脈寬調(diào)制參數(shù)設(shè)置23. 3I/O分配通過對本設(shè)計(jì)進(jìn)行的信號分析及對輸入輸出設(shè)備的分析、分類和整理，進(jìn)行了相應(yīng)的I/O地址分配。本設(shè)計(jì)的I/O分配如表3-3所示。表3-3 I/O分配表名稱類型符號地址啟動(dòng)按鈕DISB1I0.6復(fù)位按鈕DISB2I0.7停止按鈕DISB3I1.0急停按鈕DISB4I1.1上行按鈕DISB5I1.2下行按鈕DISB6I1.3左行按鈕DISB7I1.4右行按鈕DISB8I1.5位置傳感器DIS0I1.6遠(yuǎn)/近程模式選擇開關(guān)DIS1I2.0手/自動(dòng)

29、模式選擇開關(guān)DIS2I2.1上限位開關(guān)DISQ1I2.2下限位開關(guān)DISQ2I2.3左限位開關(guān)DISQ3I2.4右限位開關(guān)DISQ4I2.5續(xù)表3-3 I/O分配表名稱類型符號地址步進(jìn)電機(jī)1DOM2Q0.0步進(jìn)電機(jī)2DOM3Q0.1步進(jìn)電機(jī)1方向DODIR1Q0.3步進(jìn)電機(jī)2方向DODIR2Q0.4系統(tǒng)指示燈DOHL1Q2.0報(bào)警指示燈DOHL2Q2.1遠(yuǎn)程控制指示燈DOHL3Q2.2就地控制指示燈DOHL4Q2.3手動(dòng)模式指示燈DOHL5Q2.4自動(dòng)模式指示燈DOHL6Q2.5直流電機(jī)DOM1Q2.73. 4硬件原理圖外界電源通過連接一個(gè)低壓斷路器作為手動(dòng)通電開關(guān)，而后通過開關(guān)電源將引進(jìn)的2

30、20V的電壓轉(zhuǎn)換為24V電壓為各設(shè)備供電，為實(shí)現(xiàn)PLC對步進(jìn)電機(jī)的控制需要連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)與開關(guān)電源所引出的兩根電線相連，而直流電機(jī)的控制主要是使用繼電器。電路硬件接線原理圖如圖3-6至圖3-8。圖3-6主電路原理圖圖3-7CPU接線 圖3-8數(shù)字量輸入/輸出模塊接線3. 5操作面板和控制面板設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)根據(jù)硬件選型中所需電器元件的數(shù)量和尺寸大小，將其在機(jī)架上的安裝位置進(jìn)行了合理化的布置，并繪制相應(yīng)的控制面板布局圖及操作面板布局圖。如圖3-9至圖3-10所示。圖3-9控制面板布局圖圖3-10操作面板布局圖-33-4 軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用梯形圖語言編程，梯形圖編程的優(yōu)點(diǎn)在于中簡單

31、、直觀、易讀好懂，根據(jù)本設(shè)計(jì)項(xiàng)目的控制工藝要求可采用模塊化編程可使程序較清晰，便于修改和擴(kuò)充等。4. 1 程序結(jié)構(gòu)根據(jù)對整體控制工藝要求分析，本項(xiàng)目程控制工藝較為復(fù)雜，因而采用模塊化編程將機(jī)器視覺檢測臺自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目分解成幾個(gè)子系統(tǒng)，編寫各自的子程序進(jìn)行控制。其中在主程序OB1設(shè)置各子程序塊調(diào)用條件來控制調(diào)用個(gè)子程序塊，添加功能塊FC10作為急停子程序編寫對急停按鈕的處理指令，F(xiàn)C20用來編寫攝像頭回復(fù)初始位置的子程序，F(xiàn)C30可作為手動(dòng)控制攝像頭左右及上下移動(dòng)的點(diǎn)動(dòng)子程序，F(xiàn)C40設(shè)為自動(dòng)子程序用于遠(yuǎn)程監(jiān)控下攝像頭自動(dòng)調(diào)節(jié)的精確定位，而FC50用于放映攝像頭到各限位時(shí)的報(bào)警子程序。綜上

