3411 手機電池標簽包裝機控制系統(tǒng)設計,手機電池,標簽,裝機,控制系統(tǒng),設計 手機電池標簽包裝機控制系統(tǒng)設計摘要貼標機是一種自動化程度高、復雜系數(shù)大的機電一體化產(chǎn)品,主要用于化妝品, 保健品、日用品、食品和電池等行業(yè)的包裝。由于貼標機較為復雜, 制造難度大, 目前這方面的需求大多依賴進口,而國外貼標機的價格十分昂貴,很難被我國市場所接受。本文研究和開發(fā)一種自動化程度高，結(jié)構(gòu)簡單，操作可靠的手機電池自動貼標機具有重要的實際價值。本文以研究和開發(fā)全自動的貼標機為目標，主要完成的工作有：1、對手機電池的貼標工藝做了深入研究，完成了貼標機的控制系統(tǒng)部分設計，應用三菱公司的 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 實現(xiàn)電氣部分設計和控制程序的實現(xiàn)。2、為了實現(xiàn)貼標機高精度的性能，本文改進了普通兩相混合式步進電機的閉環(huán)控制方法，并根據(jù)位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型，分別設計了 PID 控制器和模糊控制器，3、繪制電路連接圖，編寫 PLC 控制程序。關鍵詞：自動貼標機，可編程控制器，模糊控制，串口通信AbstractLabeling machine is a high degree of automation, complex factor is big electromechanical integration products, mainly used for cosmetics, health care products, daily necessities, food and battery industries of packing. Because labeling machines is relatively complex, manufacturing is difficult, at present the most demand dependence on imports, and foreign labeling machines price is very expensive and difficult to China's market place is accepted. This paper research and development and a high degree of automation, simple structure, reliable operation of the cell phone battery to be automatic labeling machine has important practical value. Based on the research and development of the automatic labeling machines as the goal, the main completed work:1. The labeling process on the wafer to do in-depth studies, completed the labelingmachine control system design, application of keyence’s FX2N-32MR-E/UL Series PLC to achieveelectrical design and control procedures can be achieved.2. In order to achieve high precision performance labeling machine, the paper improved the ordinary two-phase hybrid stepping motor of the closed-loop control method, and in accordance with location Servo System mathematical model designed PID controller and the fuzzy controller.3． Draw circuit connection diagram, writing PLC control procedures.Key words: automatic labeling machines, programmable controller, fuzzy control, serial目 錄摘要 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------IAbstract--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------II第 1 章 緒論 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------11.1 貼標機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 -------------------------------------------------------------------------11.2 PLC 與其它工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 -----------------------------------------------------------------------21.2.1 PLC 與繼電器控制系統(tǒng)的比較 -----------------------------------------------------------------21.2.2 PLC 與單片機控制系統(tǒng)比較 --------------------------------------------------------------------31.3 PLC 在全自動包裝機上的應用 --------------------------------------------------------------------------41.4 本課題研究內(nèi)容 ---------------------------------------------------------------------------------------------4第 2 章 貼標機的功能分析和總體設計 -----------------------------------------------------------------------62． 