基于三菱PLC控制的全自動(dòng)分板包裝機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡青龍

（無(wú)錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇無(wú)錫 214000）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以及交通出行的便捷性，電動(dòng)車(chē)的需求量越來(lái)越大，保證電動(dòng)車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行的控制電路板需求量也迅猛增加。為了提高控制電路板的生產(chǎn)效率，電路板的生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)制作過(guò)程中，通常把四塊電路板制作成一塊整體，每塊電路板之間留有V型切割槽，便于后期方便切割。四塊電路板制作成一塊整體的好處是便于電路板貼片廠提高貼片效率，也便于提高電路板程序的裝載效率。目前電路板的切割采用人工手動(dòng)切割，需要兩人分工合作(一人負(fù)責(zé)切割，一人負(fù)責(zé)包裝)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，增加了企業(yè)的用工成本，為了降低企業(yè)的用工成本，提高效率，全自動(dòng)切割包裝便成為趨勢(shì)。

2 產(chǎn)品描述[1]

根據(jù)切割包裝產(chǎn)品差異性以及機(jī)械機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)備切割包裝的PCB板分為兩款：12管V型PCB板和12管K型PCB板。

設(shè)備的主要功能包括上料、分板切割、包裝三個(gè)基本模塊。通過(guò)上述三個(gè)模塊，設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)四拼板的整塊PCB基板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)基板大板)進(jìn)行裁切分割為四塊獨(dú)立基板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)基板小板)；然后將兩片基板小板通過(guò)翻轉(zhuǎn)折疊后背靠背裝入防靜電塑膠袋；最后將裝有基板小板的防靜電塑膠袋插入泡沫包裝盒內(nèi)。

整套設(shè)備上述功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，工作期間無(wú)需人工干預(yù)。但考慮前道生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)狀，設(shè)備需要由人工上料(包括放置基板大板、放置防靜電塑膠袋、放置泡沫包裝箱)及下料(包括取出插滿(mǎn)基板的泡沫包裝箱)。

3 控制要求

3.1 上料模塊

基板大板通過(guò)人工搬運(yùn)到上料機(jī)構(gòu)托盤(pán)上(因機(jī)構(gòu)高度原因可放置125片基板大板)，基板放置完畢后，人工按下裝料完畢啟動(dòng)按鈕，上料機(jī)構(gòu)自動(dòng)上升，當(dāng)上料吸盤(pán)處光纖檢測(cè)到有基板時(shí)，暫停機(jī)構(gòu)上升；當(dāng)光纖開(kāi)關(guān)未檢測(cè)到基板時(shí)或者基板被上料吸盤(pán)吸起后，上升機(jī)構(gòu)繼續(xù)上升。循環(huán)往復(fù)上升，直至最后一塊基板被吸起后，當(dāng)托盤(pán)上沒(méi)有基板(托盤(pán)上裝有光電檢測(cè)開(kāi)關(guān))，上料機(jī)構(gòu)自動(dòng)下降，下降至裝料位置后停止等待下一次裝料。上料機(jī)構(gòu)在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到轉(zhuǎn)速、扭矩、啟停位置的精度等方便的原因綜合考慮采用步進(jìn)電機(jī)配置減速機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。上料吸盤(pán)處光纖檢測(cè)到有基板時(shí)上料吸盤(pán)開(kāi)始工作(打開(kāi)真空閥，同時(shí)吸盤(pán)下降吸取基板)，當(dāng)上料吸盤(pán)檢測(cè)到吸住基板(大板)時(shí)，吸盤(pán)機(jī)構(gòu)上升，上升到位后，吸盤(pán)機(jī)構(gòu)開(kāi)始前進(jìn)將基板(大板)送至分板切割處。當(dāng)分板切割處沒(méi)有基板(大板)時(shí)，吸盤(pán)機(jī)構(gòu)前進(jìn)到位后下降放下基板(大板)后返回吸盤(pán)機(jī)構(gòu)吸取基板(大板)處，進(jìn)入下一次吸取搬運(yùn)基板(大板)工作。如果分板切割處有基板(大板)時(shí)，吸盤(pán)機(jī)構(gòu)前進(jìn)到位后需要等待，直到分板切割處沒(méi)有基板(大板)方可下降放下基板(大板)。

