第34卷第3期机电卢品开发与创新Vol.34,No.3 2021 年5 月Development & Innovation of Machinery & Electrical Products M/y.，2021
文章编号：1002-6673 (2021) 03-011-04
基于PLC板级控制的E型铁芯多工位叠片系统设计
刘新波！廖政栋，黎浪
(邵阳学院多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南邵阳422000)
摘要：为提高E型变压器铁芯生产效率和控制精度，本文设计一款实用性强的E型铁芯多工位叠片系统，实现E型铁芯的高质量批量生产提供便利条件。系统硬件主要由4块简易P L C板、3台3轴机械臂及触摸 屏等几个部分组成。通过对E型铁芯的叠片工艺过程分析，P L C之间通过M odBus-RTU协议建立主从站通 信，设主站1台、从站3台，每台从站P L C控制1台机械臂，实现分布式集中控制。并通过触摸屏来监控 叠片机器人组的运行状态和对执行部件的操控。实践表明，该系统稳定性强、可靠性高，能满足在实际生产 中对叠片效率的要求，从而降低E型变压器铁芯生产成本，提升生产效率。
关键词：P L C板；E型铁芯；多工位叠片机器人；M odBus-RTU协议；分布式集中控制
三菱plc字符串截取中图分类号：TP39 文献标识码：A d〇i:10.3969/j.issn.1002-6673.2021.03.004
Design of E-type Core Multi-station Lamination System Based on PLC Board-level Control
LIU Xin-Bo，LIAO Zheng-Dong，LI Lang
(Hunan Provincial Key Laboratory of Grids Operation and Control on M ulti-Power Sources Area，Shaoyang University，
Shaoyang Hunan 422000，China)
Abstract: In order to improve the production efficiency and control accuracy of E-type transformer cores，a multi-station lamination system is presented，which provides convenient conditions for achieving high-quality mass production of E-type cores. The system is mainly composed of 4 simple PLC boards，3 robots with 3-axis and a touch screen. Through the analysis of the lamination process of the E-type iron core，the master-slave communication between the PLCs is established through the M odB us-RTU protocol. There is 1 master station and 3 slave stations. Each slave station PLC controls a robot to achieve distributed centralized control. The touch screen is to monitor the running status of the stacking robot group and manipulate the executive parts. It is shown that the system has strong stability and high reliability，and can meet the requirements for lamination efficiency in actual production.
