基于PLC的瑜伽墊卷取包裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盛 強(qiáng)

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，湖州 313000）

基于PLC的瑜伽墊卷取包裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盛 強(qiáng)

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，湖州 313000）

針對(duì)現(xiàn)有瑜伽墊卷取包裝采用人工方式、生產(chǎn)效率低下的缺點(diǎn)，利用S7-200 S MART PLC結(jié)合步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)了一種兩工位自動(dòng)卷取包裝控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能完成瑜伽墊的自動(dòng)卷取和包裝紙包裝工序。詳細(xì)論述了控制系統(tǒng)的工作原理、硬件組成和系統(tǒng)控制流程。運(yùn)行結(jié)果表明，本瑜伽墊卷取包裝機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、卷取包裝速度快且控制系統(tǒng)易于操作等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效且可行的解決瑜伽墊生產(chǎn)過(guò)程中的卷取包裝問(wèn)題。

PLC；步進(jìn)電機(jī)；瑜伽墊；卷?。话b

0 引言

瑜伽能夠改善神經(jīng)內(nèi)分泌、呼吸和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，具有減緩壓力和消除精神緊張的作用，對(duì)人的心理生理都有積極的影響[1,2]，因此近些年瑜伽越來(lái)越被人們所接受，而瑜伽墊作為練習(xí)瑜伽的必備裝備，隨著瑜伽運(yùn)動(dòng)的迅猛發(fā)展，瑜伽墊制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展。

瑜伽墊卷取包裝仍然大量采用人工卷取包裝方式，生產(chǎn)效率低下，且體力消耗十分巨大，因此，開(kāi)發(fā)出一種全自動(dòng)瑜伽墊卷取包裝機(jī)勢(shì)在必行。張愛(ài)麗等[3]人利用伺服電機(jī)對(duì)包覆紗機(jī)精密交叉卷繞自動(dòng)卷繞控制系統(tǒng)中進(jìn)行了嘗試，雖然取得了較好的控制效果，但是瑜伽墊在厚度、張力等方面與包覆紗有較大的區(qū)別；路青起等[4]人利用西門(mén)子S7-1200PLC設(shè)計(jì)了高壓膠管自動(dòng)卷取機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中包括了排線導(dǎo)向器，而在瑜伽墊卷取過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行排線導(dǎo)向處理。鑒于此，本文利用PLC、步進(jìn)電機(jī)及HMI人機(jī)界面等設(shè)計(jì)了瑜伽墊全自動(dòng)卷取包裝機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了瑜伽墊卷取包裝的自動(dòng)化，節(jié)省了人工，提高了瑜伽墊卷取包裝的效率，有效保證了瑜伽墊的大批量生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

瑜伽墊卷取包裝機(jī)由主軸、轉(zhuǎn)盤(pán)、卷取包裝工位、內(nèi)外套管、包裝紙送紙機(jī)、傳送帶等組成，示意圖如圖1所示。

主要部件及工作原理：

主軸：由主軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)整體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工位1、工位2的翻轉(zhuǎn)。主軸為空心管，裝有接氣嘴為滑臺(tái)氣缸工作提供氣源。

伸縮輥：指滑臺(tái)氣缸上所安裝的內(nèi)外套管及所安裝的夾持裝置，內(nèi)外套管上 均有開(kāi)槽，利用內(nèi)外套管相對(duì)旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)瑜伽墊的夾緊與松開(kāi)。

喂入板：傳送帶與伸縮輥之間有一小段距離，容易造成瑜伽墊頭部下垂，通過(guò)喂入板伸出輔助把瑜伽墊喂入到內(nèi)外套管的開(kāi)槽內(nèi)。

移動(dòng)輥：主要作用用于接送喂入板，實(shí)現(xiàn)喂入板與內(nèi)外套管的開(kāi)槽保持平行狀態(tài)，方便喂入瑜伽墊。

接送板：在包裝紙傳送帶下方，用于準(zhǔn)確輸送包裝紙到壓實(shí)輥與瑜伽墊之間，再利用氣嘴吹氣實(shí)現(xiàn)包裝紙與瑜伽墊同步旋轉(zhuǎn)完成包裝工序。

