基于PLC的单焦点镜片分选机的实现与应用

潘 欢

（速波机器人无锡有限公司，江苏 无锡 214151）

0 引言

随着自动化[1]在生产制造业中的普及发展，传统行业逐渐朝着自动化生产的方向转型。生产厂商只有提高了生产中的自动化程度才能大幅度地提高生产效率，降低生产成本。在自动化程度较低的眼镜片检测分选行业，镜片的分选打包主要还是通过人工来完成。人工对眼镜片打包分选不仅需要投入较多的人力资源，而且重复的劳作难免会产生分选偏差，导致最终产品无法满足要求。

为了解决目前眼镜片检测分选[2]行业所遇到的这些问题，本文设计实现了基于PLC控制的单焦点镜片[3]分选机。从降低人力成本，提高生产效率方面改善了行业现状，提高了行业自动化程度。

本文主要从电气控制方面的硬件设计和软件设计，介绍了单焦点镜片分选机的设计过程及达到的运行效果。

1 设备工艺要求

单焦点镜片分选机主要针对的是市场上普遍使用的单焦眼镜片进行分选打包，包含近视眼镜片和老花眼镜片以及其他需要测量镜片度数的功能性单焦眼镜片。分选依据参数主要为镜片厚度值、镜片度数值、镜片散光值。用户可以根据客户具体需求，在基于PLC的运动控制系统[4]与相机视觉系统[5]的配合下，对眼镜片进行分选打包以及是否需要增加棉纸的操作，同时在包装袋上打印对应的镜片参数。分选机设备提供28种分选类型放置口，分仓规则自由度高，足以满足大多数客户需求。

单焦点镜片分选机具有手动操作模式与自动操作模式2种运行模式供使用者选择。

1.1 手动操作模式

手动操作模式可以对分选机的单体进行单独控制，例如气缸的动作控制，伺服电机单独点动运行、定位运行、回原点等控制操作，步进电机的单独点动运行、定位运行、回原点等控制操作。操作员可以在人机界面上观察系统当前的手动运行状态与动作情况，方便调试和故障排查。

1.2 自动操作模式

自动操作模式下对上料方式进行了分类，主要分为自动上料以及手动上料方式。自动上料使用标准托盘进行眼镜片的上料，手动上料模式适用于其他非标准托盘进行上料分选。自动操作逻辑的简易流程如图1所示。

图1 自动操作模式流程

2 控制系统硬件设计

2.1 机械结构

单焦点镜片分选机设备按照功能要求，机械方面将结构划分为自动上料区、手动上料区、镜片检测区、包装袋准备区、镜片打包区5个功能分区。设备整体机械结构如图2所示。

图2 单焦点镜片分选机设备

（1）自动上料区，主要负责标准托盘中的眼镜片自动上料动作。

（2）手动上料区，主要负责其他托盘眼镜片的手动上料动作。

（3）镜片检测区，主要负责对眼镜片的厚度、焦度、散光等参数的测量记录动作，以及自动调焦动作。相机视觉系统利用通讯的方式采集焦度计[6]测量的镜片度数散光等参数，根据事先设置好的分仓规则进行内部预处理分类。

（4）包装袋准备区，主要负责镜片包装袋的上料，测量参数的打印准备，包装入袋准备动作。

（5）镜片打包区，主要负责把包装完成的眼镜片按照预先设定的分仓规则，进行入柜放置的动作。

2.2 电气设备

单焦镜片分选机控制核心采用基恩士PLC，电机控制方式采用安川MECHATROLINK－II通信[7]协议与安川伺服电机和步进电机进行控制数据通讯。总线的方式控制伺服和步进的运动不仅可以大幅减少配线的工作量，而且还提高了系统的可靠性和抗干扰能力。基恩士KV－ML16V省线型定位运动单元采用MECHATRO⁃LINK－II协议，最大支持16轴位置控制、速度控制、转矩控制等控制方式[8]。设备主要电气设备选型如表1所示。

表1 主要电气设备选型表

2.3 电气原理图

单焦点镜片分选机电气原理图使用AutoCAD软件进行绘制，主电源使用220 V交流电对系统整体进行供电，系统辅助电源使用480 W的24 V开关电源供给。电源系统如图3所示。

图3 设备电源系统原理

基恩士输入输出模块接线方式采用了MIL连接器34针进行连接，因此设备中选用IDC 34中继端子台进行转接，只要将就近的磁性开关，传感器等外部信号接到对应的中继端子台上就可以与PLC之间进行有效信号交互。这样不仅减少了线缆的使用，同时还降低了后续维护人员排除设备故障的时间。部分中继端子台接线如图4所示。

