FX2N系統(tǒng)集成在玻璃鉆飾自動磨鉆機上的應用

1、FX2N系統(tǒng)集成在玻璃鉆飾自動磨鉆機上的應用一概述由于玻璃鉆飾品外型的特異性，玻璃鉆飾品的加工和檢測基本上處于手工或半手工狀態(tài)，耗費較大的人力資源，效率低下，而且產(chǎn)品質(zhì)量不一，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的均衡性和持續(xù)性。二年前受廣東某玻璃飾品有限公司的委托，我公司代其開發(fā)專用機電一體化加工設備玻璃鉆飾自動磨鉆機，目前該設備已投入試生產(chǎn)運行，本人獨自擔當了整套設備的電控系統(tǒng)集成設計任務，該設備的自動化程度較高，邏輯控制比較復雜，設備的控制核心由三菱一概述由于玻璃鉆飾品外型的特異性，玻璃鉆飾品的加工和檢測基本上處于手工或半手工狀態(tài)，耗費較大的人力資源，效率低下，而且產(chǎn)品質(zhì)量不一，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的均衡性和持

2、續(xù)性。二年前受廣東某玻璃飾品有限公司的委托，我公司代其開發(fā)專用機電一體化加工設備玻璃鉆飾自動磨鉆機，目前該設備已投入試生產(chǎn)運行，本人獨自擔當了整套設備的電控系統(tǒng)集成設計任務，該設備的自動化程度較高，邏輯控制比較復雜，設備的控制核心由三菱FX2N系列PLC和擴展模塊以及FX2N-1PG特殊模塊集成，本人在此想同大家交流一下該系統(tǒng)的集成過程和應用體會。二磨鉆機用途本磨鉆機主要用于加工玻璃鉆飾品，加工原料為球狀態(tài)玻璃，可加工直徑為1.0mm-10.0mm間的球狀玻璃，加工面為17個，分別為臺面一個，冠面8個，亭面8個，如下圖所示：三磨鉆機組成為了減小設備體積，節(jié)約設備制造成本，提高生產(chǎn)效率，整臺磨鉆

3、機設備設計成雙邊進料交叉加工形式，所以，整套設備有許多相同的部件，由以下各主要部件組成：粘桿夾具（4個）、上料機構（2個）、下料裝置（2個）、翻轉機構（2個）、磨拋機構（2個）、導軌齒條及支架等。整個設備長約8米，寬約2米，高度約為2米。外型見所附設備照片。四磨鉆機傳動磨鉆機夾具在水平方向的移動定位要求較準確，故采用導軌導向，齒輪齒條傳動，步進馬達驅(qū)動方式，磨頭、拋頭以及磨拋轉換采用普通三相異步交流電機驅(qū)動，上料機構、夾具垂直方向運動、磨拋換面等均采用氣缸氣動傳動。五磨鉆機加工工藝磨鉆機加工工藝過程比較簡單，設備單邊加工工藝過程如下：粘沙上料燒結磨切拋光（換面磨切拋光，共八個循環(huán)）下料。六磨鉆

4、機機械運動過程按每個位置加工功能分，磨鉆機有四個加工工位，分別是：粘沙位、上料（下料）燒結位、轉接位、磨拋位。由于兩邊的加工過程一樣，所以以一邊為例說明其機械運動過程。為了便于方便描述，把加工冠面的夾具稱為冠面夾具，加工亭面的夾具稱為亭面夾具，相應地，加工冠面的換向氣缸稱為冠面換向氣缸，加工亭面的換向氣缸稱為亭面換向氣缸，加工冠面的磨拋機構稱為冠面磨拋機構，加工亭面的磨拋機構稱為亭面磨拋機構。具體機械運動過程如下：（參看磨鉆機總圖）自動開始，系統(tǒng)找原位在粘沙位冠面夾具和亭面夾具定位冠面夾具和亭面夾具在氣缸帶動下同時向下粘沙粘沙完成后兩夾具向上冠面夾具在步進馬達的驅(qū)動下向前移動到上料位（而亭面夾

