王立之

(1.河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 210024;2.昆山永邦自動化設備有限公司，江蘇 蘇州 215316)

0 引言

在家用電器、手機、手提計算機、數(shù)碼產(chǎn)品、智能終端、玩具業(yè)等產(chǎn)業(yè)中，它們的外形封裝、框架結構、按鍵等大部分是由塑料制品完成，這些產(chǎn)業(yè)都與塑料產(chǎn)業(yè)密切相關。近十幾年來，隨著這些產(chǎn)業(yè)的不斷更新?lián)Q代，注塑成型業(yè)也得到迅猛發(fā)展。特別近年來，隨著人力資源成本的不斷上漲，注塑企業(yè)為了降低成本，自動化設備得到了廣泛應用。移載機和機械手得到了廣泛應用。

在移載機或機械手的一般應用中，一般應用變頻器或伺服系統(tǒng)。在逐個夾取堆疊中的物品，通常采取以兩個光電檢測來確定夾取點位，第一個光電檢測用于減速，后一個停止夾取。在一些對點位精度要求不高的情況下，這樣方案能滿足設計要求。但因為光電檢測響應時間、速度變更、加減速時間變更等相關影響，每次停止點位都有細微誤差，這不能滿足對停止點位的精確度有嚴格要求的場合。為了解決這個問題，本文提出一種新的方法，利用伺服系統(tǒng)精確度高的優(yōu)點，通過PLC 精確計算來確定停止夾取點。并把這個新方法應用到注塑行業(yè)廣泛需求的多功能裝箱機中。

1 系統(tǒng)設計要求及工藝流程的設計

1.1 設計要求

利用PLC 具有強大的邏輯處理能力、可靠性高、抗干擾能力強、動態(tài)性能好及特別適用工業(yè)自動化控制中的優(yōu)點，和伺服系統(tǒng)響應時間快、定位精度高等優(yōu)點，設計出類似于機械手的多功能裝箱機，代替人工作業(yè)。以達到提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品合格率和安全性，也降低生產(chǎn)成本的要求。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)主要由三部分組成:搬入膠箱，取膠箱，產(chǎn)品裝箱，放膠箱，搬出膠箱。簡易工作流程結構圖如圖1 所示。

圖1 多功能裝箱機流程結構

搬入膠箱和搬出膠箱分別由搬入地面?zhèn)魉蛶Ш桶岢龅孛鎮(zhèn)魉蛶瓿?，根?jù)實際需要可以適當?shù)卦黾拥孛鎮(zhèn)魉蛶У拈L度即工位數(shù)。這樣，可以人為延長放置空膠箱的間隔時間，達到每天僅需放置一次膠箱，即可滿足一天的生產(chǎn)要求。

工作流程中的取膠箱、產(chǎn)品裝箱、放膠箱，主要由移動夾具(類似于機械手)完成。移動夾具由伺服系統(tǒng)驅(qū)動來定位，這樣可以精確地取走和放置每一個膠箱。根據(jù)不同產(chǎn)品要求，僅需對參數(shù)適當設定，可以放置不同規(guī)格的膠箱。移動夾具的工作流程圖如圖2 所示。

產(chǎn)品裝箱工作流程主要是移動夾具配合從注塑機中取出產(chǎn)品的機械手工作。因為移動夾具的驅(qū)動是使用伺服系統(tǒng)來驅(qū)動，故可以完成復雜的裝箱功能。這個功能可以滿足目前仍大量使用的氣缸機械手的要求。產(chǎn)品裝箱的流程圖如圖3 所示。

2 硬件設計

根據(jù)設計要求，本設計選用國產(chǎn)的信捷PLC，型號為XC2-48T-E，它用晶體管輸出，NPN 型，28 個輸入點，20 個輸出點，其中含有兩組脈沖高達200 kHz 的輸出端口，兩組計數(shù)脈沖高達80 kHz 的輸入端口，其滿足本設計要求。PLC 的輸入輸出接線如圖4 所示。

圖4 PLC 輸入輸出接線

伺服系統(tǒng)選用松下MINAS A5 系列，松下MINAS A5系列是新推出用于代替A4 系類，它相比于A4，具有更高的速度頻率，定位超調(diào)整時間更短，控制精度更高，可實現(xiàn)更高速的定位。伺服驅(qū)動器型號為MBDHT1510，電動機功率為400 W、高慣量、增量式編碼器的三相交流伺服電動機，型號為MHMD042G。其中垂直軸(z 軸)要特別注意，在突然斷電情況下，如沒有使用制動裝置即剎車裝置，因自重而下墜，損壞設備裝置。故垂直軸需要使用含有剎車裝置的伺服電動機。