Keywords：Simple PLC board% E-type iron core% M ulti-station laminated robot% M odB us-R T U%Distributed centralized control
0引言
目前，在国内外变压器铁心制造工艺中，大部分工序已
实现自动化，如铁芯硅钢片料剪切。然对于叠装工序方面，
因其工艺复杂，技术要求较高，目前大多数制造商仍然采用
传统手工叠片方式生产，叠片工劳动强度大、生产效率低、
产品质量不稳定14。变压器铁芯作为变压器的核心部分，其
质量直接影响到变压器的技术性能、经济指标和运行的安
全可靠，因此，铁芯的叠片技术改良和质量控制十分重要[2]。
修稿日期：2021-03-22；项目来源：湖南省自然科学基金（2020JJ5519)；邵阳学院2020
年研究生科研创新项目（大型变压器铁芯智能叠片机器人系 统）（CX2020SY034)
作者简介：刘新波（1975-)，男，博士，副教授。主要研究方向：：光学检测技术；廖政栋（1995-)，男，硕士研究生。主要研究方 向：电气设备检测技术。
在对变压器铁芯进行叠片时，不仅要兼顾叠片工艺 方面的优化，且还需考虑到产品质量及成本。浙江大学副 教授章昱帆等人对硅钢片自动叠片研究中，设计过一套
：自动叠片装置，由机架、三维运动机构和运动控制系统等 部件组成，采用x-y-z三维运动模式，选用步进电机驱动 同步带和丝杠直线滑台来实现平移，气缸-活塞杆实现垂 直方向升降，以及吸盘真空吸取的方式进行硅钢片的抓 取[3]，这种装置在结构简单，操作便利，但体积庞大，在进 行大量叠片时，缺乏有效的定位检测，影响硅钢片叠片重 复定位精度。
：针对上述问题，为提高生产效率、降低成本，本文设计一套多工位桌面叠片机器人系统，主要采用离缝定位方 式，由机器视觉系统进行检测，同时系统以机械臂为执行 装置，使用触摸屏对PLC各软元件的数据进行修改，PLC 丨之间采用ModBus-RTU进行数据交换达到联调联控的目 的，进而驱动机械臂进行E型变压器铁芯自动叠片过程。
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•开发与创新•
右拄硅钢片
左柱硅钢片
图2叠片示意图
多工位叠片系统叠片流程，如表1所示。机械臂按照 表中“叠片步数”序号依次进行叠片，每次采用哪个工位
1 E 型铁芯多工位叠片系统简介、叠片流程
及控制要求
1.1 E 型铁芯多工位叠片系统简介
E 型铁芯多工位叠片系统根据变压器铁芯叠片工艺 进行叠片[4]，具有实时高精准定位、控制步骤简单等特点， 可将横剪无缝硅钢片置于桌面上，横剪后的硅钢片直接 吸取、定位并叠片[5]。E 型铁芯叠片系统由三轴机械臂、触 摸屏、工业相机、PLC 控制板和控制系统组成，如图1所 示。机械臂与机械末端吸附装置组合在一起，根据系统要 求将硅钢片叠放至目标区域。触摸屏作为人机界面，控制 系统的启停、叠片参数的设置和机械臂运行过程中的状 态监视。工业相机是组成视觉检测系统的重要部分，作用 有二：其一，指导系统精确叠片，即系统在工作时，每工位 机械臂完成一次叠片后，工位一上机械臂带动工业相机 运动到铁芯正上方进行拍照，通过离缝定位方式确定硅 钢片位置有无偏差；其二，信号等待开关作用，当某一工 位机械臂完成叠片动作后，触发下一工位进行工作。PLC 板受触摸屏的操控，直接控制机械臂的运行和接受视觉 系统检测数据的反馈。
1.2多工位叠片 系统叠片流程
如图2所示， 工作台上面原有5 堆硅钢片，工位一
机械臂叠装底轭， 工位二叠装左柱、 中柱，工位三叠装 右柱、中柱。通过 人机界面进行 PLC
板参数设置，控制 机械臂将硅钢片
按工艺要求，在目标区域特定位置叠装成“E ”字型铁芯，铁 芯由左柱、中柱、右柱及水平方向底轭4个部分组成。
图1多工位叠片系统结构示意图
底轭硅钢片
工位一
目标区域
机械臂叠装铁芯哪个部分，都与表中“叠片步数”序号相 对应。如机械臂第一步叠装铁芯，使用工位二机械臂叠装 铁芯左柱。机械臂在叠片过程中，视觉系统实时进行拍照 ：检测并反馈结果到主站，从站根据主站反馈的结果，控制 机械臂进行调节。
