鋁電解電容器芯包引腳刺孔機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭天池, 邵建新, 郭琳娜, 孫小剛, 張　軍, 邱自學(xué)

(南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南通 226019)

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鋁電解電容器芯包引腳刺孔機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭天池, 邵建新, 郭琳娜, 孫小剛, 張軍, 邱自學(xué)

(南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南通 226019)

針對目前鋁電解電容器芯包引腳刺孔中存在的自動化程度低、勞動強(qiáng)度大等不足,設(shè)計(jì)了鋁電解電容器芯包引腳刺孔機(jī)控制系統(tǒng),并提供了電氣硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.該系統(tǒng)以三菱FGA系列PLC為核心,結(jié)合步進(jìn)電機(jī)、振動盤、氣缸以及光纖傳感器和位置傳感器等元件的檢測定位,實(shí)現(xiàn)華司自動上料、芯包移動、引腳刺孔、芯包翻轉(zhuǎn)等工序的自動連續(xù)運(yùn)行.現(xiàn)場調(diào)試運(yùn)行表明：該系統(tǒng)運(yùn)行可靠平穩(wěn),操作簡單,勞動強(qiáng)度低,能夠滿足生產(chǎn)線高效率、高質(zhì)量的自動化加工要求.

鋁電解電容器； 刺孔機(jī)； PLC； 控制系統(tǒng)

鋁電解電容器用途廣、用量大,是電子工程中極為重要的基礎(chǔ)元器件,具有單位體積電容量大、工作電場強(qiáng)度高、價格相對其他電容器低等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于汽車電子、通信設(shè)備、家用電器和航空航天等領(lǐng)域,是生產(chǎn)生活中不可缺少及不可替代的電子元器件[1-6].

鋁電解電容器的制造工藝主要包括電極箔和電解紙的釘接卷繞、電解液浸漬、引腳刺孔、蓋板鉚接、鋁殼灌膠、芯包入殼、鋁殼封口、高溫老化等工序[7-9].電容器芯包浸漬完成后,需要逐個進(jìn)行引腳刺孔、裁切和華司裝配.鋁電解電容器芯包由電極箔、電解紙和釘接在電極箔上的引腳卷繞而構(gòu)成,引腳分為陽極和陰極,引腳材料為鋁.

目前電容器制造企業(yè)對鋁電解電容器芯包引腳的刺孔大多采用人工操作單機(jī)刺孔方式,人工操作時受人為因素影響,不能保證引腳刺孔位置距電容器端面距離的一致性；由于對引腳缺乏有效的定位措施,刺孔時易出現(xiàn)刺偏現(xiàn)象,造成刺孔質(zhì)量不穩(wěn)定,生產(chǎn)效率和質(zhì)量會因人而異.對于電容器芯包引腳刺孔機(jī),要求其人機(jī)交互方便、協(xié)調(diào),能對多規(guī)格電容器芯包進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、修改,以實(shí)現(xiàn)對不同規(guī)格的芯包自動刺孔.

1　芯包引腳刺孔機(jī)概述

鋁電解電容器芯包引腳刺孔機(jī)主要由華司振動料盤、真空吸取華司組件、引線刺孔組件、芯包線性移動組件、芯包翻轉(zhuǎn)組件等組成.芯包引腳刺孔機(jī)的控制部分以可編程控制器(programmable logical controller,PLC)為核心,引線刺孔組件與真空吸取華司組件采用由氣缸、電磁閥等構(gòu)成的氣壓驅(qū)動裝置,芯包線性移動組件采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置.

刺孔機(jī)整體控制方案如圖1所示.

圖1　刺孔機(jī)控制方案Fig.1　Control scheme of puncture machine

2　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

氣壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示.

圖2　氣壓系統(tǒng)原理圖Fig.2　Principle diagram of pneumatic system

氣源由空氣壓縮機(jī)提供,壓縮空氣經(jīng)過氣動三聯(lián)件(空氣過濾器、減壓閥、油霧器)凈化之后,達(dá)到所要求的空氣質(zhì)量.凈化后的空氣分4路：一路經(jīng)減壓閥減壓后輸送至電磁閥,并使空氣壓力穩(wěn)定在0.5 MPa左右,通過PLC程序控制電磁閥的切換,從而控制刺孔氣缸的上升與下降,達(dá)到對芯包引腳自動刺孔的目的；一路經(jīng)真空發(fā)生器輸送至真空吸盤,通過PLC程序控制真空發(fā)生器的吸合與釋放,實(shí)現(xiàn)吸取華司與釋放華司的功能；另外兩路分別經(jīng)電磁閥通向水平氣缸和吸盤氣缸,通過PLC程序控制電磁閥的切換,控制水平氣缸的前后移動和吸盤氣缸的上下移動.