3.2 分板切割模塊

分板切割由兩部分組成：短邊切割和長(zhǎng)邊切割?；?大板)先完成窄邊切割，然后完成長(zhǎng)邊切割，兩種切割的原理都是一樣的，利用氣缸前進(jìn)的推力作為動(dòng)力來(lái)推動(dòng)基板前進(jìn)，通過(guò)圓形割刀(基板大板在制作過(guò)程中留有V型導(dǎo)割槽，便于分割四塊小基板)完成基板切割。長(zhǎng)邊切割完成后，利用氣缸的作用完成基板(小板)的分板工作(使四塊小板兩兩分開(kāi)，不在相互接觸)。在窄邊切割開(kāi)始位置、窄邊切割完成位置(長(zhǎng)邊切割開(kāi)始位置)、長(zhǎng)邊切割完成位置(基板切割完成分開(kāi)位置)分別裝有光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)，用以檢測(cè)此處是否有基板，作為下一個(gè)工序開(kāi)始的前提，同時(shí)用作上一個(gè)工序的結(jié)束，為下一個(gè)循環(huán)開(kāi)始做準(zhǔn)備。

3.3 包裝模塊

進(jìn)入包裝模塊的基板已經(jīng)由一個(gè)大的基板變成了四塊小的基板，包裝模塊的作用是把這四塊基板小板通過(guò)翻轉(zhuǎn)折疊步驟后背靠背裝入兩個(gè)防靜電的塑料帶內(nèi)，再插入泡沫盒內(nèi)。裝袋后的基板每插入泡沫盒一次，泡沫盒自動(dòng)往下運(yùn)行一個(gè)插槽，泡沫盒一共可以插入25次，每次插入背靠背兩片小板共計(jì)50 片。泡沫盒裝盒完成25次共50 片小板后，泡沫盒基板裝盒機(jī)構(gòu)自動(dòng)下降把裝滿(mǎn)基板小板的泡沫盒運(yùn)送至泡沫盒(滿(mǎn)盒)出料口自動(dòng)完成出料后，自動(dòng)上升至泡沫盒(空盒)裝料口，完成泡沫盒(空盒)自動(dòng)放置后，自動(dòng)把泡沫盒(空盒)運(yùn)送至基板插入等待位置，為下一個(gè)基板裝盒循環(huán)開(kāi)始做準(zhǔn)備。包裝模塊中的基板自動(dòng)裝袋裝盒是該模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)試的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是設(shè)備的關(guān)鍵部位。因?yàn)榕菽袨楸阌诨宀迦朐跐仓^(guò)程中設(shè)計(jì)插槽的，插槽加上插槽兩側(cè)凸出部位中心間距是12mm，但是泡沫盒因生產(chǎn)原材料的特殊性、以及澆筑時(shí)間的長(zhǎng)短等多方原因?qū)е屡菽袃?nèi)插槽之間的間距誤差比較大，無(wú)法采用基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)大量對(duì)比泡沫盒后發(fā)現(xiàn)如果澆筑的時(shí)間長(zhǎng)泡沫盒就會(huì)壓鑄的結(jié)實(shí)，泡沫盒裝入基板的位置可以通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算獲得，如果澆筑時(shí)間短，泡沫盒顆粒未被壓實(shí)就會(huì)導(dǎo)致裝入基板的位置無(wú)法通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算獲得。為此在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)外加光纖檢測(cè)相結(jié)合的方式來(lái)克服泡沫盒插槽誤差予以實(shí)現(xiàn)泡沫盒基板裝盒機(jī)構(gòu)自動(dòng)升降運(yùn)行的精確性。伺服電機(jī)采用相對(duì)值方式運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行至設(shè)定距離后，同時(shí)利用光纖開(kāi)關(guān)檢測(cè)是否精準(zhǔn)到達(dá)基板插入位置。當(dāng)光纖開(kāi)關(guān)檢測(cè)到障礙物時(shí)(檢測(cè)第二次上升沿時(shí))，若伺服電機(jī)還在運(yùn)行時(shí)立即停止運(yùn)行，此時(shí)?？课恢每梢圆迦牖?。如果光纖開(kāi)關(guān)檢測(cè)到障礙物時(shí)(只檢測(cè)到第一次上升沿，未出現(xiàn)第二次上升沿)而伺服電機(jī)已經(jīng)根據(jù)設(shè)定的距離已經(jīng)停止運(yùn)行，此時(shí)?？康奈恢脽o(wú)法插入基板，因而伺服電機(jī)需要二次運(yùn)行來(lái)修正進(jìn)行距離。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