1 手機電池貼標機的功能分析 --------------------------------------------------------------------------62.2 系統(tǒng)整體方案設計 ----------------------------------------------------------------------------------------62.2.1 系統(tǒng)的整體架構(gòu) -----------------------------------------------------------------------------------62.2.2 手機電池貼標機的原理及工作過程 ---------------------------------------------------------72.3 本章小節(jié) ------------------------------------------------------------------------------------------------------8第 3 章 貼標機系統(tǒng)硬件的設計 ---------------------------------------------------------------------------------93.1 下位機控制系統(tǒng)的選型 ----------------------------------------------------------------------------------93.1.1 PLC 技術的簡介 ------------------------------------------------------------------------------------93.1.2 可編程控制器的選型 ---------------------------------------------------------------------------103.1.3 伺服系統(tǒng)步進電機和絲杠選型 -------------------------------------------------------------113.2 下位機控制系統(tǒng)的硬件配置 --------------------------------------------------------------------------113.2.1 下位機控制硬件配置要求 --------------------------------------------------------------------113.2.2 PLC 輸入輸出信號地址分配 ------------------------------------------------------------------133.3 系統(tǒng)主電路設計 -------------------------------------------------------------------------------------------153.3.1 電源供電模塊 -------------------------------------------------------------------------------------153.3.2 系統(tǒng)控制總電路圖 -------------------------------------------------------------------------------173.4 PLC 系統(tǒng)控制電路設計 ----------------------------------------------------------------------------------173.4.1 PLC 分塊介紹 --------------------------------------------------------------------------------------173.4.2 PLC 總接線圖 --------------------------------------------------------------------------------------183.3 本章小節(jié) ----------------------------------------------------------------------------------------------------19第 4 章 控制系統(tǒng)軟件設計 --------------------------------------------------------------------------------------204.1 下位機 PLC 程序的實現(xiàn) -------------------------------------------------------------------------------204.1.1 PLC 程序執(zhí)行的基本原理 ----------------------------------------------------------------------204.1.2 下位機程序的實現(xiàn) ------------------------------------------------------------------------------224.1.3 PLC 輸入量的處理 -------------------------------------------------------------------------------224.1.4 模糊控制 PLC 程序設計 ----------------------------------------------------------------------234.2 通信程序的設計 ------------------------------------------------------------------------------------------254.2.1 上位機與 PLC 串口通信的協(xié)議 ------------------------------------------------------------254.2.2 下位機通信程序設計 ---------------------------------------------------------------------------284.3 