基于PLC的伺服定位控制系統(tǒng)在筷子烙印機(jī)上的應(yīng)用

祖 龍 起， 田 甜， 蔣 洋， 劉 正 浩

（大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

在竹制或木制筷子上烙上各種精美的圖案，就使得原本價(jià)格低廉的普通筷子身價(jià)倍增，不僅提升了這種筷子的價(jià)格，而且還可以作為一種工藝品具有收藏價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)這種筷子的生產(chǎn)廠家并不多，傳統(tǒng)的筷子烙印機(jī)的運(yùn)動(dòng)是用類(lèi)似于沖床樣式的簡(jiǎn)單機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)的，完全人工送料即基本依靠人工手拿筷子在一個(gè)固定模具上一支支的給筷子烙印，這種方式生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)行噪音大，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本加大。如果使用伺服系統(tǒng)［1］來(lái)控制筷子精確達(dá)到烙印模具［2］位置，即筷子的精確定位，就可以一次烙印多支筷子，再加上PLC 對(duì)機(jī)械手的自動(dòng)控制，生產(chǎn)效率就會(huì)大幅度提高。本文介紹一種由筷子包裝機(jī)改進(jìn)的筷子烙印機(jī)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要采用了三菱公司生產(chǎn)的FX2N PLC 作為中央控制系統(tǒng)，采用了日本三洋公司生產(chǎn)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確送料，一個(gè)用于筷子烙印的精確定位控制。同時(shí)本控制系統(tǒng)采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，能夠有效地監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況、顯示生產(chǎn)效率及修改系統(tǒng)參數(shù)。這種筷子烙印機(jī)一次可以同時(shí)對(duì)六根筷子烙印，大大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕了工人的工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了筷子烙印過(guò)程的自動(dòng)化。

1 筷子烙印機(jī)的工藝簡(jiǎn)介

筷子烙印機(jī)由筷子分料機(jī)構(gòu)（將成堆的筷子分開(kāi)送至齒狀傳送帶槽位中）、筷子送料機(jī)構(gòu)（一個(gè)由伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)筷子前進(jìn)循環(huán)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳送機(jī)械帶）、筷子定位機(jī)構(gòu)（一種由汽缸驅(qū)動(dòng)完成上下前后運(yùn)動(dòng)的固定筷子的夾具）、機(jī)械手烙印機(jī)構(gòu)（也是由汽缸驅(qū)動(dòng)烙印模具上下運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)）等四部分機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。其中筷子定位和送料是同步進(jìn)行的，由光電檢測(cè)和齒狀傳送帶槽位對(duì)筷子送料的原始位置（原點(diǎn)）和烙印位置進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)PLC 脈沖控制單元計(jì)算后，控制伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)筷子前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳送帶傳送至烙印位置上，然后由固定筷子的夾具（汽缸驅(qū)動(dòng)）機(jī)構(gòu)將筷子夾緊，之后由汽缸驅(qū)動(dòng)烙印模具上下運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手完成筷子烙印動(dòng)作，筷子烙印機(jī)械手上帶有6個(gè)模具，因此一次可以同時(shí)對(duì)6根筷子進(jìn)行烙印形成成品，筷子烙印機(jī)械手退出以后，齒狀傳送帶又開(kāi)始下一次送料循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其工藝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 筷子烙印機(jī)工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of chopsticks imprint machine technology

2 系統(tǒng)組成

筷子烙印機(jī)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部分、PLC 控制系統(tǒng)部 分［3］、伺 服 馬 達(dá) 部 分［4］、人 機(jī) 界 面（觸 摸屏）［5］組成?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包括：筷子分料機(jī)構(gòu)、筷子送料機(jī)構(gòu)、筷子定位機(jī)構(gòu)、機(jī)械手烙印機(jī)構(gòu)。PLC控制系統(tǒng)包括：FX2N-24MT PLC 控制器、FX2N-1PG 脈沖控制單元、氣動(dòng)電磁閥、驅(qū)動(dòng)繼電器。伺服控制部分包括：伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服馬達(dá)。

