雙組分點(diǎn)膠機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和PLC 控制系統(tǒng)研究

施 恩

（山西應(yīng)用科技學(xué)院，太原 030062）

在實(shí)際運(yùn)行過程中，傳統(tǒng)點(diǎn)膠機(jī)很容易發(fā)生控制系統(tǒng)穩(wěn)定性偏低、出膠精度不理想、機(jī)械設(shè)計(jì)效率不高等問題，降低了涂膠質(zhì)量。因此，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化點(diǎn)膠機(jī)結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)點(diǎn)膠機(jī)點(diǎn)膠作業(yè)的不足。

1 雙組分點(diǎn)膠機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路與要點(diǎn)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)雙組分點(diǎn)膠機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)期間，引入SolidWorks 軟件，完成對雙組分點(diǎn)膠機(jī)的三維建模。選用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，選用滾珠絲杠作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，依托氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)擠出膠液操作，同時(shí)應(yīng)用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）搭建雙組分點(diǎn)膠機(jī)的控制系統(tǒng)[1]。雙組分點(diǎn)膠機(jī)可細(xì)分為機(jī)械定量子系統(tǒng)、電動(dòng)子系統(tǒng)、氣動(dòng)子系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)以及支撐子系統(tǒng)。其中：機(jī)械定量子系統(tǒng)內(nèi)引入了伺服驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置和定量缸裝置；電動(dòng)子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了伺服驅(qū)動(dòng)單元、人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）監(jiān)視控制單元以及PLC 信號(hào)控制單元；氣動(dòng)子系統(tǒng)內(nèi)加設(shè)了控制系統(tǒng)，以控制氣動(dòng)元件的通斷。

1.2 底板有限元仿真

1.2.1 雙組分點(diǎn)膠機(jī)的底板模態(tài)分析

在雙組分點(diǎn)膠機(jī)的底板模態(tài)分析中，主要選用有限元分析軟件進(jìn)行仿真。在軟件內(nèi)添加模型材料屬性，選用Structural Steel 材料，設(shè)定材料密度值為7 850 kg·m-3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3；使用四面體劃分單元法劃分網(wǎng)格，將模型劃分為54 451 個(gè)單元體，設(shè)定節(jié)點(diǎn)94 802 個(gè)。底板加工期間會(huì)受到底板圓孔上的位移限制，因此將固定約束加設(shè)在底板圓孔面，并在此基礎(chǔ)上實(shí)施模態(tài)分析[2]。

按照相關(guān)操作流程，獲得底板模態(tài)分析結(jié)果顯示，模態(tài)階數(shù)1至模態(tài)階數(shù)6對應(yīng)的頻率分別為1 036.7 Hz、1 063.7 Hz、1 103.8 Hz、1 167.6 Hz、1 283.4 Hz、1 300.6 Hz。其中：第1 階模態(tài)結(jié)果（固有頻率，圖1）與第2 階模態(tài)結(jié)果（圖2）之間的差異性并不明顯；第6 階模態(tài)結(jié)果（圖3）顯示的振動(dòng)頻率較大。可見，模態(tài)階數(shù)升高時(shí)，振動(dòng)頻率隨之增大。雙組分點(diǎn)膠機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行期間產(chǎn)生的激振頻率相對較小，遠(yuǎn)低于底座固有頻率，因此工作期間不會(huì)發(fā)生共振，能夠安全運(yùn)行。

圖1 第1 階模態(tài)結(jié)果

圖2 第2 階模態(tài)結(jié)果

圖3 第6 階模態(tài)結(jié)果

1.2.2 雙組分點(diǎn)膠機(jī)的底板靜力學(xué)分析

使用ANSYS Workbench 進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)：添加模型材料屬性，材料及參數(shù)同上；利用四面體劃分單元法劃分網(wǎng)格，底座表面使用20 mm 裝配體，其他位置自由劃分網(wǎng)格，將模型劃分為141 950 個(gè)單元體，設(shè)定節(jié)點(diǎn)260 577 個(gè)；在多模型內(nèi)設(shè)置固定約束，在底板面與橫梁連接位置投入固定支撐；在輸出位置添加反方向扭矩；實(shí)施靜力學(xué)分析。

在受到外力作用下，底座產(chǎn)生的應(yīng)力最大值為48.634 MPa，主要集中在底座中間位置，應(yīng)力最小值為0.000 MPa。雖然應(yīng)力集中程度明顯，但是產(chǎn)生的最大應(yīng)力值一直低于材料自身屈服和抗拉強(qiáng)度極限，因此并不會(huì)損壞底座，能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)

利用VB 和SolidWorks 軟件參數(shù)化開發(fā)系統(tǒng)，分層設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能層和系統(tǒng)工具層。實(shí)踐中，參考模塊劃分規(guī)則，在Visual Basic 編程軟件內(nèi)進(jìn)行二次開發(fā)，應(yīng)用應(yīng)用程序接口搭建相應(yīng)的模板。此外，在Access 數(shù)據(jù)庫內(nèi)保存工程數(shù)據(jù)信息，支持自動(dòng)化建模和對工程數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲(chǔ)以及調(diào)取，縮短設(shè)計(jì)周期，降低復(fù)雜程度，完成對雙組分點(diǎn)膠機(jī)的模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2 雙組分點(diǎn)膠機(jī)PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與要點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 PLC

