基于PLC的伺服定位控制系統(tǒng)在筷子烙印機(jī)上的應(yīng)用

1、基于PLC的伺服定位控制系統(tǒng)在筷子烙印機(jī)上的應(yīng)用祖龍起，田甜（大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 ，遼寧 大連 116034）摘要：介紹一種由伺服馬達(dá)、PLC、觸摸屏等設(shè)備來解決筷子烙印機(jī)的精確定位方法，運(yùn)用在新研制的筷子烙印機(jī)上，實(shí)現(xiàn)筷子烙印的精確定位、自動(dòng)烙印，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。關(guān)鍵詞：筷子烙印機(jī)；伺服控制；PLC；精確定位；中圖分類號(hào)：TP 274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A A application of sero motor Location system And PLC control used in Chopsticks Brand Machine Zu Long-qi Tia

2、n-tian(School of information Science & Engineering ,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,china)Abstract:This article main discuss the PLC,toach screen (PT),sero motor Location system and PLC control system used in Chopsticks Brand Machine On New Devolpment。Realize Automation Accurate Loca

3、tion In Chopsticks Brand Processsing。IncreaseEfficiency，Reduce Cost。Key words: Chopsticks Brand Machine; PLC;sero motor; sero motor Location system;引言在竹制或木制筷子上烙上各種精美的圖案，就使得原本價(jià)格低廉的普通筷子身價(jià)倍增，不僅提升了這種筷子的價(jià)格，而且還可以作為一種工藝品具有了收藏價(jià)值。目前國內(nèi)能生產(chǎn)這種筷子的生產(chǎn)廠家并不多，傳統(tǒng)的筷子烙印機(jī)的運(yùn)動(dòng)是用類似于沖床樣式的簡單機(jī)械來實(shí)現(xiàn)的，完全人工送料即基本依靠人工手拿筷子在一個(gè)固定模具上一支支的

4、給筷子烙印，這種方式生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)行噪音大，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本加大。如果使用伺服系統(tǒng)來控制筷子精確達(dá)到烙印模具位置，即被烙印筷子的精確定位，就可以一次烙印多支筷子，再加上PLC對(duì)機(jī)械手的自動(dòng)控制，生產(chǎn)效率就會(huì)有大幅度提高。本文介紹一種由筷子包裝機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)的筷子烙印機(jī)控制系統(tǒng)的研制，本控制系統(tǒng)采用三菱公司的Fx2N PLC作為中央控制系統(tǒng)，采用日本山洋伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確送料，一個(gè)用于筷子烙印的精確定位控制。同時(shí)本控制系統(tǒng)采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，能夠有效的監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況、顯示生產(chǎn)產(chǎn)量及修改系統(tǒng)參數(shù)。這種筷子烙印機(jī)一次可以同時(shí)對(duì)六根筷子烙印，大大的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕了工人的

5、工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了筷子烙印過程的自動(dòng)化。1. 筷子烙印機(jī)的工藝簡介筷子烙印機(jī)由筷子分料機(jī)構(gòu)(將成堆的筷子分開送至齒狀傳送帶槽位中)、筷子送料機(jī)構(gòu)（一個(gè)由伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)筷子前進(jìn)循環(huán)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳送機(jī)械帶）、筷子定位機(jī)構(gòu)（一種由汽缸驅(qū)動(dòng)完成上下前后運(yùn)動(dòng)的固定筷子的夾具）、機(jī)械手烙印機(jī)構(gòu)（也是由汽缸驅(qū)動(dòng)烙印模具上下運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)）等四部分機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。其中筷子定位和送料是同步進(jìn)行的，由光電檢測(cè)和齒狀傳送帶槽位對(duì)筷子送料的原始位置（原點(diǎn)）和烙印位置進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)PLC脈沖控制單元計(jì)算后，控制伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)筷子前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳送帶傳送至烙印位置上，然后由固定筷子的夾具（汽缸驅(qū)動(dòng)）機(jī)構(gòu)將筷子夾緊，之后由汽缸