根據(jù)實(shí)際工作需求,各氣缸工作分別如圖3位移-步驟圖所示.

圖3　氣缸位移-步驟圖Fig.3　Displacement-step diagram of cylinder

2.1.2氣壓系統(tǒng)元器件選擇

依據(jù)刺孔機(jī)現(xiàn)場使用情況,要求刺孔氣缸輸出力為400 kg,刺孔氣缸現(xiàn)場使用壓力為0.5 MPa.氣缸輸出力計(jì)算公式為

(1)

式中：p1為氣缸使用壓力；A1為氣缸活塞截面積；A2為氣缸活塞桿截面積；F為氣缸輸出力.

由F=400 kg,p1=0.5 MPa,查SMC樣本資料,選擇缸徑為100 mm,活塞桿直徑為30 mm的氣缸,經(jīng)驗(yàn)算滿足使用要求；根據(jù)刺孔工序氣缸活塞桿伸出的位移,選取行程為25 mm的刺孔氣缸.為了防止運(yùn)行過程中出現(xiàn)斷氣或斷電造成人員傷害、設(shè)備損壞等問題,選取三位五通中位泄氣式電磁閥,在斷氣或斷電情況下,使刺孔氣缸保持當(dāng)前位置,從而有效地保護(hù)了操作人員及設(shè)備的安全.所選的速度控制閥/帶先導(dǎo)式單向閥,不僅能夠調(diào)節(jié)氣缸速度,還可以允許氣缸暫時停止.氣壓系統(tǒng)主要元器件型號及性能參數(shù)如表1所示.

表1氣壓系統(tǒng)主要元器件型號及性能參數(shù)

Table 1Type and performance parameters for the main components of the pneumatic system

名稱型號性能參數(shù)氣動三聯(lián)件AW40-04BDG-A最高壓力:1MPa調(diào)壓范圍:0.05～0.7MPa減壓閥AR40-04BG-A最高壓力:1MPa調(diào)壓范圍:0.05～0.7MPa三位五通先導(dǎo)式電磁閥VQ7-8-FJG-D-3ZRA04壓力范圍:0～1MPa電源電壓:DC24V速度控制閥/帶先導(dǎo)式單向閥ASP630F-04-10S最高壓力:1.0MPa最低壓力:0.1MPa刺孔氣缸MDB1B100-25-M9BL最高壓力:1.0MPa活塞速度:50～1000mm/s真空發(fā)生器組件ZX1101-K15LZB-L最高真空壓力:-84kPa電源電壓:DC24V真空吸盤ZP2-11ANN吸盤內(nèi)徑?1.1mm二位五通電磁閥SY5120-5DZ-01壓力范圍:0.15～0.7MPa電源電壓:DC24V調(diào)速閥AS1201F-M5-06A最高壓力:1.0MPa最低壓力:0.1MPa水平氣缸CDJ2L16-30AZ-M9BL最高壓力:0.7MPa活塞速度:50～750mm/s吸盤氣缸MGJ6-10-F8NL最高壓力:0.7MPa活塞速度:50～500mm/s

2.2電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)主要由PLC處理模塊、輸入模塊、輸出模塊,傳感檢測系統(tǒng),步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)和人機(jī)界面系統(tǒng)等組成.

2.2.1PLC選型及I/O口分配

PLC是以CPU為核心,綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置,具有抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠、對生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力等領(lǐng)域[10-12].為了留有余量,且綜合考慮性價比,所選PLC的型號為FX3GA-60MT-CM,該型號PLC采用了直流24 V輸入電壓,晶體管輸出,3軸定位,36位輸入,24位輸出,同時自帶2路高速通訊接口(RS422 & USB),方便上位機(jī)、PLC 及觸摸屏之間的通訊及調(diào)試.

刺孔機(jī)控制系統(tǒng)輸入點(diǎn)數(shù)為17,輸出點(diǎn)數(shù)為12,共計(jì)29個點(diǎn).其I/O口分配表如表2所示.