系統(tǒng)控制部分梯形圖設計 ------------------------------------------------------------------------------294.3.1 貼標機控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖 -------------------------------------------------------------304.3.2 plc 控制步進電機程序 --------------------------------------------------------------------------314.3.3 plc 控制電磁閥程序 -----------------------------------------------------------------------------33第 5 章 結(jié)論與展望 ------------------------------------------------------------------------------------------------355.1 全文總結(jié) ----------------------------------------------------------------------------------------------------355.2 研究展望 ----------------------------------------------------------------------------------------------------35參考文獻 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------III1第 1 章 緒論1.1 貼標機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢早在上世紀 70 年代，歐美等發(fā)達國家就開始應用標簽來管理產(chǎn)品。標簽技術是利用標簽上的產(chǎn)品的重要信息。將標簽貼付在產(chǎn)品或者商品上一件繁瑣的工作，傳統(tǒng)的貼標是靠人工手動貼標，先將標簽剝離，然后貼在產(chǎn)品上。不僅工人勞動強度大、貼標順序難以一一對應；而且不便于管理、誤差較高和造成標簽的二次污染。隨著自動化技術的發(fā)展和制造行業(yè)的產(chǎn)品管理水平的提高，越來的越多的廠家傾向于使用一種高速自動貼標機器，不僅可以改善貼標質(zhì)量，而且可以極大的提高貼標速度；降低勞動力成本。貼標機的分類方法多樣。按自動化程度，貼標機可分為半自動貼標機和全自動貼標機：按容器的運行方向可分為立式貼標機和臥式貼標機；按標簽的種類可分為片式標簽貼標機、卷筒狀標簽貼標機、熱粘性標簽貼標機和感壓性標簽貼標機，收縮筒形標簽貼標機：按容器的運動形式可分為直通式貼標機和轉(zhuǎn)盤式貼標機；按貼標機結(jié)構(gòu)可分為龍門式貼標機、真空轉(zhuǎn)鼓式貼標機、多標盒轉(zhuǎn)鼓貼標機、撥桿貼標機、旋轉(zhuǎn)形貼標機;按貼標工藝特征可分為壓式貼標機、滾壓式貼標機、搓滾式貼標機、刷撫式貼標機等。目前，主要的自動貼標技術有三種 [1]：(1)“吸貼法”(或“氣吸法”)這是最常用的貼標技術。當標簽紙離開傳送帶后，分布到真空墊上，真空墊連接到一個機械裝置的末端。當這個機械裝置伸展到標簽與包裝件相接觸后，就收縮回去，此時就將標簽貼附到包裝件上。這種技術可靠地實現(xiàn)正確地貼標，且精度高，這種方法對于產(chǎn)品包裝件的高度有一定變化的頂部貼標，或?qū)τ陔y于搬動的包裝件側(cè)面貼標是非常適用的，但是它的貼標速度較慢。(2)“吹貼法”(或“射流法”)這種技術的某些運作方式與上述所吸貼法相似的，就是將標簽放置到真空表面墊上固定，直到貼附動作開始為止。但在本方法中真空表面是保持不動的，標簽固定和定位在一個“真空柵”上， “真空柵”為一個上面具有幾百個小孔的平面，這些小孔是用來維持形成“空氣射流”的。由這些“空氣射流”吹出一2股壓縮空氣，壓力很強，使真空柵上標簽移動，讓它貼附到被包裝物品上。這是一項稍具復雜性的技術，它具有較高的精度和可靠性。(3)“擦貼法”(或“刷貼法”)第三種貼標方法稱為同步貼標法，也可稱作“擦貼法” 、 “刷貼法”或“接觸粘貼法” 。在貼標時，當標簽的前緣部分粘附到包裝上后，產(chǎn)品就馬上帶走標簽。在這一種貼標機中，只有當包裝件通過速度與標簽分配速度一致時，這種方法才能成功。這是一項需要維持連續(xù)作業(yè)的技術。此外，為使標簽的貼附滿足完整恰當?shù)囊螅袼⒆踊驖L筒那樣的第二套裝置也是不可缺少的。隨著自動化水平的提高，特別是伺服電機和步進電機控制技術的發(fā)展以及 MRPII 和 ERP 等生產(chǎn)管理系統(tǒng)的出現(xiàn)貼標機向著以下幾個發(fā)展方向:(1)工件或產(chǎn)品搬送的驅(qū)動改為步進電機或者伺服電機來傳動滾珠絲杠，代替了傳統(tǒng)上用氣缸驅(qū)動工件，大大的提高了貼標機在搬送工件的過程中的定位控制精度，改善了貼標質(zhì)量。(2)自動化程度不斷提高，過去的手工半手工的復雜作業(yè)，己被半自動或自動的貼標機所取代，且逐漸向控制智能化的方向發(fā)展。(3)先進的機電技術和新元件被綜合應用于貼標機中，并通過采用先進的設計方法提高產(chǎn)品設計質(zhì)量，縮短制造周期。貼標機作為包裝生產(chǎn)線的一個重要組成部分，直接影響到包裝質(zhì)量，因此要努力提高貼標質(zhì)量，根據(jù)貼標要求從設計、制造、裝配、調(diào)試等方面綜合考慮，以較低的成本滿足貼標機的功能要求。1.2 PLC 與其它工業(yè)控制系統(tǒng)的比較1.2.1 PLC 與繼電器控制系統(tǒng)的比較繼電器控制是采用硬接線邏輯，利川繼電器觸點的串、并聯(lián)及時問繼電器的延遲動作來組成控制邏輯，其缺點是一個系統(tǒng)一日.確定就很難輕易再改動。如果要在現(xiàn)場做一些更改和擴展更是難以實行。而 PLC 是利用其內(nèi)部的存儲器以數(shù)據(jù)形式將控制邏輯存儲起來的，所以只要改變 PLC 內(nèi)存儲器的內(nèi)容，也就可以實現(xiàn)更改控制邏輯的目的。對一」飛 PLC 來講，只要用 PLC 配備的編程器在現(xiàn)場就可以完成更改。至于 PLC 對外部灼聯(lián)系，只有 I/O 點，只要輸入輸出對象不變，就無須對硬接線作任何改動。3繼電器控制邏輯是依靠觸點的機械動作來實現(xiàn)的。工作頻率很低。一次動作一般為數(shù)十毫秒。對于復雜的控制，使用的繼電器越多，反應就越慢。