6、驅(qū)動(dòng)烙印模具上下運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手完成筷子烙印動(dòng)作，筷子烙印機(jī)械手上帶有6個(gè)模具，因此一次可以同時(shí)對(duì)6根筷子進(jìn)行烙印形成成品，筷子烙印機(jī)械手退出以后，齒狀傳送帶又開始下一次送料循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其工藝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1 筷子烙印機(jī)工藝示意圖2.系統(tǒng)組成筷子烙印機(jī)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部分、PLC控制系統(tǒng)部分、伺服馬達(dá)部分、人機(jī)界面(觸摸屏)組成。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包括：筷子分料機(jī)構(gòu)(將成堆的筷子分開一根一根的傳送帶槽位中)，、筷子送料機(jī)構(gòu)（一個(gè)由伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)筷子前進(jìn)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳送機(jī)械帶）、筷子定位機(jī)構(gòu)（一種由汽缸驅(qū)動(dòng)完成上下前后運(yùn)動(dòng)的固定筷子的夾具）、機(jī)械手烙印機(jī)構(gòu)（也是由汽缸驅(qū)動(dòng)烙印模具上下運(yùn)動(dòng)的機(jī)

7、械結(jié)構(gòu)）。PLC控制系統(tǒng)包括：Fx2N-24MT PLC控制器、FX2N-1PG脈沖控制單元、氣動(dòng)電磁閥、驅(qū)動(dòng)繼電器；伺服控制部分包括：伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服馬達(dá)?？曜铀土蠙C(jī)構(gòu)按照一定的速度帶動(dòng)被烙印的筷子，把筷子準(zhǔn)確的送入烙印的位置上，是控制的關(guān)鍵所在，筷子間的間隔距離是由傳送帶上的檔格分開的，而六個(gè)模具間的間距與傳送帶上的檔格間距是相等的，因此必須要保證筷子被送入烙印膜時(shí)位置的準(zhǔn)確性，但長時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可能會(huì)因?yàn)闄C(jī)械損耗導(dǎo)致偏差，因此送料軸也需要定位信號(hào)檢測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏，檢測(cè)定位信號(hào)采用了紅外光電傳感器作為原點(diǎn)信號(hào)檢測(cè)，與送料機(jī)構(gòu)主軸同步參數(shù)實(shí)時(shí)跟隨，從而保證其運(yùn)動(dòng)控制與模具位置相一致。3控制系統(tǒng)

8、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)的硬件包括：接觸器、控制電源、PLC、脈沖模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等。對(duì)于筷子烙印機(jī)，采用三菱公司的FX2N-IPG是一款非常經(jīng)濟(jì)合適的運(yùn)動(dòng)控制器，配合三菱公司的整套系統(tǒng)產(chǎn)品，構(gòu)成一套完善的控制系統(tǒng)。其控制系統(tǒng)組成如圖2所示。 圖2 控制系統(tǒng)組成示意圖 3.1 人機(jī)界面?？紤]到經(jīng)濟(jì)實(shí)用，人機(jī)界面采用三菱公司的GOT930觸摸屏，在觸摸屏上可以進(jìn)行速度、產(chǎn)量。運(yùn)行監(jiān)視操作和運(yùn)行參數(shù)記錄，觸摸屏是系統(tǒng)的操作員站，人機(jī)對(duì)話簡單方便、系統(tǒng)組態(tài)便于修改和擴(kuò)充，并且觸摸屏具有可以長期穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。觸摸屏與CPU的通信協(xié)議采用RS232口連接。3.2 PLC選型。三菱FX2N系

9、列是Fx系列PLC家族中較常用的系列。由于該系列PLC具備如下特點(diǎn)：io最大可支持256點(diǎn)、程序執(zhí)行更快、全面增強(qiáng)通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足各種需要的大量特殊功能和網(wǎng)絡(luò)模塊?？紤]到此自動(dòng)機(jī)生產(chǎn)1組筷子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期時(shí)間為12秒，故外圍控制電路的動(dòng)作次數(shù)頻繁，所以選用晶體管輸出類型的PLC。本系統(tǒng)選用FX2N-32MT PLC。本控制系統(tǒng)PLC的地址分配如表1所示。 表1 I/O地址分配表輸 入輸 出輸入信號(hào)名稱輸入點(diǎn)地址元件名稱、代號(hào)輸出點(diǎn)地址伺服脈沖輸入X000夾緊油缸推動(dòng)電磁鐵Y001系統(tǒng)單速定位啟動(dòng)按鈕X001夾緊油缸拉動(dòng)電磁鐵Y002Y002夾具汽缸手動(dòng)上升按鈕X002刀