表2　PLC的I/O口分配表

2.2.2傳感檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感檢測系統(tǒng)主要由位置傳感器、光纖傳感器、磁性接近傳感器及磁性開關(guān)組成.位置傳感器安裝在線性模組上,是步進(jìn)電機(jī)啟動、停止及換向的信號源.光纖傳感器主要用于檢測直振導(dǎo)軌取料孔及華司放置孔中是否有料,防止華司放置不到位造成產(chǎn)品不合格.磁性接近傳感器安裝在防護(hù)罩門上,用于檢測防護(hù)罩門是否及時關(guān)閉,保障刺孔機(jī)工作環(huán)境處于正壓狀態(tài).磁性開關(guān)安裝在氣缸上,用于檢測氣缸活塞桿是否到達(dá)上、下限位置.

2.2.3步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成直線位移或角位移的執(zhí)行元件,其位移速度與脈沖頻率成正比,位移量與脈沖數(shù)成正比,具有精確定位、無累積誤差、能夠瞬間啟動與急停等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種開、閉環(huán)控制系統(tǒng)中[13-15].刺孔機(jī)控制系統(tǒng)中,步進(jìn)電機(jī)用于V型塊的移動,根據(jù)步進(jìn)驅(qū)動器發(fā)出的脈沖數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)V型塊在華司上料工位、刺孔工位及翻轉(zhuǎn)工位的精確定位.在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用PLC對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,利用PLC的高速脈沖輸出功能輸出脈沖信號,通過專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)[16-17].PLC控制步進(jìn)電機(jī)接線圖如圖4所示.

圖4　步進(jìn)電機(jī)接線圖Fig.4　Wiring diagram of stepper motor

圖4中,步進(jìn)驅(qū)動器的脈沖數(shù)控制PLS-接PLC的輸出點(diǎn)Y0,步進(jìn)驅(qū)動器的脈沖方向控制DIR-接PLC的輸出點(diǎn)Y3,步進(jìn)驅(qū)動器輸出部分通過專用電纜線直接與步進(jìn)電機(jī)連接.

通過式(2)至式(8)的計(jì)算，進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的選型.

1)工作脈沖數(shù)A的計(jì)算.

(2)

式中：l為移動量；PB為滾珠絲杠導(dǎo)程；θs為步距角.

2)運(yùn)行脈沖頻率f2[Hz]的計(jì)算.

(3)

式中：f1為啟動脈沖頻率；t0為運(yùn)行時間；t1為加減速時間.

3)運(yùn)行速度NM[r/min]的計(jì)算.

(4)

4)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL[N·m]的計(jì)算.

運(yùn)行方向負(fù)載：

F=FA+m·g(sinθ+μcosθ)，

(5)

式中：FA為外力；m為移動物的總質(zhì)量；μ為滑動面的摩擦系數(shù)；θ為傾斜角度.

預(yù)負(fù)載：

(6)

負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

(7)

式中：μ0為預(yù)壓螺母的內(nèi)部摩擦系數(shù)，μ0=0.1～0.3；η為效率,η=0.85～0.95.

5)必要轉(zhuǎn)矩TM[N·m]的計(jì)算.

TM=Sf·(TL+Tα),

(8)

式中：Tα為加速轉(zhuǎn)矩；Sf為安全系數(shù),取Sf=2.

根據(jù)以上公式,可計(jì)算出TM=1.65 N·m.根據(jù)東方馬達(dá)綜合目錄,選取步進(jìn)電機(jī)組合產(chǎn)品型號為RKS569AC,其保持轉(zhuǎn)矩T=2.1 N·m，大于所需的必要轉(zhuǎn)矩TM,滿足使用要求.

2.2.4人機(jī)界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人機(jī)界面系統(tǒng)主要包括觸摸屏，三色燈(紅、黃、綠)及自動控制系統(tǒng)的“啟動”、“停止”、“急?！卑粹o.觸摸屏通過RS422通信線纜直接與PLC連接.三色燈能夠顯示當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),綠燈亮說明設(shè)備運(yùn)行正常,黃燈亮起警示作用,紅燈亮說明設(shè)備出現(xiàn)故障.根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場使用情況,“啟動”用綠色按鈕,“停止”和“急?！庇眉t色按鈕.

3　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1PLC程序設(shè)計(jì)

鋁電解電容器芯包引腳刺孔機(jī)設(shè)有點(diǎn)動控制和自動控制兩種工作方式.點(diǎn)動控制用于設(shè)備調(diào)試與維修,且每次自動循環(huán)之前,需要通過點(diǎn)動操作使之達(dá)到自動運(yùn)行初始狀態(tài).