筷子送料機(jī)構(gòu)按照一定的速度帶動(dòng)被烙印的筷子，把筷子準(zhǔn)確的送入烙印的位置上，是控制的關(guān)鍵所在，筷子間的間隔距離是由傳送帶上的檔格分開(kāi)的，而6個(gè)模具間的間距與傳送帶上的檔格間距是相等的，因此必須要保證筷子被送入烙印膜時(shí)位置的準(zhǔn)確性，但長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可能會(huì)因?yàn)闄C(jī)械損耗導(dǎo)致偏差，因此送料軸也需要定位信號(hào)檢測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏。檢測(cè)定位信號(hào)采用了紅外光電傳感器作為原點(diǎn)信號(hào)檢測(cè)，與送料機(jī)構(gòu)主軸同步參數(shù)實(shí)時(shí)跟隨，從而保證其運(yùn)動(dòng)控制與模具位置相一致。

3 控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的硬件包括：控制電源、脈沖模塊、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、接觸器等。對(duì)于筷子烙印機(jī)，采用三菱公司生產(chǎn)的FX2NIPG 運(yùn)動(dòng)控制器是非常經(jīng)濟(jì)合適的，配合三菱公司的整套系統(tǒng)產(chǎn)品，構(gòu)成一套完善的控制系統(tǒng)。

3.1 人機(jī)界面

考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)用，人機(jī)界面采用三菱公司生產(chǎn)的GOT930觸摸屏。通過(guò)觸摸屏可以進(jìn)行修改系統(tǒng)參數(shù)，查看筷子烙印的生產(chǎn)效率；同時(shí)監(jiān)視所有氣缸和傳感器的運(yùn)行狀態(tài)。觸摸屏與CPU的通信協(xié)議采用RS232口連接。

3.2 PLC選型

由于筷子烙印機(jī)在自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程中要求每次循環(huán)時(shí)間為5s，即一次烙印6 根筷子的時(shí)間為5s，故外圍控制電路的動(dòng)作次數(shù)比較頻繁，因此需要選用晶體管輸出類(lèi)型的PLC。本系統(tǒng)選用的是三菱公司生產(chǎn)的FX2N-32MT 型PLC。本控制系統(tǒng)PLC的地址分配如表1所示。

3.3 脈沖控制模塊

本控制系統(tǒng)脈沖發(fā)生單元采用的是三菱公司生產(chǎn)的FX2N-1PG 特殊定位模塊。FX2N-IPG脈沖發(fā)生單元是通過(guò)向伺服驅(qū)動(dòng)放大器提供指定數(shù)量的脈沖（最大5 M／s）來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)獨(dú)立軸的精確定位的。在PLC 編程中使用FROM／TO 指令，來(lái)設(shè)置FX2N-1PG 脈沖發(fā)生單位中的參數(shù)。脈沖發(fā)生單元與伺服驅(qū)動(dòng)單元的連接關(guān)系如圖2所示。圖中，F(xiàn)X2N-1PG 模塊的輸出端有5個(gè)連接終端端子與伺服驅(qū)動(dòng)單元相連接。其中FP端為使伺服馬達(dá)正轉(zhuǎn)的脈沖列輸出端，RP 端為使伺服馬達(dá)反轉(zhuǎn)的脈沖列輸出端，VIN 端子為與伺服共用的電源。COM 端子為與伺服共用的電源接地端。本設(shè)備的零點(diǎn)定位信號(hào)采用PLC 的端子進(jìn)行控制，因此FX2N-1PG 模塊中的PG0端子未用。

表1 I／O 地址分配表Tab.1 I／O address allocation table

圖2 PLC脈沖輸出單元與伺服驅(qū)動(dòng)單元連接Fig.2 PLC pulse output unit connected with the servo drive unit

3.4 伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服驅(qū)動(dòng)器采用最早進(jìn)入中國(guó)的日本三洋公司生產(chǎn)的SANMOTION R 系列RS1A03AA 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它具有響應(yīng)速度快、精度高、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。而且具有實(shí)時(shí)自動(dòng)增益調(diào)整功能，參數(shù)設(shè)置共有多達(dá)13組幾百個(gè)參數(shù)設(shè)置方法。速度響應(yīng)頻率達(dá)1 000 Hz，位置指令脈沖最大頻率可達(dá)每秒5 M 脈沖，具有位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、全閉環(huán)控制4種控制模式。本控制系統(tǒng)采用定位控制模式。

