冰箱貼覆機(jī)步進(jìn)電控設(shè)計(jì)

許駿馬

（南京亞派科技股份有限公司，江蘇 南京210000）

0 引言

在冰箱生產(chǎn)流水線中，有一段控制工藝是專門負(fù)責(zé)給冰箱外殼板的左右兩側(cè)內(nèi)表面冷凝管貼鋁箔膠帶的，其應(yīng)用的設(shè)備被稱作冰箱貼覆機(jī)。貼覆工作由2個(gè)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)電機(jī)負(fù)責(zé)貼殼板的一側(cè)，要求電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離和速度可控，常用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)。這里采用的是步進(jìn)電機(jī)，成本要比伺服電機(jī)便宜，控制的難度在于以下2點(diǎn)：（1）冰箱外殼在生產(chǎn)線什么位置停止移動(dòng)，等待貼覆位置的確定。冰箱外殼尺寸不同，會(huì)造成殼板在生產(chǎn)線上停下來等待貼覆的位置不同，長殼板要往前多運(yùn)動(dòng)一點(diǎn)，短殼板要少運(yùn)動(dòng)一點(diǎn)，這樣才能保證2個(gè)機(jī)頭都能完成各自區(qū)域的貼覆工作，否則會(huì)有一個(gè)機(jī)頭無法貼完相應(yīng)的管子。（2）坐標(biāo)變換。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和氣缸的抬壓動(dòng)作都由坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)，坐標(biāo)的建立是貼覆控制實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。圖1為冰箱生產(chǎn)線貼覆機(jī)設(shè)備。

圖1 生產(chǎn)線貼覆機(jī)設(shè)備

1 工作原理

1.1 控制設(shè)備組成

整個(gè)系統(tǒng)由光電檢測、信號傳送、步進(jìn)電機(jī)控制、氣缸動(dòng)作、變頻皮帶運(yùn)行幾部分組成。光電檢測主要用于電機(jī)回原點(diǎn)控制、工件進(jìn)入、退出信號檢測、傳送皮帶的減速和工件到位檢測。伺服系統(tǒng)不同于過程控制，有部分器件為運(yùn)動(dòng)的，信號傳送負(fù)責(zé)把運(yùn)動(dòng)部件上的所有氣缸及傳感器采集控制信號通過總線方式傳輸給PLC控制器，而不是都直接連線到PLC，這使系統(tǒng)簡潔可靠。步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)貼覆頭的來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣缸負(fù)責(zé)貼覆頭在設(shè)定的坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)抬壓貼覆工作，變頻皮帶負(fù)責(zé)殼板工件的加速、減速、倒退傳動(dòng)。圖2為控制系統(tǒng)的組成，包括傳感器單元、信號傳送單元、主要控制單元3個(gè)部分。

貼覆設(shè)備總共有A、B、C、D 4個(gè)運(yùn)動(dòng)立柱，2個(gè)為一組，每個(gè)立柱上裝一套信號傳送系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對應(yīng)立柱上所有氣缸部件的信號采集和控制；2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)負(fù)責(zé)殼板一側(cè)的鋁箔貼覆工作，板兩側(cè)銅管為對稱布置，要求電機(jī)A、B同步往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)貼覆運(yùn)行速度、移動(dòng)距離可調(diào)；2臺(tái)皮帶變頻器負(fù)責(zé)生產(chǎn)線皮帶運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)。圖3為貼覆機(jī)控制系統(tǒng)布局示意圖，包括傳感器、電控柜放置位置。

圖2 控制系統(tǒng)組成

圖3 貼覆機(jī)控制系統(tǒng)布局示意圖

1.2 控制流程

由于步進(jìn)控制器不具備坐標(biāo)記憶能力，每日生產(chǎn)開始時(shí)，電機(jī)先各自回到對應(yīng)原點(diǎn)，然后運(yùn)行到設(shè)置起點(diǎn)坐標(biāo)，等待工件的到來。工件進(jìn)入后先由入口端光電開關(guān)檢測到工件進(jìn)入信號，皮帶按設(shè)定速度快速運(yùn)行，等工件進(jìn)入到中間部分時(shí)觸動(dòng)減速光電，皮帶電機(jī)減速，皮帶上工件低速移動(dòng)，貼覆頭上可調(diào)光電傳感器定位檢測到工件到來時(shí)，使皮帶停止運(yùn)動(dòng)，由側(cè)推氣缸把工件固定住，然后步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，由起點(diǎn)運(yùn)行到終點(diǎn)，貼覆氣缸在設(shè)置的起點(diǎn)壓下，在銅管末端抬起，進(jìn)行相應(yīng)貼覆操作，貼覆完畢，變頻皮帶開始運(yùn)動(dòng)，工件在出口處觸發(fā)光電開關(guān)，表示工件運(yùn)行完畢，這樣一段貼覆流程結(jié)束。