10、架縱向動(dòng)作電磁鐵YC3Y010手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)X003夾具汽缸上升Y011系統(tǒng)停X004夾具汽爪夾緊（左）Y012烙印汽缸手動(dòng)下降按鈕X005夾具汽爪夾緊（右）Y014筷子原點(diǎn)信號(hào)X006 烙印汽缸上升  夾具汽爪夾緊按鈕X007 烙印汽缸下降 Y015 夾具汽缸下降到位信號(hào)X011   夾具汽缸上升到位信號(hào)X012   烙印汽缸上升到位信號(hào)X013   烙印汽缸下降到位信號(hào)X014   3.3 脈沖控制模塊：本控

11、制系統(tǒng)脈沖發(fā)生單元采用三菱FX2N-1PG特殊定位模塊。FX2N-IPG脈沖發(fā)生單元可以完成一個(gè)獨(dú)立軸的簡單定位，通過該單元向伺服驅(qū)動(dòng)放大器提供指定數(shù)量的脈沖(最大5M PPS)來實(shí)現(xiàn)的。脈沖發(fā)生單元作為一個(gè)特殊的控制單元始終起作用，在PLC編程中使用FROMTO指令，并占用8點(diǎn)輸入或輸出與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)PLC可以連接高達(dá)8個(gè)脈沖發(fā)生單元，從而實(shí)現(xiàn)8個(gè)獨(dú)立的操作。脈沖發(fā)生單元與伺服驅(qū)動(dòng)單元的連接關(guān)系如圖3所示。圖中，F(xiàn)X2N-1PG模塊的輸出端有5個(gè)連接終端端子與伺服驅(qū)動(dòng)單元相連接。其中FP端為使伺服馬達(dá)正轉(zhuǎn)的脈沖列輸出端，RP端為使伺服馬達(dá)反轉(zhuǎn)的脈沖列輸出端，VIN端子為與伺服共用

12、的電源。COM端子為與伺服共用的電源地端。本設(shè)備的零點(diǎn)定位操作位信號(hào)采用PLC的端子進(jìn)行控制，因此FX2N-1PG模塊中的PG0端子未用。3.4伺服驅(qū)動(dòng)器：伺服驅(qū)動(dòng)器采用最早進(jìn)入中國的日本三洋公司的SANMOTION R系列RS1A03AA交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它具有響應(yīng)速度快、精度高、體積小，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。而且具有實(shí)時(shí)自動(dòng)增益調(diào)整功能，參數(shù)設(shè)置共有多達(dá)13組幾百個(gè)參數(shù)設(shè)置方法。速度響應(yīng)頻率達(dá)1000Hz，位置指令脈沖最大頻率可達(dá)5M脈沖/秒，具有位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、全閉環(huán)控制4種控制模式。本控制系統(tǒng)采用定位控制模式。 圖3 PLC脈沖輸出單元與伺服驅(qū)動(dòng)單元連接 RS1A03AA交流伺服

13、驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置:第一組Group0(自動(dòng)調(diào)整模式設(shè)定)參數(shù)設(shè)置：00(調(diào)整模式選擇)=00（自動(dòng)調(diào)整） 01(自動(dòng)調(diào)整特性設(shè)定)=00（通用定位控制） 02(調(diào)整響應(yīng)速率設(shè)定)=5（標(biāo)準(zhǔn)速率設(shè)定） 03(參數(shù)自動(dòng)保存設(shè)定)=00（參數(shù)自動(dòng)保存）10(自動(dòng)濾波器調(diào)整的轉(zhuǎn)矩指令值)=50（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值）20(自動(dòng)抑振頻率調(diào)整的轉(zhuǎn)矩指令值)=25（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值）21(自動(dòng)抑振頻率調(diào)整時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償量)=5（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值）第二組Group1(基本控制)參數(shù)設(shè)置：01(位置指令濾波器)=0.0（濾波器無效） 02(位置控制器的比例增益)=30（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值） 03(位置控制器的積分常數(shù))=1000（比例控制