3.4.1 RS1A03AA交流伺服驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)設(shè)置Group1（基本控制）：

05（FFGN）=20，用于設(shè)置位置控制時(shí)的前饋補(bǔ)償增益。

Group8（控制系統(tǒng)）：

11（PCPTYP）=02，位置指令脈沖使用的是符號(hào)和脈沖列；

12（PCPPOL）=00，位置指令脈沖在上升沿時(shí)計(jì)數(shù)；

14（PCPMUL）=8，伺服驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖是其輸入脈沖的8倍；

15（GER1）=8／1，位置指令脈沖的電子齒輪比設(shè)置為8／1。

3.4.2 電子齒輪功能

電子齒輪功能可以用來(lái)任意設(shè)置每單位指令脈沖對(duì)應(yīng)的電機(jī)速度和位移量（脈沖當(dāng)量），當(dāng)上位控制器的脈沖發(fā)生能力（最高可輸出頻率）不足以獲得所需速度時(shí)，可以使用電子齒輪功能中的指令脈沖倍頻參數(shù)，其中指令脈沖倍頻為輸入指令脈沖和電子齒輪比的乘積。

由于傳送帶上兩根筷子之間的距離為10mm，因此系統(tǒng)就要求設(shè)計(jì)為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，傳送帶移動(dòng)10 mm。其中伺服電機(jī)每接受一個(gè)脈沖傳送帶移動(dòng)0.01mm，伺服馬達(dá)外配的減速齒輪的減速比為8∶1，因此電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)f 的計(jì)算公式為

4 系統(tǒng)軟件

4.1 設(shè)計(jì)思想

軟件的總體設(shè)計(jì)思想：通過(guò)觸摸屏點(diǎn)動(dòng)控制設(shè)置烙印機(jī)的原點(diǎn)位置，不論傳送帶處于任何位置必須先返回到原始檢測(cè)位置（原點(diǎn)位置的光電開(kāi)關(guān)），PLC 通過(guò)對(duì)原點(diǎn)位置檢測(cè)確認(rèn)以后，發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶移動(dòng)到烙印模位置之后停下來(lái)，然后再由PLC發(fā)出指令控制汽動(dòng)加熱后的烙模上下運(yùn)動(dòng)對(duì)筷子進(jìn)行烙印?？曜颖焕佑〉牟课粌H有5 mm，因此傳送筷子精確到達(dá)烙印模位置就是設(shè)備控制的關(guān)鍵，這樣原點(diǎn)位置的設(shè)置及調(diào)整就非常重要?？紤]到這一點(diǎn)，程序設(shè)計(jì)時(shí)，既可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整原點(diǎn)，又可以自動(dòng)尋找原點(diǎn)程序。所設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖3所示。

4.2 程序編制

4.2.1 PLC程序編制

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flow chart

軟件設(shè)計(jì)程序包括兩部分：觸摸屏組態(tài)程序和PLC控制程序。其中觸摸屏組態(tài)程序主要負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，PLC 控制程序的主要任務(wù)就是要控制伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶使筷子精確定位。采用FX2N-1PG 脈沖發(fā)生單元產(chǎn)生的正轉(zhuǎn)脈沖進(jìn)行當(dāng)前值增加計(jì)算，并將其計(jì)算值保存至C235計(jì)數(shù)器中，在編程中使用FROM／TO 指令，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶將筷子停放在到烙模模具位置，從而實(shí)現(xiàn)筷子精確定位。但計(jì)數(shù)必須從原點(diǎn)開(kāi)始，因此上電和初始運(yùn)行時(shí)，必須執(zhí)行原點(diǎn)回歸，將機(jī)械動(dòng)作的原點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)事先寫(xiě)入。PLC控制程序除包含伺服馬達(dá)控制程序外，還包括汽缸控制程序和保護(hù)控制程序。其中伺服馬達(dá)的控制程序是本控制系統(tǒng)的核心，編程時(shí)首先要對(duì)FX2N-1PG 單元內(nèi)部的緩沖存儲(chǔ)器（BFM）的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后在程序中用指令FROM／TO實(shí)現(xiàn)，使之完成FX2N-1PG 與PLC 之間的數(shù)據(jù)交換。FX2N-1PG 模塊內(nèi)部緩沖存儲(chǔ)區(qū)（BFM）［6］的部分參數(shù)定義及設(shè)置值如表2所示。