32、所訴本設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1。圖4-1程序結(jié)構(gòu)圖4. 2 主程序分析主程序OB1主要是進(jìn)行各子程序的條件調(diào)用，當(dāng)相應(yīng)的條件滿足后可以調(diào)用相應(yīng)子程序；以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制需求。主程序OB1的程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2主程序流程圖 本設(shè)計(jì)應(yīng)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確控制，而在S7-300PLC中，脈沖輸出的編程需要通過調(diào)用系統(tǒng)功能塊(SFB)進(jìn)行，脈沖輸出功能塊為SFB49?？刂粕迪到y(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸出通道設(shè)為0通道，控制水平移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)脈沖輸出通道采用1通道。相應(yīng)程序設(shè)計(jì)如圖4-3所示。圖4-3 SFB49指令調(diào)用4. 3急停子程序?yàn)楸Ｕ蠙C(jī)器視覺檢測臺的設(shè)備安全運(yùn)行以及操作人員的人身安全，

33、若遇到任何緊急情況，可按下控制面板上的“急停按鈕”，使各執(zhí)行部件立即停止動(dòng)作，并維持在當(dāng)前狀態(tài)以避免發(fā)生意外。急停程序如圖4-4。圖4-4急停子程序4. 4復(fù)位子程序若按下啟動(dòng)按鈕時(shí)系統(tǒng)指示燈閃亮攝像頭不在初始位置，需按下操作面板上的“復(fù)位按鈕”調(diào)用復(fù)位子程序，開始執(zhí)行復(fù)位程序使攝像頭移動(dòng)到初始位置，攝像頭到達(dá)初始位置后系統(tǒng)指示燈變?yōu)槌Ａ?。?fù)位程序如圖4-5。圖4-5復(fù)位程序4. 5手動(dòng)子程序若滿足手動(dòng)子程序調(diào)用條件，可調(diào)用并執(zhí)行手動(dòng)子程序，在手動(dòng)模式下按下操作面板的上行按鈕攝像頭向上運(yùn)行，按下操作面板的下行按鈕攝像頭向下運(yùn)行，按下操作面板的左行按鈕攝像頭向左運(yùn)行，按下操作面板的右行按鈕攝像頭

34、向右運(yùn)行，這可實(shí)現(xiàn)攝像頭的點(diǎn)動(dòng)控制可以手動(dòng)調(diào)節(jié)攝像頭的位置。手動(dòng)控制程序如圖4-6。圖4-6手動(dòng)程序4. 6自動(dòng)子程序自動(dòng)子程序是在遠(yuǎn)程模式下才可調(diào)用的，為通過對自動(dòng)子程序的編寫來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確定位需要進(jìn)行相應(yīng)的分析。步進(jìn)電機(jī)有步距角，它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，本設(shè)計(jì)中的步進(jìn)電機(jī)的步距角為=1.8。它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。本設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對步進(jìn)電機(jī)步距角進(jìn)行了二分故=0.9，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周是360，每轉(zhuǎn)一周需要的脈沖數(shù)導(dǎo)軌絲杠的導(dǎo)程S=8mm，故步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周滑塊移動(dòng)8mm，則滑塊

35、移動(dòng)1mm需要脈沖在硬件組態(tài)的脈寬參數(shù)設(shè)置中脈沖周期T=40.1ms?；瑝K移動(dòng)1mm需要時(shí)間本設(shè)計(jì)應(yīng)用的是S ODT：接通延時(shí)定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器占用定時(shí)狀態(tài)的1位地址空間和定時(shí)時(shí)間值的16位地址空間，定時(shí)時(shí)間值以BCD碼的格式存放，本設(shè)計(jì)才用的時(shí)間基準(zhǔn)是10ms,假設(shè)需要移動(dòng)的距離為X mm則所需時(shí)間為2Xms。在WinCC參數(shù)畫面中添加相應(yīng)的“輸入/輸出域”連接相應(yīng)變量，給定X的值，運(yùn)用整數(shù)乘法指令：MUL I將X乘2后放進(jìn)另一字節(jié)中如圖4-7所示；調(diào)用轉(zhuǎn)換器I BCD指令，將整數(shù)轉(zhuǎn)換為16位的BCD碼轉(zhuǎn)存到MW20中如圖4-8所示；調(diào)用S ODT：接通延時(shí)定時(shí)器，將MW20放在定時(shí)時(shí)間值輸