而PLC 是以微型計算機為基礎的控制裝置，其運行速度為每個指令步數(shù)十微秒(對于高速 PLC 則是 5 微秒以下) 。并且內(nèi)部有嚴格的同步，所以不會出現(xiàn)抖動的問題。對于限時控制，繼電器是利用時問繼電器的延時動作來實現(xiàn)的。由于時間繼電器是利用空氣陽力，半導體延時電路來實現(xiàn)延時的，所以其定時精度低，調(diào)整不一方便。且環(huán)境溫度變化等因素都會對定時精度有直接的影響。而 PLC則是由晶體振蕩器所產(chǎn)生的脈沖經(jīng)多次分頻后得到的時基脈沖進行計數(shù)來定時的，定時范圍一般為 0.1 秒，也有 0.01 秒的，精度一般高于 10 毫秒，只要根據(jù)需要由編程器送入時間常數(shù)即可實現(xiàn)定時時間的設定或更改。由于 PLC 的定時是對時基脈沖進行計數(shù)來實現(xiàn)的，所以如果是對脈沖進行計數(shù)，就成為計數(shù)器?，F(xiàn)代的 PLC 一般都具有定時器和計數(shù)器功能。從可靠性和可維護性方面來看，繼電器控制邏輯由于使用了大量的機械觸點，連接線一也多，觸點開閉時產(chǎn)生的電弧會使觸點損壞，動作時的機械振動還可能使接線松動，所以可靠性和可維護性都較差。而 PLC 則采用了無觸點的電子電路來替代繼電器觸點，確切地說是用存貯器內(nèi)的數(shù)據(jù)來代替觸點，因此不存在下述缺點。而且體積小、功耗小、壽命長、可靠性高、還具有監(jiān)控功能和自檢功能，使程序的運行過程成為透明。1.2.2 PLC 與單片機控制系統(tǒng)比較雖然單片機的配置較微機系統(tǒng)簡單，成本也較易接受，擔它仍然不是為工業(yè)控制而設計的。同樣存在著編程難、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍較差，成本高等缺點。盡管其有較強的數(shù)據(jù)處理能力，但工業(yè)控制都為開關量控制，所以其長處仍得不到發(fā)揮。單片機與 PLC 的比較：在很大程度上，單片機是專一為工業(yè)控制而設計的。因此，它具有較好的環(huán)境適應性。事實上，現(xiàn)代 PLC 的核心就是單片微處理器。用單片機作控制部件在成本方面具有優(yōu)勢。們是不可否認，從單片機到工業(yè)控制裝置之間畢竟有一個硬件開發(fā)和軟件開發(fā)的過程。雖然 PLC 也有必不可少的軟件開發(fā)過程，但兩者所用的語言差別很大，單片機主要使用匯編語言開發(fā)軟件。而 PLC 用專用的指令系統(tǒng)來編程的。前者復雜而易出錯，開發(fā)周期長。后者簡便易學，現(xiàn)場就可以開發(fā)調(diào)試。4單片機控制系統(tǒng)僅適用于較簡單的自動化項日。硬件上主要受 CPU、內(nèi)存容量及 I /O 接口的限制；軟件上主要受限于與 CPU 類型有關的編程語言。一般說來單片機或單片機系統(tǒng)的應用只是為某個特定的戶二品服務的。其通用性、兼容性和擴展性都相當差。1.3 PLC 在全自動包裝機上的應用包裝機械的最大特點是動作復雜、頻繁，具有較多的執(zhí)行元件。在這種場合使用繼電器控制邏輯必然需要大量的中間繼電器，而這些中間繼電器在用PLC 控制的情況下，就可以對其內(nèi)部的輔助繼電器進行編程后來取代。從物理介質(zhì)方面來講，前者是要用具體的電氣元件來組合，而后者只是 PL 的內(nèi)部寄存器，在 PLC 編程容量許可的范圍內(nèi)，可以不花費額外的費用來實現(xiàn)復雜的控制邏輯。一般的 PLC 都有上百點內(nèi)部輔助繼電器甚至更多，而且還有多種專用的內(nèi)部電器，足可以應付一般的控制要求甲唯一需要做的一「作就是對 PLC 進行編程。事實上 PLC 用于這種場合是最能顯現(xiàn)出其經(jīng)濟性的，然我們不能忽視了PLC 的另一個優(yōu)點，那就是其運行速度及可靠性和壽命遠高于繼電器控制方式，從上述意義上來講，PLC 最適合于需要大量中間繼電器的場合。且 PLC 與其他工業(yè)控制系統(tǒng)比較具有許多優(yōu)點：更改控制邏輯只需修改軟件，無需對硬件作改動，程序可以復制，批量生產(chǎn)很容易，電氣硬件設計大人簡化。由于 PLC 除有繼電器功能外，尚有多種其他功能，可以實現(xiàn)繼電器無法實現(xiàn)的控制功能，實現(xiàn)某種程度上的智能化，并有可能使機構(gòu)簡化，可靠性高；成本相對于繼電器控制稍高，但繼電器控制隨著所用中間繼電器數(shù)量的增加，成本急驟上升，而 PLC 控制幾乎保持不變，這一點對于復雜的控制來講具有無可比擬的優(yōu)越性；因此，國外在注塑機、各種包裝機上已經(jīng)大量地采用了 PLC 來取代傳統(tǒng)的繼電器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。我國包裝機械目前控制部件大多還沿用繼電器方式。如果能用 PLC 來取代的話，則可以簡化機械結(jié)構(gòu)，機械和電氣設計都可以得到簡化。更重要的是可以使原來無法實現(xiàn)的某些功能得以實現(xiàn)，是機器在某種程度上實現(xiàn)科能化。通5過對各種控制系統(tǒng)的分析比較，我們決定采用 PLC 控制系統(tǒng)。1.4 本課題研究內(nèi)容現(xiàn)代市場上可以直接購買的貼標機雖然種類繁多，但是不僅價格昂貴，而且只是適應某些產(chǎn)品的貼標要求，貼標的通用性不強。貼標機大多針對產(chǎn)品的商標貼標，都是將標簽直接貼在產(chǎn)品或者包裝件上，因此沒有上位機參與管理。本課題具體主要研究內(nèi)容如下：（1）據(jù)貼標機的加工工序、工藝路線和工位參數(shù)，對貼標機設計作了功能性分析。完成貼標機的貼標整體機構(gòu)設計，實現(xiàn)氣動機械手的取標，貼標過程的電氣控制，完成控制柜的電氣原理圖設計和接線圖設計，實現(xiàn)機-電- 氣一體化。（2）為了實現(xiàn)電池搬送位置伺服系統(tǒng)的高精度和較好的快速性，本文討論了步進電機的位置伺服系統(tǒng)的升降曲線,根據(jù)模型導出初 PID 控制參數(shù)以及 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)。并介紹了模糊控制的結(jié)構(gòu)，步進電機位置伺服系統(tǒng)模糊控制算法的實現(xiàn)，并結(jié)合傳統(tǒng)的 PID 控制和模糊控制的。（3）實現(xiàn) PLC 控制程序的實現(xiàn)，包括系統(tǒng)氣動 PLC 程序，包括氣缸貼標動作的控制和步進電機位置伺服系統(tǒng)的模糊 PID 控制。6第 2 章 貼標機的功能分析和總體設計2．