14、）05(前饋補(bǔ)償增益)=20第八組Group8(控制系統(tǒng))參數(shù)設(shè)置：00（輸入極性位置、速度、轉(zhuǎn)矩指令）=00（位置、速度、轉(zhuǎn)矩均為正向即PC+_VC+_TC+）11(指令脈沖輸入選擇)=02 (符號(hào)+脈沖序列有效)12(指令脈沖輸入極性)=00(脈沖上升沿有效)15（電子齒輪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置值)=1/1（此處設(shè)為1/4）(2)電子齒輪功能用途：電子齒輪功能可以用來任意的設(shè)置每單位指令脈沖對(duì)應(yīng)的電機(jī)速度和位移量(脈沖當(dāng)量)當(dāng)上位控制器的脈沖發(fā)生能力(最高可輸出頻率)不足以獲得所需速度時(shí)，可以用電子齒輪功能(指令脈沖倍頻)來對(duì)指令脈沖作×m倍頻。用法：當(dāng)編碼器采用2000P/R，伺服馬達(dá)采用4

15、800RPM時(shí)，需編碼器脈沖為2000P/R*4倍=8000（P/R），即此時(shí)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)為8000。應(yīng)用：本控制系統(tǒng)中兩根筷子的間距為10mm，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈傳送帶移動(dòng)10mm，伺服電機(jī)每接受一個(gè)脈沖傳送帶移動(dòng)001mm。伺服馬達(dá)外配的減速齒輪的減速比為1：8。電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)f=10001×8=8000，所以設(shè)置f2=8000。4.系統(tǒng)軟件4.1 設(shè)計(jì)思想根據(jù)控制要求軟件的總體設(shè)計(jì)思想：通過觸摸屏點(diǎn)動(dòng)控制設(shè)置烙印機(jī)的原點(diǎn)位置，不論傳送帶處于任何位置必須先返回到原始檢測(cè)位置(原點(diǎn)位置的光電開關(guān))，PLC通過對(duì)原點(diǎn)位置檢測(cè)確認(rèn)以后，發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，控制伺

16、服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶移動(dòng)到烙印模位置之后停下來，然后再由PLC發(fā)出指令控制汽動(dòng)加熱后的烙模上下運(yùn)動(dòng)對(duì)筷子進(jìn)行烙印的。由于筷子被烙印的部位僅有5mm寬度，因此傳送帶傳送筷子精確到達(dá)烙印模位置就是設(shè)備的控制關(guān)鍵。因此原點(diǎn)位置設(shè)置及調(diào)整(或進(jìn)或退)就非常關(guān)鍵了。考慮到這一點(diǎn)，程序設(shè)計(jì)時(shí)，既有手動(dòng)調(diào)整原點(diǎn)，又有自動(dòng)尋找原點(diǎn)程序。所設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖4所示。圖4 軟件流程圖4.2程序編制 PLC程序編制軟件設(shè)計(jì)程序包括兩部分：觸摸屏監(jiān)視、操作記錄畫面組態(tài)和PLC控制程序。觸摸屏組態(tài)程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和發(fā)出控制命令，PLC控制程序的主要任務(wù)就是要控制伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶使筷子精確定位。定位是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)

17、鍵，應(yīng)用可編程控制器完成定位的方法很多，可供選擇的指令也很豐富，這里，我們采用三菱可編程控制器FX2N-1PG脈沖發(fā)生單元產(chǎn)生的正轉(zhuǎn)脈沖進(jìn)行當(dāng)前值增加計(jì)算，并將其保存至C235計(jì)數(shù)器中，在編程中使用FROMTO指令，驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)到烙模模位置，從而實(shí)現(xiàn)筷子精確定位。但計(jì)數(shù)必須從原點(diǎn)開始，因此上電和初始運(yùn)行時(shí)，必須執(zhí)行原點(diǎn)回歸，將機(jī)械動(dòng)作的原點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)事先寫入。PLC控制控制程序除伺服馬達(dá)控制程序外，還包括汽缸控制程序和保護(hù)控制程序。其中伺服馬達(dá)的控制程序是本控制系統(tǒng)的核心，它的控制是通過脈沖發(fā)生單元FX2N-IPG控制的。編程時(shí)首先要對(duì)FX2N-IPG單元內(nèi)部的緩沖存儲(chǔ)器(BFM)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)