引入CP1H-XA-40DT-D 型號(hào)的PLC，配置4 軸脈沖輸出功能，以控制雙組分點(diǎn)膠機(jī)，并實(shí)現(xiàn)精度更高的定位控制。系統(tǒng)需具備高速計(jì)數(shù)器功能標(biāo)配相位差4 軸，有效滿足高速脈沖輸入需求。系統(tǒng)還需具備強(qiáng)大的串行通信功能。此外，內(nèi)設(shè)2 點(diǎn)輸出信號(hào)和4 點(diǎn)輸入信號(hào)，可以在不進(jìn)行模塊擴(kuò)展的條件下，滿足控制系統(tǒng)信號(hào)采集與輸出方面的現(xiàn)實(shí)需求。

2.1.2 伺服控制系統(tǒng)

在定量機(jī)構(gòu)定位的支持下，雙組分點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定量。因此，設(shè)計(jì)中伺服驅(qū)動(dòng)器的控制方式選為位置控制模式。在伺服控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行期間，需要高速脈沖輸入與輸出信號(hào)、伺服驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)、伺服報(bào)警信號(hào)以及故障清除信號(hào)。由于兩組分量的不同，在雙組分點(diǎn)膠機(jī)內(nèi)需要引入兩種伺服系統(tǒng)[3]。

伺服系統(tǒng)采用MHMF082L1U2M 型號(hào)伺服馬達(dá)+MCDLT35SF 型號(hào)驅(qū)動(dòng)器，相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 伺服系統(tǒng)參數(shù)

2.1.3 光電開關(guān)

在雙組分點(diǎn)膠機(jī)的定量機(jī)構(gòu)內(nèi)，需要投放光電開關(guān)的位置為兩處，即定量機(jī)構(gòu)正負(fù)向切換出膠位置和定量機(jī)構(gòu)的正負(fù)極限位置，分別承擔(dān)對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行檢測、對切換是否到位進(jìn)行檢測的任務(wù)。其中：在定量機(jī)構(gòu)正負(fù)向切換出膠位置，實(shí)際提供給光電開關(guān)的安裝空間較大，因此選定分離放大器型光電傳感器；在定量機(jī)構(gòu)的正負(fù)極限位置，實(shí)際提供給光電開關(guān)的安裝空間較小，因此選定小型導(dǎo)線式微型光電傳感器。

2.1.4 觸摸屏

觸摸屏實(shí)際承擔(dān)的任務(wù)較多且支持人機(jī)交互，因此選定NPS-MQ000B 型號(hào)的觸摸屏。該型號(hào)觸摸屏支持即時(shí)報(bào)警，且數(shù)據(jù)顯示簡潔、方便，具備保密功能，應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)雙組分點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)可以細(xì)分為控制單元、出膠子系統(tǒng)、定量子系統(tǒng)以及供膠子系統(tǒng)等[4]。出膠子系統(tǒng)和供膠子系統(tǒng)受機(jī)械閥和電磁閥的控制，結(jié)合應(yīng)用傳感器檢測單元，檢測雙組分點(diǎn)膠機(jī)流體供給液位、正反向出膠切換閥門和定量子系統(tǒng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)限位[5]?？刂茊卧械腜LC 主要控制輸入子系統(tǒng)、輸出子系統(tǒng)以及定量子系統(tǒng)的運(yùn)行。定量子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，伺服控制器接收PLC 所發(fā)的指令，并控制系統(tǒng)啟停。

對系統(tǒng)進(jìn)行通電并促使其轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)后，合理設(shè)定出膠速度和出膠量，選定合適的出膠模式，控制系統(tǒng)歸零。此時(shí)，外部啟動(dòng)觸發(fā)定量子系統(tǒng)展開往復(fù)運(yùn)動(dòng)，傳感器單元實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，故障監(jiān)測程序動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行故障，并發(fā)出提示信息。利用聲光裝置和觸摸屏，信息能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地傳遞至外部。

2.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

設(shè)置觸摸屏直觀顯現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備PLC 中開關(guān)量的狀態(tài)和寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)變量值；監(jiān)控畫面組態(tài)，提升組態(tài)軟件生成人機(jī)界面畫面的簡單度；配置多個(gè)通信接口，提供更強(qiáng)的通信功能支持；編譯與下載項(xiàng)目文件，快速將畫面、設(shè)置的信息轉(zhuǎn)換為人機(jī)界面能夠識(shí)別與執(zhí)行的信息。新建工程后，結(jié)合對控制系統(tǒng)的分析結(jié)果，在觸摸屏內(nèi)顯現(xiàn)主頁面、數(shù)據(jù)監(jiān)視、壓力參數(shù)、報(bào)警履歷、輸入輸出狀態(tài)、手動(dòng)測試、硬化保護(hù)、出膠參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)以及工件設(shè)定等功能菜單，并支持相關(guān)工作人員結(jié)合現(xiàn)實(shí)功能需要選定對應(yīng)功能菜單完成各項(xiàng)操作。

3 結(jié)語

雙組分點(diǎn)膠機(jī)設(shè)置了機(jī)械定量子系統(tǒng)、電動(dòng)子系統(tǒng)、氣動(dòng)子系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)以及支撐子系統(tǒng)，投放PLC、伺服控制系統(tǒng)、光電開關(guān)、觸摸屏等硬件構(gòu)件，優(yōu)化設(shè)計(jì)PLC 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)雙組分點(diǎn)膠機(jī)運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)性監(jiān)控與管理，維護(hù)了雙組分點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。