1 手機電池貼標機的功能分析根據(jù)貼標工藝和要求，本論文設計手機電池貼標機必須滿足以下設計功能要求：（1）將標簽精確的貼在手機電池上。要實現(xiàn)這一功能必須對電池抽屜盒進給量進行精確定位控制。需要設計一個精確的位置伺服系統(tǒng)，要求手機電池在上升位移量過程中無位置靜差、無超調(diào)或者小超調(diào)、響應速度快和系統(tǒng)的動態(tài)性能好。（2）要求所有動作自動運行，無須人工參與，通過控制系統(tǒng)完成所有動作協(xié)調(diào)和連續(xù)執(zhí)行。（3）有良好的人機交互式界面，通過上位機的監(jiān)控界面可以對設備的良好的操作，如對通過計算機可以對設備的單步和連續(xù)自動運行。要實現(xiàn)這一功能就必須對 PLC 的位遠見，如輸出點、中間繼電器點和定時器點可在在上位機的人機交互式界面進行操作。通過上位機 RS232 串口通信來對可編程控制器內(nèi)部輸入、輸出點、定時器和中間繼電器進行讀寫操作。2.2 系統(tǒng)整體方案設計2.2.1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)本文設計的手機電池貼標機的控制系統(tǒng)主要是自動貼標系統(tǒng)的控制，該系統(tǒng)涉及計算機、通信、機械、人工智能等多個技術領域的理論知識。根據(jù)上一節(jié)貼標機的設計功能要求，擬采用工控機用來作為上位機，以三菱的 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 作為下位機。手機電池自動貼標機的整體設計方案框圖如圖 2.1 所示：7圖 2.1 系統(tǒng)整體設計方案框圖由圖 2.1 分析可以得出，PLC 控制系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的下位機，主要負責標簽貼標動作控制，如：氣動電磁閥的控制貼標、吸附標簽、氣動機械手搬送電池、電池盒搬送系統(tǒng)位置伺服步進電機的精確定位控制。2.2.2 手機電池貼標機的原理及工作過程原理：工作過程的開始是箱子在傳送帶上以一個不變的速度向貼標機進給。機械上的固定裝置將箱子之間分開一個固定的距離，并推動箱子沿傳送帶的方向前進貼標機的機械系統(tǒng)包括一個驅(qū)動輪，一個貼標輪，和一個卷軸。驅(qū)動輪間歇性地拖動標簽帶運動，標簽帶從卷軸中被拉出，同時經(jīng)過貼標輪貼標輪會將標簽帶壓在箱子上。在卷軸上采用了開環(huán)的位移控制，用來保持標簽帶的張力因為標簽在標簽帶上是彼此緊密相連的，所以標簽帶必須不斷起停。標簽是在貼標輪與箱子移動速度相同的情況下被貼在箱子上的。當傳送帶到達了某個特定的位置時，標簽帶驅(qū)動輪會加速到與傳送帶匹配的速度，貼上標簽后，再減速到停止。由于標簽帶有可能會產(chǎn)生滑動，所以它上面有登記標志，用來保證每一張標簽都被正確地放置。登記標志通過一個傳感器來讀取，在標簽帶減速階段，驅(qū)動輪會從新調(diào)整位置以修正標簽帶上的任何位置錯誤。工作過程：步進馬達帶動卷料軸、出料盤運轉(zhuǎn)，通過出料盤與卷料盤的拉力，標簽在剝標板處剝離，由光電檢測頭確認剝離位置，并發(fā)出停止指令，此8時，送料馬達帶動吸標裝置前移，吸標板吸住標簽，吹氣裝置開始工作，標簽隨馬達前移至限定位置，左糾偏氣缸及前糾偏氣缸同時推出。形成九十度的直角，對吸標板上的標簽進行精確校正，出標工序完成。推料氣缸推動電池至電池豎截面限位位置，前糾正氣缸推出，對電池進行精密定位，移載馬達帶動第一吸頭至電池定位位置，下移并吸住電池，前糾正氣缸退出，第一吸頭提起電池移至標簽位置并落下，頂滾位抬起，手機電池貼標機粘附標簽的電池隨第一吸頭后移，至頂滾位滾壓，趕出氣泡并抬起后移至側(cè)滾位，吸標裝置回至原點，并準備下一流程，側(cè)滾前出，第一吸頭下壓，使側(cè)面標簽隨側(cè)滾滾動定位，側(cè)位夾緊氣缸夾緊電池，側(cè)滾后退，第一吸頭放下電池，提起，移至下一工作位置，側(cè)滾前推，滾壓電池側(cè)面標簽，后移，第二吸頭前移至側(cè)滾位，下移并吸住電池，側(cè)位夾松開，第二吸頭提起電池至雙側(cè)滾位，雙側(cè)滾同步前出，第二吸頭下落，電池通過雙側(cè)滾的平衡張力完成電池雙肩部位的貼標，同時下移至前后夾緊位， ，前后夾夾緊電池，雙側(cè)滾后退，第二吸頭放下電池抬起，雙側(cè)滾按設定程序前滾-后退-后滾-后退，完成標簽結(jié)合處貼標，第二吸頭前移至下一工作位，第三吸頭前移至雙側(cè)滾位，下落并吸起電池，前后夾松開，第三吸頭抬起并后移至出料口放下電池，貼標工序完成。2.3 本章小節(jié)本章根據(jù)貼標機的貼標工藝與要求，對貼標機的功能進行了分析；并根據(jù)貼標功能和要求對貼標機進行了整體方案設計，對貼標系統(tǒng)機械動作控制系統(tǒng)進行設計。9第 3 章 貼標機系統(tǒng)硬件的設計控制系統(tǒng)硬件設計主要分為兩個部分，上位機貼標的管理信息控制系統(tǒng)的硬件設計和下位機 PLC 貼標控制系統(tǒng)的硬件設計，并對電氣控制柜的元器件進行布局。3.1 下位機控制系統(tǒng)的選型3.1.1 PLC 技術的簡介可編程控制器（Programmable Controller）是早期應用于開關量控制，因此也稱為 PLC(Programmable Logical Controller)即可編程邏輯控制器，現(xiàn)代的可編程邏輯控制器是以微處理器為基礎，高集成度的新型工業(yè)裝置，是計算機與工業(yè)技術結(jié)合的產(chǎn)品。自 PLC 問世以來，經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，以及稱為工業(yè)控制類產(chǎn)品。它不僅具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，還具有數(shù)字運算、模擬調(diào)節(jié)、監(jiān)控、記錄、計算機接口、數(shù)據(jù)傳輸功能，而且還能進行中斷控制、智能控制、過程控制、遠程控制、向上能與上位機進行通訊，向下能直接控制生產(chǎn)設備，可以通過下級 PLC 直接去控制執(zhí)行機構(gòu)。它之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需求以外，還有許多有點。它能夠較好的解決工業(yè)控制普遍關心的可靠、安全、經(jīng)濟、靈活、經(jīng)濟等問題?？删幊炭刂破鞑捎糜嬎銠C結(jié)構(gòu)，主要包括 CPU、存取器、輸入輸出模塊、通訊接口及模塊、編程器和電源 6 個部分。如圖 3－4 所示，PLC 內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。