18、置，然后在程序中用指令FROMTO實(shí)現(xiàn)，使之完成Fx2N-1PG與PLC之間的數(shù)據(jù)交換。Fx2N-1PG模塊內(nèi)部緩沖存儲(chǔ)區(qū)(BFM)的部分參數(shù)定義如表2所示。表2 Fx2N-1PG模塊內(nèi)部緩沖存儲(chǔ)區(qū)(BFM)的參數(shù)定義BMF地址編號(hào)位定義(讀/寫)高十六位低十六位B15B14B13B12B11B10B9B8B7B6B5B4B3B2B1B0#0脈沖速率（馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一圈所需要的脈沖數(shù)）132767PLS/REV 初始值：2000 PLS/REV#2#1進(jìn)給速率（馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一圈機(jī)械位移量）1999999（1um/R）初始值：1000 PLS/REV#3STOP輸入模式STOP輸入極性計(jì)數(shù)開始定時(shí)DOG輸

19、入極性原位返回方向旋轉(zhuǎn)方向脈沖輸出格式定位數(shù)據(jù)倍數(shù)馬達(dá)系統(tǒng)單位#5#4最大速度 1010000Hz 初始值： 100000Hz #6基本速度 Vbia 01000Hz 初始值： 0Hz#8#7JOG速度（點(diǎn)動(dòng)速度）VJOG 1010000Hz 初始值： 100000Hz#10#9原點(diǎn)返回速度（高速返回）VRT 1010000Hz 初始值： 50000Hz#11原點(diǎn)返回速度（爬行速度返回）VCT 1010000Hz 初始值： 1000Hz#12用于原點(diǎn)返回的0點(diǎn)信號(hào)數(shù)目N 032767 PLS 初始值： 10PLS #14#13原點(diǎn)位置 HP 0±999999 初始值： 0#15加/減

20、速時(shí)間（Vbia Vmax之間的時(shí)間） Ta 505000ms 初始值： 100 ms 4.2.1.1 IPG模塊初始化設(shè)置程序控制程序在執(zhí)行過程中，要對(duì)IPG模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，包括模塊參數(shù)、計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)、烙印時(shí)間、汽爪夾緊初始值等參數(shù)的設(shè)置，參數(shù)程序如圖5所示。圖5 參數(shù)設(shè)置程序4.2.1.2定位控制 定位控制采用計(jì)數(shù)方法。計(jì)數(shù)采用加計(jì)數(shù)，通過觸摸屏寫進(jìn)D100，然后再傳入C235，首先要啟動(dòng)計(jì)數(shù)器C235接收伺服電機(jī)的脈沖數(shù)，設(shè)置適當(dāng)?shù)拿}沖輸出頻率，根據(jù)脈沖數(shù)來比較設(shè)定值與當(dāng)前值，通過比較結(jié)果計(jì)算出IPG模塊的輸出脈沖參數(shù)，然后確定輸出電機(jī)的停止位置。定位控制程序如圖6所示。 圖6 定位控制程序4.2.1.3 確定原點(diǎn)筷子定位的準(zhǔn)確度取決于原點(diǎn)位置。因此本設(shè)計(jì)中以光電傳感器檢測(cè)筷子輸送帶中第一根筷子料槽中是否有筷子為筷子原點(diǎn)。也可以通過觸摸屏來完成。程序如圖7所示。 圖7 確定原點(diǎn)程序.4 傳送帶行走、定位清零程序如前已述，本設(shè)備的工作原理以光電傳感器檢測(cè)筷子輸送帶中第一根筷子料槽中是否有筷子為原點(diǎn)，從原點(diǎn)開始計(jì)算出第一根筷子料槽到達(dá)被烙印的位置所需的脈沖數(shù)，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶輸送至該位置后停止，然后完成烙印工作的。光電傳感器檢測(cè)筷子位置計(jì)算是從光電檢測(cè)傳感器