自動控制用于設(shè)備正常工作,自動控制通過臺板上的“運(yùn)行”按鈕實(shí)現(xiàn),當(dāng)按下“運(yùn)行”按鈕時,PLC控制程序自動完成1個周期的動作,當(dāng)進(jìn)入下個運(yùn)行周期時,只需再按一次“運(yùn)行”按鈕.

PLC的程序設(shè)計(jì)采用GX-Works2,它是應(yīng)用PC機(jī)對PLC進(jìn)行編程的功能軟件包,可實(shí)現(xiàn)程序的創(chuàng)建、寫入、讀出,軟元件監(jiān)控和調(diào)試以及PLC診斷等功能.PLC工作的自動控制程序流程如圖5所示(以1號工位工作為例).

3.2觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏所有畫面由三菱公司GT Designer2軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),它是應(yīng)用PC機(jī)對觸摸屏畫面進(jìn)行設(shè)計(jì)的功能軟件包,可實(shí)現(xiàn)觸摸屏畫面創(chuàng)建、切換、數(shù)據(jù)列表顯示、趨勢圖表和部件顯示等功能,是GOT1000系列觸摸屏畫面設(shè)計(jì)的必備軟件[18-19].

觸摸屏主畫面如圖6所示.按下人機(jī)界面中的“啟動”按鈕,即可進(jìn)入如圖6所示的畫面,該畫面由“設(shè)備調(diào)試”、“1號工位運(yùn)行”、“2號工位運(yùn)行”和“設(shè)備概要”這4個鍵組成,手動按下相應(yīng)的鍵,即可進(jìn)入該畫面.

圖5　PLC程序流程圖(1號工位)Fig.5　Program flow chart of PLC (station 1)

圖6　觸摸屏主畫面Fig.6　Main screen of touch screen

3.2.1設(shè)備調(diào)試畫面設(shè)計(jì)

進(jìn)入觸摸屏主畫面后,按下“設(shè)備調(diào)試”鍵即可進(jìn)入該畫面,如圖7(a)所示.該畫面主要是用于刺孔機(jī)自動生產(chǎn)線點(diǎn)動調(diào)試,由“步進(jìn)電機(jī)調(diào)試”、“華司吸盤調(diào)試”、“華司有無檢測”、“刺孔氣缸調(diào)試”、“三色燈調(diào)試”、“防護(hù)罩門檢測”等鍵組成,按下相應(yīng)的鍵即可對該畫面進(jìn)行調(diào)試.為節(jié)省篇幅,只講述步進(jìn)電機(jī)調(diào)試畫面的設(shè)計(jì)過程,其他畫面可參照設(shè)計(jì).步進(jìn)電機(jī)調(diào)試畫面如圖7(b)所示,該畫面用于點(diǎn)動控制步進(jìn)電機(jī)的啟停,包含位置動作調(diào)試欄和狀態(tài)監(jiān)測欄.

圖7　設(shè)備調(diào)試畫面Fig.7　Screen of equipment debugging

位置動作調(diào)試欄：以“1號工位原位”為例,當(dāng)按下“1號工位原位”鍵,步進(jìn)電機(jī)則運(yùn)動到1號工位原位.

狀態(tài)監(jiān)測欄：狀態(tài)監(jiān)測欄實(shí)時顯示步進(jìn)電機(jī)位置和工作狀態(tài).在原位時,原位燈亮；在接近位時,接近位燈亮.狀態(tài)監(jiān)測欄右側(cè)實(shí)時顯示步進(jìn)電機(jī)在“步進(jìn)待機(jī)”或“步進(jìn)運(yùn)行”狀態(tài).

3.2.2工位運(yùn)行畫面設(shè)計(jì)

進(jìn)入觸摸屏主畫面后,按下“1號工位運(yùn)行”鍵即可進(jìn)入1號工位運(yùn)行畫面,按下“2號工位運(yùn)行”鍵即可進(jìn)入2號工位運(yùn)行畫面.為節(jié)省篇幅,只講述1號工位運(yùn)行畫面設(shè)計(jì)過程,2號工位畫面可參照1號工位畫面設(shè)計(jì).1號工位運(yùn)行主畫面如圖8(a)所示,進(jìn)入該畫面后步進(jìn)電機(jī)自動接通電源,且自動運(yùn)行到1號工位原位.1號工位運(yùn)行畫面主要分為3欄,分別是設(shè)備狀態(tài)、引腳間距參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測.