外套管步進(jìn)電機(jī)為卷取電機(jī)，帶動(dòng)外管實(shí)現(xiàn)瑜伽墊的卷取工作，內(nèi)套管步進(jìn)電機(jī)為隨動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)內(nèi)套管旋轉(zhuǎn)一定角度來(lái)實(shí)現(xiàn)瑜伽墊的夾緊與松開(kāi)工作。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

瑜伽墊卷取包裝控制系統(tǒng)中共有5個(gè)步進(jìn)電機(jī)，分別是轉(zhuǎn)盤(pán)步進(jìn)電機(jī)、工位1伸縮輥外套管卷取步進(jìn)電機(jī)、工位1伸縮輥內(nèi)套管隨動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和工位2伸縮輥外套管卷取步進(jìn)電機(jī)、工位2伸縮輥內(nèi)套管隨動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

通過(guò)分析工作流程可知，伸縮輥內(nèi)外套管在夾緊、松開(kāi)工序時(shí)，內(nèi)套管隨動(dòng)步進(jìn)電機(jī)處于單電機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，外套管卷取步進(jìn)電機(jī)不工作，而在卷取和包裝過(guò)程中，內(nèi)套管隨動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和外套管卷取步進(jìn)電機(jī)為同步工作狀態(tài)，只是其旋轉(zhuǎn)方向不同，所以可以利用1路高速脈沖控制內(nèi)外套管步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，再結(jié)合兩個(gè)輸出信號(hào)分別控制內(nèi)外套管步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?？刂葡到y(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖1 瑜伽墊卷取包裝機(jī)示意圖

控制系統(tǒng)硬件選型如下：

1）PLC控制器：采用西門(mén)子S7-200 SMART系列CPU ST60，PLC本機(jī)自帶三軸獨(dú)立高速脈沖輸出[5]，可用于控制步進(jìn)電機(jī)，其中：Q0.0轉(zhuǎn)盤(pán)步進(jìn)電機(jī)，Q0.1控制工位1內(nèi)外管步進(jìn)電機(jī)，Q0.3控制控制工位2內(nèi)外管步進(jìn)電機(jī)，并帶有1個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)口。

2）觸摸屏：采用MCGS TPC1062Ti 10寸觸摸屏，可以實(shí)現(xiàn)與PLC之間10/100Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度調(diào)節(jié)及內(nèi)外套管夾緊角度設(shè)置，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同厚度瑜伽墊的夾緊角度控制。

圖2 瑜伽墊卷取包裝控制系統(tǒng)硬件框圖

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖

3）步進(jìn)電機(jī)：轉(zhuǎn)盤(pán)步進(jìn)電機(jī)采用110系列步進(jìn)電機(jī)及配套減速機(jī)，轉(zhuǎn)距12NM，減速比1:5；外套管步進(jìn)電機(jī)采 用86系列步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)距4.5NM；內(nèi)套管步進(jìn)電機(jī)采用57系列步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)距1.3NM。

步進(jìn)電機(jī)控制相關(guān)信號(hào)電氣原理圖如圖3所示。

Q0.0、Q0.2為轉(zhuǎn)盤(pán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)；Q0.1、Q0.3分別分工位1、工位2內(nèi)外套管步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 的共用脈沖信號(hào)；Q0.4、Q0.5和Q0.6、Q0.7分別分工位1、工位2內(nèi)外套管步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的的方向信號(hào)；KA1、KA2和KA3、KA4為工位1、工位2內(nèi)外套管步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)分配繼電器，相應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)用來(lái)分配脈沖線路及脈沖線路準(zhǔn)備就緒信號(hào)。

3 卷取包裝控制策略設(shè)計(jì)