外部的各種開關信號、模擬信號，傳感器檢測的各種信號均為 PLC 輸入量，它們經(jīng)過 PLC 的外部輸入到內(nèi)部寄存器，PLC 做各種邏輯運算或其他運算處理送到 PLC 的輸出端，從而對現(xiàn)場設備提供各種控制。10圖 3.1 PLC 的機構(gòu)示意圖3.1.2 可編程控制器的選型市場上可供選擇的 PLC 種類繁多，各種型號的 PLC 也有各自的優(yōu)勢和特點，應用場合也不大相同。因此在設計之初，選擇一款符合手機電池貼標機控制系統(tǒng)工藝和要求的可編程控制器顯得十分重要。經(jīng)過市場調(diào)研，本控制系統(tǒng)的下位機采用的是日本三菱公司的 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 作為下位機控制，它是一款可視化的 PLC，屬于中小型可編程序控制器，可用于簡單的控制場合，也可用于復雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強的通信功能，即使在大型的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架是由成系統(tǒng)的 CPU 模塊和豐富的擴展模塊組成。它能夠滿足各種設備的自動化控制需求。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的上業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如:沖壓機床、印刷機械、中央空調(diào)、電梯控制、運動控制系統(tǒng)等等。FX 系列除了具有以上一般 PLC 具有的基本控制功能以外，還在以下三個方面有獨到之處：（1）三菱的 FX 系列 PLC 是一款可視化編程的 PLC，它具有強大的指令集、功能強大、速度快，掃描 30000 步時僅需要 1 毫秒。（2）FX2N-32MR-E/UL 提供了豐富的硬件資源，不僅有兩個軸的運動控制11伺服定位控制接口；還提供了 4 通道的高速計數(shù)器，特別適合伺服系統(tǒng)的控制，如步進電機或者伺服電機以及光電編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。相對常規(guī)的可編程控制器而言，省去了定位控制單元，給安裝調(diào)試帶來方便。（3）該系列 PLC 帶有 USB 編程口，與上位機進行串口通信調(diào)試時不會占用串口，可以在編程軟件中可以很方便的看到相關數(shù)據(jù)寄存器里面上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)。3.1.3 伺服系統(tǒng)步進電機和絲杠選型在電池位置伺服系統(tǒng)中，步進電機和滾珠絲杠的選型關系到電池每次搬送的位置精度，伺服系統(tǒng)的精度和抗擾動性格是衡量系統(tǒng)的重要性能指標。在步進電機的選型時，必須充分考慮步進電機的一些相關物理量，步進電機的步距角度和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)距，一般的靜態(tài)轉(zhuǎn)距越大，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)距越抗擾動性能會更好，在負載變化時不容易失步，同樣步進電機的步距角越小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差會越小，但是步進電機的價格會更昂貴。本設計系統(tǒng)選用的步進電機為日本東方電機公司生產(chǎn)的 PK264A2 型步進電機，該電機的轉(zhuǎn)子與軸直接是通過減速傳動，減速比 1：18，因此它的步進角度僅為 0.1 度，為同行電機步距角度最小的一款。絲杠選擇選擇必須考慮到系統(tǒng)的最小日本 THK 公司生產(chǎn)的 THK-KR30 滾珠絲杠，其導程 t 為 1 毫米，根據(jù)初步估算滿足系統(tǒng)載荷要求。在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，為了配合步進電機的控制，許多 PLC 都配有脈沖輸出功能，并設置了相關指令，可以很好的對步進電機進行控制。這種控制方式可以大大減小系統(tǒng)的設計工作量，而且 PLC 具有實時刷新功能，輸出頻率可以到達數(shù)千赫茲或者更高，使步進電機響應速度更快。PLC 直接控制步進電機時，必須考慮脈沖當量，根據(jù)貼標工藝和要求，系統(tǒng)為直線每次進給量為 δ=8 .13mm，根據(jù)步進電機的步距角度 α ，滾珠絲杠導程 t＝1mm，那么步進電機每次搬送相鄰兩個電池需要的脈沖數(shù) m ，根據(jù)公式： 360t????代入數(shù)字得 m =2926。3.2 下位機控制系統(tǒng)的硬件配置3.2.1 下位機控制硬件配置要求12下位機控制系統(tǒng)的主要用來對貼標的機械動作進行控制，主要包括電池升降位置伺服系統(tǒng)、搬送電池的機械手動作控制、真空吸附氣缸吸附標簽的動作控制、貼標氣缸的對電池的貼標控制，下位機控制系統(tǒng)的硬件設計必須滿足以下幾個方面的要求：（1）實現(xiàn)電池貼標系統(tǒng)的高精度位置伺服系統(tǒng)，電池位置伺服系統(tǒng)每次搬送的距離為 10mm；（2）氣動機械手搬送電池必須每次準確的夾緊電池，然后搬送到貼標位置，貼標完畢以后準確的放回；（3）下位機控制系統(tǒng)必須有對機器良好的可操作性，必須輸入開關來控制設備。根據(jù)設計要求，本文設計的電池貼標機控制系統(tǒng)硬件框圖如圖 3.2 所示，通過各種開關量的傳感器將設備工作的各種狀態(tài)輸入給本設計的控制系統(tǒng) PLC輸入輸出配置硬件框圖如圖 3.2 所示，各種位置傳感器將設備的狀態(tài)，如氣缸的位置、電池的位置等傳給 PLC 進行處理，由 CPU 做各種運算處理來，對執(zhí)行機構(gòu)進行實時調(diào)節(jié)。圖 3.2 手機電池貼標機系統(tǒng)硬件配置設備的主要硬件配置：（1）以 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 為核心的控制器，用來對設備的各種狀態(tài)進行實時處理，通過傳感器的輸入信號得到設備的工作狀態(tài)，經(jīng)過實時處理，13實現(xiàn)各種氣動閥、步進電機動作貼標機動作。