4 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 PLC選型

當(dāng)前PLC 產(chǎn)品多達(dá)數(shù)百中，不同廠家的產(chǎn)品在使用上相差甚遠(yuǎn)，基本性能也有較大差別。目前市場(chǎng)上使用主流的PLC 生產(chǎn)廠家有：美國(guó)艾倫-布拉德利(Allen-Bradley 簡(jiǎn)稱(chēng)A-B)公司、日本三菱(MITSUBISHI)電機(jī)公司、日本歐姆龍(OMRON)公司、德國(guó)西門(mén)子(SIEMENS)公司、法國(guó)施耐德(Schneider)公司等[2]?？紤]到使用行業(yè)、價(jià)格成本、使用習(xí)慣等因數(shù)，綜合分析決定采用日本三菱(MITSUBISHI)電機(jī)公司生產(chǎn)的FX 系列PLC 作為全自動(dòng)分板包裝機(jī)的控制器。

FX系列PLC是三菱PLC家族小型機(jī)的代稱(chēng)，F(xiàn)X3U是FX 系列中的一種，它支持高速處理、模擬量控制及高級(jí)定位系統(tǒng)，通過(guò)使用種類(lèi)豐富的功能擴(kuò)展板及特殊適配器，可實(shí)現(xiàn)高精度控制，基本指令運(yùn)算達(dá)到0．065us/指令，應(yīng)用指令0．642us/指令。使用帶程序傳送功能的閃存存儲(chǔ)器盒可實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)。實(shí)際控制的最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)可達(dá)到256 點(diǎn)[3-5]?？梢?jiàn)三菱FX 系列PLC 能夠滿(mǎn)足全自動(dòng)分板包裝機(jī)控制要求。

4.2 I/O分配

根據(jù)設(shè)備工藝控制要求的需要，有如下主要設(shè)備：

單相電機(jī)1 臺(tái)，伺服電機(jī)1 臺(tái)，步進(jìn)電機(jī)1 臺(tái)，負(fù)壓真空吸4個(gè)，光纖檢測(cè)開(kāi)關(guān)3個(gè)，光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)15個(gè)，上料門(mén)磁性開(kāi)關(guān)1個(gè)，7個(gè)雙線(xiàn)圈電磁閥和18個(gè)單線(xiàn)圈電磁閥共負(fù)責(zé)25個(gè)氣缸的動(dòng)作。

輸入端：

啟動(dòng)、停止、點(diǎn)動(dòng)、緊急停止：4 點(diǎn)；伺服電機(jī)保護(hù)：4點(diǎn)；步進(jìn)電機(jī)保護(hù)：2點(diǎn)；氣缸限位點(diǎn)：53點(diǎn)；光電傳感器：15點(diǎn)；光纖傳感器：3點(diǎn)；負(fù)壓開(kāi)關(guān)：4點(diǎn)；上料門(mén)磁性開(kāi)關(guān)：1點(diǎn)；以上輸入共計(jì)86點(diǎn)。

輸出端：

伺服電機(jī)：3點(diǎn)(含1個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn))；步進(jìn)電機(jī)：3點(diǎn)(含1個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn))；氣缸控制：32點(diǎn)；抽真空電磁閥：4點(diǎn)；推桿電機(jī)控制：2點(diǎn)；報(bào)警狀態(tài)指示：4點(diǎn)，以上輸出共計(jì)48點(diǎn)。

結(jié)合輸入/出的點(diǎn)數(shù)的數(shù)量，在考慮20%的備用量基礎(chǔ)上，選用三菱FX3U-128MR/ES可編程序控制器作為主控制模塊，兩塊FX2N-16EX 模塊作為數(shù)字量輸入的擴(kuò)展模塊。

4.3 系統(tǒng)控制邏輯圖

根據(jù)全自動(dòng)分板包裝機(jī)的控制要求，繪制控制邏輯圖，如圖2所示。

圖2 控制邏輯圖

4.4 控制系統(tǒng)的部分梯形圖

根據(jù)全自動(dòng)分板包裝機(jī)控制邏輯編寫(xiě)出系統(tǒng)的控制程序梯形圖，下面程序圖為上料模塊步進(jìn)電機(jī)回原點(diǎn)部分程序和自動(dòng)升降部分程序。

圖3 步進(jìn)電機(jī)回原點(diǎn)部分程序

圖4 步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)升降部分程序

5 結(jié)束語(yǔ)

全自動(dòng)分板包裝機(jī)投入使用后，設(shè)備各工位(上料、分板切割、包裝)接續(xù)正常，運(yùn)行節(jié)拍時(shí)間不超過(guò)7 秒/基板大板，分板、包裝125 片基板大板的總時(shí)間不超過(guò)15 分鐘。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中不需要人員參與，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高基板的包裝效率。設(shè)備操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、故障率低，節(jié)省了勞動(dòng)力成本，得到用戶(hù)的肯定，此設(shè)備值得推廣使用。