瑜伽墊卷取包裝工序主要包括卷取工序和包裝工序[6]，實(shí)現(xiàn)瑜伽墊繞卷和包裝紙包裝工序，其具體工作過(guò)程如下：

卷取工序：當(dāng)工位工作模式為卷取模式時(shí)，瑜伽墊上料，傳送帶輸送瑜伽墊并插入內(nèi)外套管的開(kāi)槽口，此時(shí)應(yīng)盡量保證內(nèi)外套管上的槽口與喂入板保持相對(duì)平行，方便瑜伽墊插入，接著內(nèi)套管步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，夾緊瑜伽墊，夾緊后內(nèi)外套管步進(jìn)電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，彎卷瑜伽墊實(shí)現(xiàn)瑜伽墊的卷取工序。

包裝工序：彎卷完成后，轉(zhuǎn)盤(pán)翻轉(zhuǎn)180度，工位工作模式切換成包裝模式，翻轉(zhuǎn)到位后，送紙機(jī)送紙，接送板伸出，包裝紙傳送帶輸送包裝紙至包裝工位，包裝工位帶動(dòng)包裝紙一起旋轉(zhuǎn)，完成包裝紙上紙工序，內(nèi)套管反轉(zhuǎn)相同角度，松開(kāi)瑜伽墊，接著滑臺(tái)氣缸帶動(dòng)內(nèi)外套管縮回，并松開(kāi)移動(dòng)輥，瑜伽墊掉下，完成包裝工序。

瑜伽墊卷取包裝控制流程圖如圖4所示。

傳送帶電機(jī)速度為手動(dòng)設(shè)置且速度恒定，帶動(dòng)瑜伽墊進(jìn)入卷取工位完成卷取工作。當(dāng)卷取工位步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，瑜伽墊卷取外徑為外套管外徑與兩倍瑜伽墊厚度之和，隨著卷取的進(jìn)行，外徑逐漸增加，所以可以通過(guò)計(jì)算得出卷取速度[7]，并得出相應(yīng)的脈沖輸出頻率，再利用S7-200 SMART PLC的高速脈沖輸出對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行卷取速度控制。

4 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

為了使卷取包裝機(jī)的操作更為方便、直觀，控制系統(tǒng)采用昆侖通態(tài)（MCGS） TPC1062Ti觸摸屏，其采用主頻600MHz的ARM CPU，并帶有10/100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)接口，能夠滿足控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)數(shù)理及參數(shù)設(shè)置要求。觸摸屏參數(shù)設(shè)置仿真界面如圖5所示。

觸摸屏操作界面主要功能如下：

1）卷取/包裝工位工作速度設(shè)置及夾緊角度設(shè)置；

2）實(shí)時(shí)顯示各步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度及故障報(bào)警顯示。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以MCGS觸摸屏為上位機(jī)，西門(mén)子S7-200 SMART PLC（ST60）為下位機(jī)，利用PLC的3軸獨(dú)立高速脈沖輸出，配合步進(jìn)電機(jī)、各傳送帶交流電機(jī)及送紙機(jī)，設(shè)計(jì)瑜伽墊卷取包裝機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用證明，本系統(tǒng)卷取包裝速度可達(dá)550卷/小時(shí)，各工位在不同工作模式時(shí)卷取和包裝速度、轉(zhuǎn)盤(pán)翻轉(zhuǎn)速度、瑜伽墊夾緊角度等參數(shù)均可獨(dú)立設(shè)定，適應(yīng)不同厚度瑜伽墊的夾緊松開(kāi)及快速卷取包裝功能。整個(gè)卷取包裝過(guò)程中，瑜伽墊側(cè)面卷取面整齊，包裝紙包裝過(guò)程包裝位置精確，無(wú)折疊現(xiàn)象，具有非常優(yōu)良的卷取包裝特性。

圖4 瑜伽墊卷取包裝控制系統(tǒng)程序流程圖

圖5 觸摸屏參數(shù)設(shè)置界面

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Design of the yoga mats reelering and packaging control system based on PLC

SHENG Qiang

TP273

：A

1009-0134(2017)03-0127-04

2016-11-22

湖州市科技局科技特派員項(xiàng)目（2015KTZ08）

盛強(qiáng)（1981 -），男，浙江金華人，講師，碩士，主要從事工業(yè)機(jī)器人和生產(chǎn)制造系統(tǒng)的智能控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與控制研究。