PLC的步進(jìn)電機(jī)三軸運(yùn)動控制在塑料瓶包裝線中的應(yīng)用

陳躍華，馮殿義，李 煜，夏之奔

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，錦州 121001）

0 引言

塑料瓶在吹塑機(jī)中吹塑成型后需要安裝把手，檢測密封性，然后將檢測合格的塑料瓶分批整齊地裝入包裝袋中后提供給需方。以往這些環(huán)節(jié)需要多名操作人員在生產(chǎn)線的不同工位手工操作完成，生產(chǎn)自動化水平低，生產(chǎn)效率低。為此，設(shè)計了塑料瓶上把、測漏和裝袋等后續(xù)處理的全自動生產(chǎn)線，提高了生產(chǎn)效率。本文設(shè)計了基于西門子S7-200 PLC塑料瓶后續(xù)處理生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)的原理和技術(shù)可擴(kuò)展到其它機(jī)械工程領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

1 自動生產(chǎn)線概述

吹塑成型樣品塑料瓶如圖1所示。塑料瓶后續(xù)處理自動生產(chǎn)線包括自動上把、檢漏和裝袋三個工位，如圖2所示。吹塑機(jī)的機(jī)械手間歇7秒將吹塑成型的兩個塑料瓶放置于后續(xù)處理自動生產(chǎn)線的傳送帶上，傳送帶將塑料瓶依次送到上把、檢漏和裝袋三個工位，完成相應(yīng)的操作。振動盤將瓶的把手排序送至上把工位，通過自動上把裝置多氣缸順序動作將把手安裝在塑料瓶上，移入檢漏工位；檢漏工位由精密壓力開關(guān)和充氣閥組成，通過充壓、保壓方法檢測塑料瓶是否漏氣，并將漏氣瓶踢出傳送帶；裝箱工位傳動由3臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的導(dǎo)軌絲杠和回轉(zhuǎn)氣缸等組成，三臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動真空吸盤式裝箱機(jī)械手分別在橫向、縱向及繞Z軸旋轉(zhuǎn)，在回轉(zhuǎn)氣缸的配合下將42個塑料瓶分七層整齊的裝入袋中。

圖1 1.8升塑料油瓶

圖2 塑料瓶后續(xù)處理自動生產(chǎn)線構(gòu)成示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)控制器采用西門子S7-200系列CPU226晶體管輸出的PLC，通過PNP型光電開關(guān)檢測塑料瓶是否到達(dá)工位，塑料瓶密封性檢測采用高精度壓力傳感器；PLC通過兩臺86步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、一臺57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確位置控制和速度調(diào)節(jié)。其他執(zhí)行元件包括電磁開關(guān)閥、氣缸、振動盤和輸送帶等。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 主程序設(shè)計

主程序采用SCR順序控制指令調(diào)用初始化程序、自動程序和手動程序，在設(shè)備上電后首先執(zhí)行初始化，各步進(jìn)電機(jī)和氣缸自動返回初始位置，當(dāng)所有傳感器給出到位反饋信號后進(jìn)入自動運(yùn)行模式，為防止誤操作自動運(yùn)行狀態(tài)下所有手動按鈕無效，如果需要手動調(diào)試可以通過按鈕切換到手動模式，自動運(yùn)行狀態(tài)暫停，手動按鈕有效。 主程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 塑料瓶后續(xù)處理自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)

2.3 裝把控制

光電傳感器A、B分別檢測到瓶A、瓶B到位時，輸送帶啟動，2.5s后輸送帶停止，塑料瓶到達(dá)下一工位。振動盤上的光電傳感器沒有檢測到把手時開始振動，當(dāng)檢測到把手后繼續(xù)振動10s，此時把手剛好充滿通道，并且不會溢出。塑料瓶在輸送帶啟動后會經(jīng)過預(yù)排氣缸，A、B瓶排列好后到達(dá)裝把工位。裝把操作是多氣缸聯(lián)合工作實現(xiàn)的，安裝工位的光電傳感器檢測到兩個塑料瓶經(jīng)過后，定模氣缸固定瓶子，上料氣缸將手柄推到安裝氣缸上，進(jìn)位氣缸將手柄擺放到位，安裝氣缸安裝手柄，退模氣缸將安裝氣缸與手柄分離，裝把結(jié)束。