本設計伺服控制模式選用位置控制模式，指令脈沖輸入處理采用脈沖列+符號。具體參數(shù)設置如:控制模式設定(參數(shù)代碼001)設為位置模式;指令脈沖輸入模式設定(參數(shù)代碼007)，設為“脈沖數(shù)量+脈沖方向”方式。因本設計要求移動速度高和加減速度大，故要增加外部再生放電電阻，并同時需對再生放電電阻的選擇(參數(shù)代碼016)進行設定。又因為本系統(tǒng)中有垂直軸，為了防止突然斷電，故垂直軸需使用含有制動器的伺服電動機，為了使外設制動器解除輸出與電動機開始運行相一致，解除制動器的信號應使用伺服內(nèi)部同步信號，對機械制動器參數(shù)(參數(shù)代碼437、438)也要設定。最要的是電子比的計算及設定，為了實現(xiàn)輸入的脈沖數(shù)與實際移動的值相一致，以便于系統(tǒng)測試調(diào)整，故需對此進行設定;電子齒輪比主要與減速比、帶輪直徑、分辨率、編碼器位數(shù)等有關，操作手冊上有詳細計算公式;通過選擇合適的分辨率，對電子比(參數(shù)代碼008、009、010)進行設定;若設定正確，當分辨率取0.01 mm，根據(jù)公式設定電子比后，PLC 輸出給伺服系統(tǒng)100 個脈沖，移動夾具則移動1 mm。伺服驅(qū)動器的接線如圖5 所示。

圖5 伺服系統(tǒng)接線

觸摸屏便于人機信息交換。使用觸摸屏后，在觸摸屏上設置軟按鈕，可以省去很多實物按鈕開關，并且可以直接在觸摸屏上進行操作，方便于數(shù)據(jù)輸入和查詢。

3 軟件設計

3.1 控制主流程圖

根據(jù)控制要求，建立多功能裝箱機的主控制流程圖(圖6)。

圖6 系統(tǒng)主控制流程圖

3.2 伺服脈沖程序設計

根據(jù)控制要求，需要使用有關于伺服輸出脈沖控制的指令，本設計應用的是‘相對位置多段脈沖控制’的32 位指令DPLSR。在使用脈沖輸出指令時，要特別注意，同樣的指令控制某個脈沖輸出端口，在整個程序中只能出現(xiàn)一次，也就說在脈沖輸出指令使用前面，要增加多層中間寄存器過渡。另外，在脈沖輸出指令執(zhí)行完成后，要及時復位其執(zhí)行條件寄存器，不然程序會出故障，造成系統(tǒng)不能正常工作。通常都是用PLC 系統(tǒng)的內(nèi)部的脈沖輸出特殊寄存器來及時復位(本設計中是M8170 和M8173)，具體相關程序的部分如下:

3.3 移動夾具原點回歸程序設計

因為使用的是增量式伺服電動機，故每次重新開機需對系統(tǒng)做原點回歸。移動夾具原點回歸如圖7 所示。

圖7 移動夾具原點回歸

3.4 移動夾具運行及其精確定位的程序設計

移動夾具移動程序是本設計的主要部分。移動夾具的控制流程圖見圖8。

圖8 移動夾具控制流程圖

而移動夾具抓取點是否精確，是本設計的關鍵，它是充分利用伺服定位精確和PLC 數(shù)據(jù)處理能力強的優(yōu)點。定位處理及計算的主要程序如下:

搬出側(cè)相對于搬入側(cè)，區(qū)別僅在于其商m 不需要加1，因為搬入側(cè)是取走檢測到的膠箱，而搬出側(cè)是放置在檢測到的膠箱上一層。

3 結語

本文介紹了PLC 結合伺服系統(tǒng)在多功能裝箱機中的設計和應用。充分利用PLC 強大的邏輯處理能力、伺服系統(tǒng)控制精度高、觸摸屏便于人機交流等優(yōu)點，設計出夾取定位精度高的多功能裝箱機。經(jīng)過生產(chǎn)中應用證明，硬件運行可靠，極大地提高了生產(chǎn)效率，顯著地提高產(chǎn)品合格率，取得了良好的效果，有較高的使用和推廣價值。

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