1.3 步進(jìn)脈沖數(shù)與機(jī)頭移動(dòng)距離換算

設(shè)步進(jìn)電機(jī)為小輪傳動(dòng)，減速機(jī)為大輪傳動(dòng)，2臺(tái)移動(dòng)機(jī)頭由減速機(jī)大輪傳動(dòng)。

根據(jù)式（3）可以將需要移動(dòng)的距離換算為發(fā)送的脈沖數(shù)給控制器，控制機(jī)頭移動(dòng)距離大小，同時(shí)通過調(diào)節(jié)脈沖頻率值調(diào)節(jié)機(jī)頭移動(dòng)速度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主要硬件設(shè)計(jì)

控制器選用西門子CPU315－2DP、西門子觸屏 TP277－6、步進(jìn)脈沖模塊1STEP 5V／204 kHz。電機(jī)部分為SINAMICS V60驅(qū)動(dòng)器、西門子電機(jī)1FL5、三菱FR－E740－0.75K變頻器。信號傳送為SMC EX500－GPR1A串行傳送系統(tǒng)及若干 EX500－1B1、EX500－1E3、VQC2101－51模塊。

為解決貼覆定位問題，這里選用歐姆龍距離可調(diào)光電開關(guān)，安置在貼覆頭機(jī)構(gòu)上，從上往皮帶照射，根據(jù)工件和皮帶反光度差別調(diào)節(jié)距離，使工件經(jīng)過時(shí)有反射而皮帶照射時(shí)無反射信號?；卦c(diǎn)輔助用接近開關(guān)選用4個(gè)，2個(gè)上限位，2個(gè)原點(diǎn)，也可根據(jù)需要設(shè)置下限位。

2.2 控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

如圖4所示，CPU315－2DP控制器下設(shè)有5個(gè)DP子站，ET200S子站負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)控制、變頻器控制和光電信號采集，EX500－GPR1A子站負(fù)責(zé)每個(gè)立柱的貼覆頭氣缸狀態(tài)反饋、控制和其他傳感器信號的傳輸。ET200S子站被安置在固定的PLC操作站里，EX500－GPR1A被安置在4個(gè)移動(dòng)的立柱上，各站點(diǎn)間通過DP拖鏈電纜通訊。

圖4 總線網(wǎng)絡(luò)

2.3 軟件設(shè)計(jì)

控制分2種模式：手動(dòng)模式可設(shè)置電機(jī)移動(dòng)速度、距離，進(jìn)行左移／右移／回原點(diǎn)操作、變頻器加速／減速／前進(jìn)／后退操作；自動(dòng)模式控制流程如圖5～7所示，主要分變頻器控制、氣缸控制、電機(jī)控制3個(gè)部分，主程序循環(huán)執(zhí)行以上模塊。圖7中電機(jī)控制部分要求2臺(tái)電機(jī)同步工作，如A、B回原點(diǎn)動(dòng)作，必須A、B節(jié)奏完全相同，同時(shí)左、同時(shí)右，先到達(dá)的要等待后到達(dá)的才能執(zhí)行下一步，最后一起完成回原點(diǎn)，否則機(jī)頭容易相撞。

2.4 觸屏主畫面設(shè)計(jì)

圖8為電機(jī)A側(cè)2個(gè)柱體的貼覆頭動(dòng)作參數(shù)設(shè)置畫面，運(yùn)行前先設(shè)置電機(jī)運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，這是貼覆頭的最大范圍，A1～A4、C1～C4表示各軌道的貼覆頭，分別設(shè)置下壓和抬起坐標(biāo)，當(dāng)機(jī)頭運(yùn)行到設(shè)定的下壓坐標(biāo)時(shí)，該軌道貼覆頭下壓，運(yùn)行到抬起坐標(biāo)時(shí)，貼覆頭抬起，完成該軌道貼覆工作，每個(gè)軌道設(shè)置坐標(biāo)可以不同。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)沒有絕對值編碼器，程序的關(guān)鍵是建立運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，坐標(biāo)零點(diǎn)是原點(diǎn)接近開關(guān)，相關(guān)西門子程序設(shè)計(jì)可以參考文獻(xiàn)［1］。

圖5 變頻器控制框圖

圖6 氣缸控制框圖

圖7 步進(jìn)電機(jī)控制框圖

圖8 參數(shù)運(yùn)行畫面

3 結(jié)語

用西門子ET200S步進(jìn)脈沖模塊和SINAMICS V60驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建的步進(jìn)電控系統(tǒng)可以用于冰箱生產(chǎn)線中運(yùn)動(dòng)控制精度不是很高的帖覆機(jī)控制，相對于伺服系統(tǒng)價(jià)格較低；同時(shí)選用可調(diào)距離光電根據(jù)背景反光度差別解決了工件停止移動(dòng)時(shí)的貼覆定位信號問題。本文提供了該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過程，可供其他類似運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)參考。

［1］陳先鋒.西門子全集成自動(dòng)化技術(shù)綜合教程［M］.北京：人民郵電出版社，2011