36、入端如圖4-9所示。圖4-7 MUL I指令圖4-8 I BCD指令圖4-9 S ODT指令4. 7報(bào)警子程序若在手動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)攝像頭到達(dá)各限位觸及限位開關(guān)后，若繼續(xù)按下相應(yīng)方向的按鈕開關(guān)則報(bào)警燈亮。若在自動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)攝像頭移動(dòng)到各限位后，還未到達(dá)設(shè)置時(shí)間會導(dǎo)致報(bào)警燈亮。報(bào)警程序如圖4-10。圖4-10 報(bào)警程序5 上位設(shè)計(jì)對于具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的PLC控制系統(tǒng)來講，除了硬件設(shè)備和控制軟件之外，還應(yīng)有便于用戶操作的人機(jī)界面。在上位界面中可以顯示當(dāng)前設(shè)備的工作狀態(tài)，也可以通過操作界面對設(shè)備的運(yùn)行過程進(jìn)行控制，上位畫面主要有初始畫面，運(yùn)行畫面，參數(shù)畫面，報(bào)警畫面組成。初始畫面主要用于操作人員登錄

37、及各畫面調(diào)用；運(yùn)行畫面主要用于監(jiān)視工作臺運(yùn)行情況和參數(shù)畫面、報(bào)警畫面的調(diào)用；參數(shù)畫面在于設(shè)置所需數(shù)據(jù)對工作臺進(jìn)行相應(yīng)控制；報(bào)警畫面是作為發(fā)生各類操作問題及安全問題進(jìn)行相關(guān)報(bào)警提示級信息記錄；上位畫面結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。圖5-1上位畫面結(jié)構(gòu)圖5. 1 新建項(xiàng)目創(chuàng)建項(xiàng)目后，WinCC運(yùn)行系統(tǒng)將采用項(xiàng)目的默認(rèn)設(shè)置。然而，本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的上位程序需要在不同的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，而若將其他計(jì)算機(jī)組態(tài)的WinCC項(xiàng)目復(fù)制到另一個(gè)計(jì)算機(jī)時(shí)，需修改“計(jì)算機(jī)屬性”中的計(jì)算機(jī)名稱使其與運(yùn)行WinCC的計(jì)算機(jī)名稱相同，否則無法運(yùn)行該項(xiàng)目。因本項(xiàng)目具有報(bào)警功能需要報(bào)警記錄運(yùn)行系統(tǒng)等設(shè)置。項(xiàng)目屬性設(shè)置如圖5-2至圖5-3所示。

38、圖5-2計(jì)算機(jī)屬性設(shè)置圖形運(yùn)行系統(tǒng)圖5-3計(jì)算機(jī)屬性設(shè)置啟動(dòng)5. 2 建立上位監(jiān)控的通訊通信驅(qū)動(dòng)程序用于WinCC與所連接的PLC控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。在創(chuàng)建過程變量前，必須安裝與PLC控制系統(tǒng)相匹配的通信驅(qū)動(dòng)程序，并至少創(chuàng)建一個(gè)過程連接。5.1.1 添加新的驅(qū)動(dòng)程序單擊WinCC項(xiàng)目管理中的“變量管理”，并在鼠標(biāo)右鍵快捷菜單中選擇“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”命令，打開“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”窗口，在此窗口下選擇為SIMATIC S7協(xié)議組的SIMATIC S7 Protocol S，其支持西門子S7-300CPU的各種通信協(xié)議，如圖5-4所示。圖5-4添加新的驅(qū)動(dòng)程序5.1.2建立新驅(qū)動(dòng)程序的鏈接本設(shè)