（2）在緊急情況下為了實現(xiàn)對設備的可操作性，需要設置輸出開關信號給可編程控制器和合理布局控制面板，根據(jù)設計要求，本設計的控制系統(tǒng)輸出開關信號鍵有開機鍵、復位鍵、手動/自動鍵的切換、控制電池上升鍵和下降鍵、氣動機械手搬送鍵和緊急停止鍵，控制面部的布局應該簡潔，當設備發(fā)生故障時，操作人員能夠第一時間通過操作面板的操作來阻止重大事故的發(fā)生。（3）為了檢測設備的工作狀態(tài)，合理選擇和安裝傳感器，保證傳感器信號可靠的輸給可編程控制器，本設計對于氣動閥的位置檢測選用磁性開關量傳感器，對于電池和電池抽屜選用光電接近開關傳感器。（4）伺服系統(tǒng)的控制是本設計最重要的環(huán)節(jié)，它的控制效果好壞關系到設備能否貼標成功。為了滿足電池貼標工藝和要求，本設計的步進電機位置伺服系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，通過光電編碼器的脈沖檢測步進電機的位置送給可編程控制器，并在 PLC 內(nèi)部設定一定的控制器進行處理來調(diào)整輸出脈沖，使步進電機的位置準確的到達給定位置。FX 2N-32MR-E/UL 系列 PLC 直接控制步進電機接線圖如圖 3.3 所示。FX 2N-32MR-E/UL 系列 PLC 位置控制輸出脈沖單元分別為 500～503，占用 4 個輸出點。本設計的位置采用 502 和 503 輸出脈沖分別控制步進電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，光電編碼器將步進電機的位置脈沖數(shù)給 PLC 的高速計數(shù)器 CTC0 計數(shù)來檢測步進電機的位置。圖 3.3 步進電機控制接線圖3.2.2 PLC 輸入輸出信號地址分配14PLC 的輸入輸出控制地址分配包括操作按鈕的輸入如包括開機按鈕、搬送按鈕、手自動按鈕切換和急停按鈕；氣缸位置傳感器的輸入信號、電池檢測光纖傳感器、電池盒檢測光纖傳感器、步進電機光電編碼器的輸入計數(shù)器，設備工作狀態(tài)的輸出顯示運行正常、運行報警和運行故障。其 PLC 地址分配如表 3-1 所示：表 3.1 PLC 輸入信號地址分配輸出信號 輸入信號分配地址自動手動信號 X0啟動信號 X1停止信號 X2光電開關檢測 X3手機電池到位檢測 X5貼標精度檢測 X7限位開關 X10電動機過載保護 X11PLC 的輸出信號主要控制氣缸電磁閥的動作，如控制氣缸搬送、真空吸附、貼標、下氣缸托住電池、氣動機械手夾住電池等動作，其 PLC 輸出地址分配如表 3.2 所示：表 3.2 PLC 輸出信號地址分配輸出信號 輸出信號分配地址步進電機一 Y0步進電機二 Y2推料電磁閥 Y3步進電機三 Y4伺服電機一 Y10伺服電機二 Y12前糾正氣缸電磁閥 Y13伺服電機三 Y14聲光報警 Y16153.4 電氣控制柜的整體布局設計貼標機設備處在工業(yè)應用場合，工作環(huán)境惡劣，各種干擾對設備的正常運行有著嚴重影響。在設計電氣控制柜時必須充分考慮到設備的抗干擾措施。本設計的控制系統(tǒng)輸入給 PLC 主要有位置傳感器信號、光電接近開關信號、按鈕等；輸出信號主要有繼電器線圈、電磁閥線圈、步進電機驅(qū)動器等，處理這些信號時應時應充分考慮到系統(tǒng)的抗干擾性，因此在電氣控制柜布局時應注意以下幾點：（1）輸入信號弱信號電纜應該與強盡量分開敷設，特別是控制步進電機脈沖輸出信號應該與大信號分開，避免步進電機的控制脈沖收到干擾。（2）對于 PLC 的輸如輸出信號盡量選擇帶有屏蔽層的線，并且一點接地。（3）對于 PLC 的供電電源必須有專門的接地。（4）電氣控制柜應該遠離電磁干擾比較嚴重的地方，比如大功率用電器的、供電變壓器等器件，PLC 應該避免在潮濕、腐蝕、有機械振動的地方。由于設計側(cè)重點的不同，上位機的相關器件的選型在本文就不具體涉及了。3.3 系統(tǒng)主電路設計3.3.1 電源供電模塊貼標機系統(tǒng)中，設備多，工作電壓也不盡相同。三相異步電動機工作電壓是 380V(AC), PLC 的工作電壓為 220V (AC)，傳感器的工作電壓為 24V DC。(1)電源進線如圖 3.4 所示，電源由滑線引入電器利 l-中，經(jīng)過刀開關 Qs 后，再經(jīng)由熔斷器后供給系統(tǒng)的控制回路及主電機電路部分。三相電源的線電壓為 380V，相電壓為 220v，因此系統(tǒng)采用三相中的 A 相相電壓提供 220V 的交流電要壓。(2)電源模塊如圖 3.5 所示，直流電源能使電路中形成恒定電流的裝置，如干電池、蓄電池、直流發(fā)電機等。在 24V 電壓范圍內(nèi)又叫 24A 直流電源，直流電源有正負兩個電極，正極的電勢高，負極的電勢低；當兩個電極與電路連通后，直流電源能維持兩個電極之間的恒定電勢差，從而在外電路中形成山正極到負極的恒16定電流。24V 電源模塊開關電源為系統(tǒng)中的 A/D 模塊和電磁閥提供 24VDC 電壓。圖 3.4 電源進線主電路圖 圖 3.5 PLC 電源模塊主電路圖(3)運動機構(gòu)電機電路如圖 3.6 所示，在控制系統(tǒng)中有很多電機需要控制，如步進電機、伺服電機等，以控制各個機構(gòu)的運動。控制運動機構(gòu)各電機的交流接觸器是 KM1-6, KM 閉合時相應電機運行，驅(qū)動相應裝置運動到指定位置。在電機控制電路中，為了防止過載等情況加入熱繼電器 FR 進行過載保護。通過 PE 保護線，進行接地保護。接地技術可以減小線纜等因素對設備造成的電磁干擾，提高控制精度。保護系統(tǒng)的安全性，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。17圖 3.6 電機電路3.3.2 系統(tǒng)控制總電路圖全自動貼標機控制系統(tǒng)主電路圖如圖 3.8 所示。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)中需要多臺電動機。另外，電源模塊是給電磁閥和 A/D 模塊提供工作電壓的。由于要控制電機，所以系統(tǒng)中還要運用交流接觸器來控制其通斷情況。為了防止過載等情況的發(fā)生還要加人熱繼電器等。18圖 3.8 控制系統(tǒng)主電路圖3.4 PLC 系統(tǒng)控制電路設計中央處理單元及 I/O 擴展單元、檢測元件( 光電開關和接近開關等 )、按鈕開關和指示燈、電磁閥以及執(zhí)行元件(電動機) 等幾部分。檢測標簽剝離位置、電池位置，以及各部分的動作完成情況；PLC 自動循環(huán)掃描各個輸入輸出點的當前狀態(tài)，并根據(jù)梯形圖程序所確定的邏輯關系更新輸出點的狀態(tài)，通過通斷交流接觸器和換向電磁閥來控制電動機的啟停和氣缸的動作，從而完成從剝離標簽、搬移電池和貼標簽全過程的自動控制。3.4.1 PLC 分塊介紹(1)輸入部分介紹如圖 3.9 所示，PLC 控制的輸入部分，有限位開關 SQ1(X10)，啟動按鈕SB1(XI),停止按鈕 SB2(X2)，工作方式選擇開關 SA(X0)，閉合時為手動工作狀態(tài)，斷開時為自動工作狀態(tài)。