表2 FX2N-1PG 模塊內(nèi)部緩沖存儲(chǔ)區(qū)（BFM）的參數(shù)定義Tab.2 Parameters of FX2N-1PG module internal buffer storage area（BFM）

4.2.1.1 定位控制

定位控制采用計(jì)數(shù)方法。計(jì)數(shù)采用加計(jì)數(shù)，通過(guò)觸摸屏寫(xiě)進(jìn)D100，然后再傳入C235，首先要啟動(dòng)計(jì)數(shù)器C235接收伺服電機(jī)的脈沖數(shù)，設(shè)置適當(dāng)?shù)拿}沖輸出頻率，根據(jù)脈沖數(shù)來(lái)比較設(shè)定值與當(dāng)前值，通過(guò)比較結(jié)果計(jì)算出IPG 模塊的輸出脈沖參數(shù)，然后確定輸出電機(jī)的停止位置。定位控制程序如圖4所示。

圖4 定位控制程序Fig.4 Positioning control program

4.2.1.2 確定原點(diǎn)

筷子定位的準(zhǔn)確度取決于原點(diǎn)位置，因此本設(shè)計(jì)中以光電傳感器檢測(cè)筷子輸送帶中第一根筷子料槽中是否有筷子為筷子原點(diǎn)標(biāo)志。也可以通過(guò)觸摸屏來(lái)完成。程序如圖5所示。

圖5 確定原點(diǎn)程序Fig.5 Determining the origin program

4.2.1.3 傳送帶行走、定位清零

本設(shè)備的工作原理是以光電傳感器檢測(cè)筷子輸送帶中第一根筷子料槽中是否有筷子為原點(diǎn)，從原點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算出第一根筷子料槽到達(dá)被烙印的位置所需的脈沖數(shù)，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶輸送至該位置后停止，然后完成烙印工作的。光電傳感器檢測(cè)筷子位置計(jì)算是從光電檢測(cè)傳感器位置開(kāi)始的，伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶行走距離只需走過(guò)6根筷子間距即可，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)6根筷子之后，然后清零。

4.2.2 觸摸屏組態(tài)畫(huà)面

觸摸屏組態(tài)畫(huà)面包括系統(tǒng)運(yùn)行主畫(huà)面、汽缸控制畫(huà)面、送料伺服控制畫(huà)面、筷子計(jì)數(shù)畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面和系統(tǒng)I／O 表畫(huà)面。各控制畫(huà)面的控制按鈕都帶有各對(duì)應(yīng)控制對(duì)象的狀態(tài)指示，能夠真實(shí)反映各被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。I／O 表畫(huà)面組態(tài)有各開(kāi)關(guān)量信號(hào)的狀態(tài)指示燈，能夠真實(shí)反映開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入輸出狀態(tài)，能夠監(jiān)測(cè)生產(chǎn)量，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)起到十分重要的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述的思路和方法，由PLC控制伺服馬達(dá)實(shí)現(xiàn)的筷子烙印機(jī)已在浙江金水雙槍竹木筷子有限公司的生產(chǎn)線上投入運(yùn)行。應(yīng)用表明采用該控制方案投資少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，代替了原來(lái)的簡(jiǎn)易的人工烙印設(shè)備，提高了工效，由原來(lái)的一次由烙模加工一根筷子提高到一次加工6根筷子，降低了生產(chǎn)成本；精度高，可靠性好，工作效率高；減少了機(jī)械結(jié)構(gòu)，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去機(jī)械凸輪，易于維修，同時(shí)減少工作噪音；使用觸摸屏操作使操作方式人性化，使用方便，操作簡(jiǎn)單，即便出現(xiàn)故障只要簡(jiǎn)單處理就可繼續(xù)運(yùn)行，是目前同類(lèi)設(shè)備中技術(shù)最先進(jìn)的生產(chǎn)機(jī)械。

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