表1多工位叠片系统叠片流程
叠片步数123456
7
8
工位二
一
一二
二
一
二
三铁芯叠装部分
左柱右柱
底轭
中柱右柱底轭左柱
中柱
1.3多工位叠片系统的控制要求
多工位叠片系统需要按照E 型变压器铁芯叠片工艺 进行叠片，同时在满足用户实时调节铁芯生产的各项参 数时可以达到系统仍稳定，并具有报警功能和自动故障 诊断。具体对系统的控制要求可分为以下几个方面：
(1)
机械臂组：机械臂按要求自动在相应区域叠片。
本文多工位叠片系统分三个叠片工位，PLC 作为控制器， 控制相应工位的机械臂按要求进行叠片。
(2)
外部传感器：机器人叠片过程中外部传感器有两
个作用：其一，作为信号等待开关。控制三个工位，依次按 顺序进行循环叠片；其二，视觉定位。指导机械臂对变压
器铁芯进行精确叠片。
(3)
人机界面：作为用户与机器信息交互的媒介，可
以在人机界面修改PLC 寄存器的参数调节机械臂每个轴 的步进电机脉冲比、回原点速度、加速时间、减速时间、电 磁阀通断、关节坐标设定等，同时监视P LC 的内部寄存器
：数据，
观察机械臂的运行情况。(4) 报警、故障诊断：系统在叠片状态时，要有状态提 醒，通过灯光的颜，反应系统是否处于正常状态，便于 及时纠正。
2 E 型铁芯多工位叠片系统硬件设计2.1 E 型铁芯多工位叠片系统关键器件选型
如图3所示，根据E 型铁芯多工位叠片系统控制要
图3 E 型铁芯多工位叠片系统控制示意图
工位三
工
位二
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•开发与创新•求，选用4块PLC板（可编程逻辑控制器）作为控制器，
PLC板由STC32F407单片机芯片制成。P LC之间采用 ModBus-RTU进行通信，设立主站1台、从站3台。
在每个工位三轴机械臂中，每个轴搭配一个DRV8825 芯片，该系列定位芯片细分可分5档，最高可达32细分，工作电压8.2=249，且购买价格实惠l如图4所示。定位
芯片通过设置脉冲频率
来控制机械臂轴电机转
动速度的大小，通过脉
冲的个数来确定转动的
角度ra。与机械臂轴控制
箱相比性价比更高，它
占用空间小、成本低、反
应时间快。定位芯片与 PLC连接，并采用脉冲信号作为机械臂每个轴的定位控 制气脉冲个数控制运动距离，脉冲频率控制运动速度，因此，三台机械臂总共有9轴9电机，需要9个定位芯片进 行9个轴的分别控制。
人机界面选用优控S-500A触摸屏，经RS-232串口 与PLC控制器相连。触摸屏连接PLC上后，可在触摸屏 上对P L C内部寄存器参数设置，控制机械臂、电磁阀和末 端吸附装置，同时监视设备运行状态。
E型铁芯多工位叠片工位一机械臂上装有3个大恒 DH-HV3110F C视觉相机，与P C连接，对外部输人信号 进行处理。当机械臂进行叠片时，视觉相机对硅钢片之间 的缝隙进行拍照，将图像信息传给P C进行处理，P C将处 理过的信息传给主站。主站根据P C的指令，通过ModBus- RTU将代码发送给从站 ，控制机械臂调节硅钢片位置。2.2 I/O分配
该系统的控制器有4块三菱
PLC板，使用ModBus-RTU通信方式
进行分布式控制，主站PLC输人有4
点；从站PLC输人有21点、输出有
33点，具体分配见表2和表3。3E型铁芯多工位叠片系统软件设计
3.1主控模块设计
在本E型铁芯多工位叠片系统中的程序设计，PLC
的程序设计有控制主程序和通信程序。
(1) 控制主程序。E型铁芯多工位叠片系统工作，如图5所示。在设备通电后，系统状态初始化，进行触摸屏
叠片参数设置。
自动模式中，机械臂自动循环进行叠片。开始自动模
式时，所有机械臂回原点等待指令进行下一步工作。每个
工位叠片完成时都经过视觉工业相机检测检测是否达到
预先设置叠片精度，否则进行自动调整，直至达到预先设
置精度再进行下一步骤。
手动模式中，操作者可选择任意工位进行操作，包括对
机械臂控制、对硅钢片取放或硅钢片叠放位置重新选择。
程序编写使用软件为Gx-W〇rks2，软件具有简单工