图4 设备部分端子台接线

3 控制系统程序设计

3.1 基恩士PLC程序

基恩士PLC型号选用的是KV－7000系列的KV－7500，KV－7500具有超高速CPU内部总线，可以进一步实现设备控制的高速化、高精度处理。PLC内部程序分为输入点刷新、启动处理、通讯处理、设备单体控制处理、自动上料区逻辑、镜片检测区逻辑、镜片打包区逻辑、镜片入柜区逻辑、加棉纸程序逻辑、报警处理、定位控制、输出点刷新。

（1）输入点刷新与输出点刷新。输入点刷新逻辑和输出点刷新逻辑都是用于处理外部信号的转接，方便于后续外部信号点位的变更。

（2）启动处理。启动处理逻辑用于设备上电后的一系列初始化处理，例如设备初始上电后电机回原点操作、相机初始化操作、气缸初始位置检测操作、设备异常检测等。

（3）通讯处理。通讯处理用于处理PLC与相机视觉系统之间的通讯逻辑，PLC与相机之间采用TCP的方式进行通讯。通讯内容包含相机拍照结果、眼镜片分仓等级结果、相机工作状态等。通讯处理部分程序如图5所示。

图5 通讯处理部分程序图

（4）设备单体控制处理。设备单体控制逻辑用于批量处理单体设备的控制，主要涉及气缸的手、自动运行，手动与自动模式之间切换运行，调速电机的手自动单独启停控制。

（5）自动上料区逻辑。系统自动运行前会自动检测上料模式，如果用户选择了自动上料模式，同时自动上料区托盘就绪时，设备启动后会进入自动上料状态。自动上料区逻辑用于处理托盘的自动上下料，将托盘中的镜片转移至后续检测区进行检测。

（6）镜片检测区逻辑。镜片检测区用于检测眼镜片的厚度、镜片的散光、镜片的度数等相关参数。在测量过程中，相机视觉系统会将测量数据发送给纸袋打印机进行打印纸袋操作，将测量等级消息发送给PLC进行后续分仓操作。

（7）镜片打包区逻辑。镜片打包区主要包含包装纸袋的上料、包装纸袋的打印与准备操作。当眼镜片进入检测区后，包装袋就进行上料操作，等待相机测量参数的传递；在收到相机通过以太网发送过来的打印参数后，打印机进行打印操作，打印完成的纸袋会进入打包准备位置，为后续的镜片入袋做好准备。

（8）镜片入柜区逻辑。根据相机视觉系统测量结果，按照用户事先设置好的分仓规则，对当前需要分类的眼镜片进行对应的分仓操作，将其放置到正确的规则仓中。

（9）加棉纸程序逻辑。针对一些不含棉纸的包装袋，而镜片又需要增加棉纸来保护表面不受磨损的情况。单焦点镜片分选机添加了自动加棉纸的功能，只要用户运行前选择了加棉纸模式，设备就会在正常的检测包装工序中增加一道加棉纸的工序流程。加棉纸部分逻辑程序如图6所示。

图6 加棉纸部分逻辑图

（10）报警处理。报警处理逻辑对设备各个分区的报警进行处理，报警类型包含气缸未到位异常报警、打印异常报警、工位残料报警、伺服异常报警等。具体的报警信息会在触摸屏中显示出来，同时报警指示灯闪烁，蜂鸣器响，通过声光报警的方式来提醒使用者设备处于异常运行当中。

（11）定位控制。定位控制逻辑用于批量处理伺服电机和步进电机回原点，手动点动运行控制和定位运行控制。

3.2 人机界面交互设计

单焦点镜片分选机使用触摸屏来进行人机交互，主要用于设备使用人员对分选机进行正常操作、故障排除、参数设置。丰富的人机交互内容可以让使用者对设备的运行情况更加熟悉，可以快速让分选机达到投入生产的状态。

触摸屏型号选用昆仑通态10寸触摸屏[9]TPC1061Ti。触摸屏界面主要分为主界面、操作界面和报警显示界面。主界面用于显示分选机整体状态、手自动运行模式选择、手自动上料方式选择、设备启停等操作；操作界面主要用于操作人员在手动运行模式下，对分选机的单体设备进行手动操作，例如气缸的运动检测，伺服电机与步进电机的定位位置调整；报警界面用于显示设备产生的异常报警内容，便于使用者排除设备故障。触摸屏中的部分界面截图如图7所示。

图7 联动测试界面

4 结束语

本文主要从电气设计方面介绍了基于PLC的单焦点镜片分选机，从电气设备选型、原理图的绘制、基恩士PLC程序的编写、触摸屏界面的设计等方面整体展示了分选机的开发过程，展示了设备整体的功能情况及应用场景。

单焦点镜片分选机的开发使用，极大地提高了镜片检测分选行业的自动化程度，降低了企业人力成本投入，对企业的发展有着积极的作用。但是单焦点镜片分选机主要针对的分选类型是常见的单焦点眼镜片，对于多焦点的眼镜片还需开发其他设备进行分选检测，这也是后面需要研究和探讨的开发方向。