設(shè)備狀態(tài)欄：實(shí)時顯示振動盤、導(dǎo)軌取料孔、華司放置孔中有無華司,若無華司則字體呈紅色并閃爍；顯示步進(jìn)電機(jī)是否開啟及是否正常,若為否則字體呈紅色并閃爍；顯示防護(hù)罩左、右側(cè)門是否閉合,若為否則字體呈紅色并閃爍.

引腳間距參數(shù)設(shè)置欄：包括引腳間距“設(shè)置值”與“當(dāng)前值”兩部分,其中“設(shè)置值”供用戶根據(jù)當(dāng)前所加工的電容器芯包實(shí)際引腳間距進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,“當(dāng)前值”為目前系統(tǒng)默認(rèn)的引腳間距值.當(dāng)用戶輸入新的引腳間距設(shè)置值并按“確定”鍵后,“當(dāng)前值”更新為“設(shè)置值”,如圖8(b)所示,系統(tǒng)按新設(shè)置的引腳間距進(jìn)行刺孔.刺孔機(jī)引腳間距只能設(shè)為4種規(guī)格：“22 mm”，“28 mm”，“32 mm”和“42 mm”,若引腳間距設(shè)置錯誤,設(shè)備將無法運(yùn)行,并在人機(jī)界面上彈出提示“引腳間距設(shè)置錯誤!!!”,從而避免了因引腳間距設(shè)置錯誤造成產(chǎn)品不合格和設(shè)備損壞.

圖8　1號工位運(yùn)行畫面Fig.8　Running screen of station 1

運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測欄：實(shí)時顯示整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài).在引腳間距設(shè)置正確后,按下“啟動”鍵,即可進(jìn)行1號工位的相關(guān)動作.如需返回到觸摸屏主畫面,只需按下“返回”鍵,此時步進(jìn)電機(jī)電源自動斷開,電機(jī)解鎖.

4　結(jié)　論

1) 根據(jù)電容器芯包引腳刺孔工藝的要求,設(shè)計(jì)了鋁電解電容器芯包引腳刺孔機(jī)的控制系統(tǒng).該系統(tǒng)基于PLC控制,能夠?qū)崿F(xiàn)華司自動上料、芯包移動、引腳刺孔、芯包翻轉(zhuǎn)等工序的自動連續(xù)運(yùn)行.

2) 該系統(tǒng)已在電容器生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際使用,系統(tǒng)運(yùn)行周期為10 s,有效提高了刺孔機(jī)的生產(chǎn)效率；系統(tǒng)華司取放成功率高于99.98%,并有相應(yīng)檢測功能以避免因無華司產(chǎn)生不良品,刺孔良品率高于99.95%.控制系統(tǒng)能夠無故障連續(xù)運(yùn)行,保障了產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)行效率,滿足了自動化生產(chǎn)線高效率、高質(zhì)量的加工要求,為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益.

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Design of control system for core package pins puncture machine ofaluminum electrolytic capacitor

ZHENG Tian-chi, SHAO Jian-xin, GUO Lin-na, SUN Xiao-gang, ZHANG Jun, QIU Zi-xue

(School of Mechanical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China)

Aiming at the problems existing in the core package pins puncture of aluminum electrolytic capacitor such as low automation degree,great labor intensity and so on,the control system for core package pins puncture machine of aluminum electrolytic capacitor was designed,and the design scheme of the electrical hardware and software system were provided.The system took the Mitsubishi FGA series PLC as the core,combined with the stepper motor,vibrating plate,cylinder,detection and position of the fiber optic sensor and position sensor,to achieve automatic washer loading,core package moving,pins puncture,core package flipping and other processes with automatic continuous running.On-site test and operation show that the system runs reliably and stably,operated simply,and with low labor intensity,which can satisfy the requirement of the production line of high efficiency and quality automation processing．

aluminum electrolytic capacitor; puncture machine; PLC; control system

2016-02-19.

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2013042-01,BY2016053-14).

鄭天池(1991—),男,江蘇徐州人,碩士生,從事機(jī)電一體化裝備及測控技術(shù)研究,E-mail:876048162@qq.com.

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.04.013

TP 273; TB 21

A

1006-754X(2016)04-0378-07

http://orcid.org//0000-0002-2338-0574

通信聯(lián)系人：邱自學(xué)(1963—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,江蘇省有突出貢獻(xiàn)中青年專家,從事機(jī)電一體化裝備與測控技術(shù)、智能結(jié)構(gòu)及其健康監(jiān)測技術(shù)、無線射頻識別及其應(yīng)用等研究,E-mail:qiu.zx@ntu.edu.cn．

http://orcid.org//0000-0002-3892-8256