程和结构化工程两种编程方式，支持梯形图、指令表、SFC、ST及结构化梯形图等编程语言，可实现程序编辑，
参数设定，网络设定，程序监控、调试及在线更改，智能功
能模块设置等功能[9@。
(2) 通信程序。主站和各从站采用M/dBus-RTU通信，控制主程序主要在从站P LC中，通信端口用电缆连接起
来达到主站对从站控制，从而使三个工位机械臂集中控
制。通信程序中，将16位字H0写人主站P LC寄存器
D8421，设定主站；将16位字H10写人工位一 PLC寄存
器D8421，16位字H1写人P LC寄存器D8434，设定为
从站一；将16位字H10写人工位二PLC寄存器D8421，16
位字H2写人P LC寄存器D8434，设定为从站二；将16
位字H10写人工位三P L C寄存器D8421，16
位字H3写人PLC寄存器D8434&设定为从站
三。通过ADPRW通信指令，将主站的X6输人
信号写人从站数据寄存器中，同时从站的各
反馈信号也传人到主站中的寄存器，进行数
据交换。
图4定位芯片
表2主站PLC I/O分配表
地址意义
X0启动
X1停止
X2复位
X6外部检测信号（O N/PG)
表3从站PLC控制器I/O分配表
工位一工位二工位三
地址意义地址意义地址意义地址意义地址意义地址意义X0X轴限位Y0X轴脉冲X0X轴限位Y0X轴脉冲X0X轴限位Y0X轴脉冲X1R轴限位Y1Y轴脉冲X1Y轴限位Y1Y轴脉冲X1Y轴限位Y1Y轴脉冲X2Z轴限位Y2Z轴脉冲X2Z轴限位Y2Z轴脉冲X2Z轴限位Y2Z轴脉冲X3启动按钮Y3X轴方向X3启动按钮Y3X轴方向X3启动
按钮Y3X轴方向X4原点Y4Y轴方向X4原点Y4Y轴方向X4原点Y4Y轴方向X5急停Y5Z轴方向X5急停Y5Z轴方向X5急停Y5Z轴方向X6信号等待开关Y10X轴使能X6信号等待开关Y10X轴使能X6信号等待开关Y10X轴使能Y11Y轴使能Y11Y轴使能Y11Y轴使能
Y12Z轴使能Y12Z轴使能Y12Z轴使能
Y14气泵Y14气泵Y14气泵
Y15电磁阀Y15电磁阀Y15电磁阀
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•开发与创新•
图5 E 型铁芯多工位叠片系统工作流程图
3.2人机界面设计
本文选用优控S -500A 触摸屏作为人机界面设计，触 摸屏软件设计采用YKBuilder  V 5.1编程软件。人机界面 中，设计了以下几种模式界面：气栗设置、手动运行模式、 自动运行模式、信号等待、通讯设置、电机设置。这几种界 面的主要作用是用来设置系统中各工位机械臂运行速 度、铁芯叠片精度、铁芯叠片次数以及对系统在运行中进 行监控。
图6为自动运行模式画面,％1、％2、％3分别代表机械 臂X 、Y 、Z 轴。画面包含以下内容#①机械臂关节坐标实 时位置、机械臂关节坐标增加量、机械臂运行速度及机械 臂运行步数等画面记录；②系统运行、急停、D I 模式及 DO 状态显示一系列指示灯；③循环、急停和手动\自动 虚拟按钮。
图6自动运行模式画面
系统正常运行时，指示灯显示绿，按下急停，运行 灯灭，急停指示灯点亮。DI (数字信号输人模块'模式和
DO (数字信号输出模 块）状态，即开关量 信号，需要外部传感 器配合才可有效触 发工作。在图中DI 模式，DO 状态灯点 亮，输出开关打开， PLC 接人外部传感器 输入信号，此时PLC 控制机械臂工作；当 DO 状态灯灭，此时 DO 输出开关关闭， 外部传感器信号被 屏蔽，此时机械臂暂 停工作。人机界面上
设入DI 、DO 模式，可 使机械臂有规律、连
贯性的工作，防止机械臂撞机。
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结束语
本文设计的一种应用于E 型变压器铁芯生产的自动叠 片机器人，采用基于机器视觉的离缝检测方案，并利用国 产PLC 板进行自动化程序设计，控制精度高，具有良好的 操控性，进一步提高了自动化E 型变压器铁芯生产效率， 大大节约企业生产人工成本，适合广大变压器厂商使用。 参考文献：
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