光電開關檢測 X3, X5 是手機電池的到位檢測、X7 是貼標精度檢測、電動機過載保護信號 X11 等，通過以上信號的檢測來控制電機19等的動作情況。圖 3.9 輸入部分電路圖(2)輸出部分介紹如圖 3. l0 所示，PLC 的輸出部分主要是通過控制接觸器的通斷來控制電機等的運行情況。由于一個 PLC 只能直接控制兩臺電機，而本設計需要控制六個電機，所以本設計采用擴展模塊的方法來實現(xiàn)這些功能，控制模塊選擇三菱的一軸脈沖輸出模塊 FX2N-1PG。輸出部分有推料氣缸電磁閥、前糾正氣缸電磁閥、壓縮機和聲光報警等部分。其中有六個控制部分要用到氣動控制，且它們都共用一個氣源，即空氣壓縮機提供的空氣。20圖 3.10 PLC 輸出部分電路圖3.4.2 PLC 總接線圖PLC 總的接線圖如圖 3.14 所示。包裝機控制系統(tǒng)采用的是 PLC 控制，所以所有的執(zhí)行元件都是用過可編程控制器來控制的。PLC 包括輸入部分和輸出部分?？删幊炭刂破魍ㄟ^采集輸入部分即傳感器、開關等的信號來控制輸出部分即電機、電磁閥和聲光報警等。圖 3.14 PLC 總接線圖3.3 本章小節(jié)本章主要對手機電池自動貼標機控制系統(tǒng)的選型和硬件設計，并根據(jù)控制要求，設計合理的位置伺服系統(tǒng)。為了提高控制系統(tǒng)的抗干擾性，對電氣控制柜元件進行布局。2122第 4 章 控制系統(tǒng)軟件設計實現(xiàn)手機電池自動貼標系統(tǒng)的連續(xù)運行是控制系統(tǒng)的重要手段，控制系統(tǒng)的程序設計不僅要使系統(tǒng)的機械動作連續(xù)可靠的運行，而且還要實現(xiàn)在上位機系統(tǒng)中的動作連續(xù)監(jiān)控，使得操作者可以很方便的看到系統(tǒng)的運行狀態(tài)，因此在設計控制系統(tǒng)的程序時，要實現(xiàn)系統(tǒng)的功能有：通過 PLC 控制程序，使得系統(tǒng)的機械動作連續(xù)可靠的運行，如步進電機和氣缸對電池的搬送的準確性模糊控制程序的實現(xiàn)、氣動電磁閥通斷電的時序正確、以及系統(tǒng)故障狀態(tài)的顯示。因此根據(jù)以上分析可以控制系統(tǒng)的軟件只需對下位機的軟件進行開發(fā)。下位機的軟件包括上位機的控制程序的實現(xiàn)和下位機的通信的程序的實現(xiàn)兩個部分。4.1 下位機 PLC 程序的實現(xiàn)4.1.1 PLC 程序執(zhí)行的基本原理PLC 的控制任務是在硬件的支持的基礎上，通過執(zhí)行反應控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的，這跟計算機的工作原理是一樣的，但是 PLC 完成的主要是順序開關量的控制，控制系統(tǒng)的任務是控制有關邏輯關系的實現(xiàn)，PLC 實際的工作機制是巡回掃描的工作方式。PLC 控制的工作方式是采用循環(huán)掃描、集中輸入與輸出的工作方式。這種工作方式的顯著特點是：可靠性高、抗干擾能力強等特點，這種工作方式會給系統(tǒng)相應帶來一定的延時，但是 PLC 的掃描速度很快，一般能夠滿足系統(tǒng)實時性的要求。PLC 上電以后，CPU 在系統(tǒng)程序的監(jiān)督下先進行內(nèi)部處理，包括硬件初始化，I/O 模塊配置檢查、停電保持范圍設定及其他初始化處理等工作。在執(zhí)行用戶程序之前還應完成通信服務與自診檢查。在通信服務階段，PLC 應該完成與一些帶處理器的智能模塊與其他外設通信，完成數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送任務、響應編程器鍵入命令、更新編程器顯示內(nèi)容、更新時鐘和特殊寄存器內(nèi)容等工作。PLC 的 CPU 工作原理圖如圖 5.1 所示：23圖 4.1 PLC 的 CPU 工作流程圖總體說來 PLC 的一個掃描周期由三個部分組成：（1）保證系統(tǒng)的正常運行的公共操作：這一部分掃描時間是固定的，隨著 PLC 的 CPU 類型不同而不同。（2）系統(tǒng)與外圍設備進行信息交換，這一部分不是每個系統(tǒng)或者系統(tǒng)每次24掃描都有的，而是隨著系統(tǒng)變化而變化的。（3）用戶執(zhí)行程序，這一部分是根據(jù)用戶程序執(zhí)行的要求而執(zhí)行的，其具體占用的掃描時間要根據(jù)用戶編程的執(zhí)行程序的長短來決定的。4.1.2 下位機程序的實現(xiàn)PLC 在編程時通常使用模塊化編程來是實現(xiàn)來實現(xiàn)整體功能，這種方法具有如下的優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)清晰，類似 C 語言中的函數(shù)，可讀性性，在調(diào)試時便于修改；（2）程序可標準化，特別是一些功能可編制成標準的程序；（3）程序的模塊可以由多人來參與和編寫，減小程序開發(fā)的時間；對于三菱系列 PLC 其程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，最基本的方法就是使用子程序，在控制系統(tǒng)適當?shù)臅r候去調(diào)用程序模塊的子程序，本控制系統(tǒng)的下位機程序主要由圖 4.3 模塊的組成。圖 4.3 下位機控制系統(tǒng)程序模塊設計4.1.3 PLC 輸入量的處理在 PLC 輸入量信號中，開關量信號由于機械的原因易受到機械抖動而導致25誤操作，因此在開關量輸入之前要進行處理，常規(guī)的 PLC 開關量信號加以軟件延時，也就是當某一控制信號高電平（或者低電平）出現(xiàn)時，通過軟件延時以后再去檢查它是否仍然是真是信號，如果在檢查該信號已經(jīng)消失，則證明該信號為假信號，應將其舍去，如果延時以后檢查該信號為真實信號。以 PLC 控制系統(tǒng)的機械動作控制為例，在因為某些開關量輸入信號的機械抖動而導致設備工作狀態(tài)時序不正確，可能會使得機械貼標動作錯誤，系統(tǒng)不能正常工作，因此在 PLC 輸入信號必須加以處理。通常的做法是 PLC 接收到錯誤信號以后進行延時濾波處理。三菱 FX 系列自帶的 HSP 指令可以將輸入開關量進行輸入處理，在使用 HSP指令進行輸入時，配合中斷指令進行輸入信號處理，因此本設計控制系統(tǒng)結(jié)合三菱的特殊功能繼電器 2813 來設置開關量的輸入時間，將系統(tǒng)的輸入開關量延時 10 微妙，10 微妙的開關延時這樣可以消除系統(tǒng)的開關量輸入抖動。4.1.4 模糊控制 PLC 程序設計在電池步進電機的