2.4 測漏控制

測漏工位核心元件為高精度壓力傳感器，該傳感器為數(shù)字壓力傳感器為PNP輸出型，通過功能設(shè)定窗口設(shè)置一個壓力上限值和一個壓力下限值。測漏程序采用經(jīng)驗設(shè)計法，正常充氣時瓶內(nèi)壓力不得超過上限值以防止造成塑料瓶的破壞，如果壓力超過上限值系統(tǒng)報警并自動泄壓。測漏工作過程分為充氣、保壓兩個時段，根據(jù)經(jīng)驗充氣時間3s，充氣時間內(nèi)壓力達(dá)到下限值，停止充氣保壓3s，保壓期間壓力保持在設(shè)定的壓力區(qū)間，判定此瓶合格品，待輸送帶再次啟動將瓶送至下一個工位，移入2個待測瓶進(jìn)入該工位。充氣3s未達(dá)到壓力下限值，或保壓期間壓力降到下限值以下，判定該瓶漏氣，彈出氣缸將踢出此瓶。

2.5 裝箱控制

PLC對步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動控制功能，即可實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制[2]。在步進(jìn)電機(jī)控制電路中，三臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖信號PUL由PLC的兩個高速脈沖輸出點(diǎn)Q0.0和Q0.1提供，方向信號DIR分別由Q0.2、Q0.3和Q0.4控制，因為CPU226上只有兩個高速脈沖輸出口，所以2號步進(jìn)電機(jī)使用Q0.1點(diǎn)，1號、3號步進(jìn)電機(jī)共用Q0.0點(diǎn)，1號步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖信號（PUL）口與Q0.0之間通過繼電器的常閉觸點(diǎn)連接，3號步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖信號（PUL）口與Q0.0之間使用繼電器的常開觸點(diǎn)，接線方式如圖5所示。

圖5 自動裝箱系統(tǒng)接線圖

通過S7-200S脈沖輸出功能向?qū)гO(shè)置電機(jī)參數(shù)和脈沖頻率，利用線性脈沖串輸出（PTO）指令塊控制電機(jī)的運(yùn)行與停止[3]。當(dāng)光電傳感器檢測到6個瓶子經(jīng)過后，調(diào)用Q0.0運(yùn)動包絡(luò)0，1號步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠開始帶動機(jī)械手向下移動，機(jī)械手縱向移動的距離靠脈沖個數(shù)控制，二相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角是1.8o，驅(qū)動器設(shè)置成1/2細(xì)分，PLC每發(fā)出一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)將轉(zhuǎn)動0.9o[4]，根據(jù)絲杠導(dǎo)程，機(jī)械手縱向行走1cm需要400個脈沖信號。同時激活Q0.1運(yùn)動包絡(luò)0、2號步進(jìn)電機(jī)帶動機(jī)械手在齒條上前移，前后移動通過安裝在齒條兩端的電感式接近開關(guān)發(fā)出停止信號。行走到位后，抓取塑料瓶，然后2號步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動機(jī)械手后移，為既保證效率又要防止因速度變化過快引起塑料瓶掉落，后移時應(yīng)從高速到低速再停止，這需要為2號步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動包絡(luò)創(chuàng)建一個低速脈沖新步，如圖6所示。

圖6 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動包絡(luò)

后移到位后，1號步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動機(jī)械手向下運(yùn)動，機(jī)械手每次下行應(yīng)比上一周期運(yùn)行抬高一個塑料瓶高度，分七層裝滿一箱，每次下行距離=固定高度+塑料瓶高度×（7-層數(shù)），然后在數(shù)據(jù)塊中給出發(fā)送的脈沖個數(shù)，再使用MOVE指令傳送到數(shù)據(jù)塊中指定的V地址區(qū)，數(shù)據(jù)塊中脈沖個數(shù)及地址如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)塊中脈沖個數(shù)及地址

機(jī)械手每次放好瓶子后上行復(fù)位。每一層塑料瓶放好后，3號步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動蝸桿帶動工作臺旋轉(zhuǎn)180o，為上一層塑料瓶預(yù)留空間。3號步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行前，將控制此繼電器的Q0.5置1，使3號步進(jìn)電機(jī)接通，1號步進(jìn)電機(jī)斷開，調(diào)用Q0.0運(yùn)動包絡(luò)1，工作臺旋轉(zhuǎn)180o后，Q0.5置0，繼電器常開常閉觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換。7層塑料瓶裝滿箱子后出袋氣缸將工作臺彈出，工人從箱子上卸下裝滿塑料瓶的包裝袋，按下歸位按鈕，系統(tǒng)重新啟動，裝箱系統(tǒng)的工作流程圖如圖7所示。

圖7 裝箱流程設(shè)計

3 結(jié)束語

目前該控制系統(tǒng)已成功用于實際生產(chǎn)中，實際應(yīng)用表明，機(jī)器操作靈活、把手安裝快速可靠，密封性檢測精準(zhǔn)，裝箱過程平穩(wěn)高效。采用全自動控制系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率，獲得了經(jīng)濟(jì)效益。

[1]孫貴政,楊建國,王慶霞.基于PLC控制的負(fù)極片生產(chǎn)線自動輸送系統(tǒng)的設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2012(3).

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