39、計(jì)僅是計(jì)算機(jī)與一個(gè)CPU進(jìn)行短距離信息傳輸且所需傳輸數(shù)據(jù)量較小，故兩者之間的網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用MPI網(wǎng)絡(luò)。參數(shù)設(shè)置如圖5-5至圖5-6所示。圖5-5建立新驅(qū)動(dòng)程序的鏈接圖5-6系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置5. 3建立變量在WinCC運(yùn)行環(huán)境下，設(shè)備的運(yùn)行狀況應(yīng)實(shí)時(shí)反映在變量的數(shù)值中，操作人員可以監(jiān)視過程數(shù)據(jù)，同時(shí)操作人員在計(jì)算機(jī)上發(fā)布的指令也是通過變量傳送給檢測臺相應(yīng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)；為了實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的上位控制要求，本項(xiàng)目建立了與PLC有過程鏈接的外部變量。變量表如圖5-7所示。圖5-7WinCC變量表5. 4 初始畫面在初始畫面中設(shè)置了兩個(gè)按鈕，分別是登錄按鈕、進(jìn)入畫面按鈕。在進(jìn)入各運(yùn)行畫面之前需要進(jìn)行登錄，如果無法登錄則不

40、能進(jìn)行上位運(yùn)行操作及各畫面監(jiān)控。只有登錄成功后才可點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入相應(yīng)畫面。操作人員完成相應(yīng)操作后，可以點(diǎn)擊退出按鈕退出登錄。初始畫面設(shè)置如圖5-8所示。圖5-8初始畫面5. 5 運(yùn)行畫面在初始登錄畫面中登錄成功后，單擊運(yùn)行畫面按鈕后跳轉(zhuǎn)至運(yùn)行畫面。而在運(yùn)行畫面中設(shè)有一個(gè)系統(tǒng)指示燈、報(bào)警指示燈、遠(yuǎn)/近程模式選擇指示燈、位置傳感器和傳輸機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)，初始畫面按鈕、報(bào)警畫面按鈕、退出運(yùn)行按鈕。在運(yùn)行畫面中，還可以對報(bào)警畫面進(jìn)行監(jiān)控。運(yùn)行畫面如圖5-9所示。圖5-9運(yùn)行畫面5. 6 報(bào)警畫面在運(yùn)行畫面中單擊報(bào)警畫面按鈕后彈出報(bào)警畫面窗口查看報(bào)警信息。在運(yùn)行過程中當(dāng)?shù)竭_(dá)限位開關(guān)若還繼續(xù)運(yùn)行

41、電機(jī)則會產(chǎn)生報(bào)警。報(bào)警畫面如圖5-10所示。圖5-10報(bào)警畫面5. 7 參數(shù)畫面在運(yùn)行畫面中可以對參數(shù)畫面進(jìn)行監(jiān)控，參數(shù)畫面中設(shè)有遠(yuǎn)/近程模式選擇按鈕；在遠(yuǎn)程模式下點(diǎn)擊手動(dòng)按鈕調(diào)用手動(dòng)子程序，然后單擊上行、下行、左行、右行按鈕中的任一各控制設(shè)備運(yùn)行，進(jìn)行電動(dòng)控制。在自動(dòng)模式下，可在文本輸入框中輸入給定的移動(dòng)距離來實(shí)現(xiàn)攝像頭的精確定位，設(shè)置完成后點(diǎn)擊退出設(shè)置按鈕可回到運(yùn)行畫面。參數(shù)畫面設(shè)置如圖5-11所示。圖5-11參數(shù)畫面6調(diào)試PLC的調(diào)試分為硬件調(diào)試與軟件調(diào)試，硬件調(diào)試主要是對控制面板與操作面板的接線進(jìn)行測試。軟件的調(diào)試即程序調(diào)試，程序調(diào)試的目的是測試程序、查找錯(cuò)誤、修改錯(cuò)誤，直到能夠?qū)崿F(xiàn)程序的功能為止。硬件調(diào)試的方法是在打點(diǎn)之前，根據(jù)I/O分配表在項(xiàng)目中創(chuàng)建一個(gè)符號表，創(chuàng)建主程序OB1，打開主程序OB1，在OB1中調(diào)用“監(jiān)控/修改變量”工具，在變量表中輸入要修改或監(jiān)視的變量，一般順序是先選擇輸入變量，然后選擇受輸入影響以及影響輸出的變量，最后選擇輸出變量。輸入變量完成后，按下相應(yīng)按鈕觀察變量表中對應(yīng)的狀態(tài)