5、具則在另一步進電機的帶動下向前移動到轉接位，并在翻轉氣缸的驅(qū)動下做180的翻轉，做好轉接準備）上料機構在氣缸驅(qū)動下向上上料上料完畢，上料機構向下，同時冠面夾具在步進馬達的驅(qū)動下移動到磨拋位（冠面夾具開始作周期性往復慢行，直到拋光加工結束為止）冠面夾具在氣缸的驅(qū)動下向下磨臺面加工完臺面，冠面夾具垂直向上，同時撤消冠面夾具定位，冠面換向氣缸1動作換面，冠面夾具向下磨第一冠面，磨完冠面1，冠面夾具向上撤消冠面換面氣缸1冠面換向氣缸2動作換面冠面夾具又向下磨第二冠面（如此這樣，一直把第八個冠面磨完）然后，冠面夾具向上，磨拋機構在電機的驅(qū)動下做工180的旋轉，準備進行拋光，（拋光接著從最后一個被磨冠面即

6、第八冠面開始）冠面夾具向下拋光第八冠面第八冠面拋光完畢，冠面夾具向上同時撤消冠面換向氣缸8冠面換向氣缸7動作然后，冠面夾具向下拋光第七冠面（如此這樣，直到把第一冠面拋光完成）冠面夾具向上冠面夾具定位氣缸動作定位冠面夾具向下拋臺面拋光完臺面，冠面夾具向上（磨拋機構準備180轉換）冠面夾具停止往復慢行，然后找基準冠面夾具在步進馬達的驅(qū)動下向后移動到轉接位亭面夾具向上轉接玻璃球點火燒結亭面夾具向下亭面夾具作180翻轉轉接完成，（冠面夾具則在步進馬達的驅(qū)動下向后移動到粘沙位，開始冠面夾具下一周期循環(huán)工作）亭面夾具移到磨拋位亭面夾具撤消定位（亭面夾具開始周期性往復慢行，直到亭面磨拋加工完成為止）亭面換面

7、氣缸1動作亭面夾具向下磨第一亭面亭面夾具向上，撤消亭面換面氣缸1亭面換面氣缸2動作亭面夾具向下磨第二亭面（如此這樣，直到把第八個亭面磨完）亭面夾具向上（亭面磨拋機構180轉換，準備拋光）亭面夾具向下拋光第八亭面（接著從最后被磨的第八亭面開始拋光）亭面夾具向上，撤消亭面換面氣缸8亭面換面氣缸7向下拋光第七亭面（如此這樣，直到把最后一個亭面即第一亭面拋光完成）亭面夾具停止往復慢行，找基準亭面夾具向上（亭面磨拋機構準備180轉換）亭面夾具定位亭面夾具在步進馬達的驅(qū)動下向后移動到下料位點火下料亭面夾具向后移動到粘沙位粘沙（亭面夾具下一周期循環(huán)開始）至此，一個玻璃飾品的加工已完成。七磨鉆機控制方式設備控

8、制有手動、自動、停止三種方式，在自動方式下又分為全自動和單步自動兩種，停止也分為自然停止和緊急停止兩種，下面加以詳細解釋：l手動手動方式的設立主要是方便于設備調(diào)試、維護，在手動方式下，可任意起停各相對獨立的每一可動部件，如每一氣缸運動、馬達的起停等。l自動自動分為全自動和單步自動。全自動是指設備兩邊自動同時上料交叉加工，完成一周期加工后，自動再上料加工，直到接收到停止或故障命令為止。單步自動是指設備一邊進行全自動上料加工，另一邊可不進行加工。l停止由于設備自動工作后，一直處于不斷自動上料加工狀態(tài)，所以，設備停止分為自然停止和緊急停止。自然停止是指按下停止按鈕后，設備并不馬上停止，而是進行完當前

9、一周期的加工并返回到原位后停止下來。緊急停止是指為發(fā)生意外或故障時設立的停止方式，按下緊急按鈕時，機器馬上中止當前的工作。八控制關鍵冠面夾具和亭面夾具水平移動定位準確要求為10絲（道），除了步進電機控制精度要求較高外，還要考慮齒輪齒條之間間隙的影響。玻璃球飾品磨切和拋光時，是由升降氣缸帶動粘桿向下緊壓在高速旋轉的磨、拋平臺上完成的，其磨切尺寸和拋光精度（包括臺面磨切拋光）均由三個臺階式的氣動限位塊進行調(diào)節(jié)，氣動限位塊由兩限位氣缸驅(qū)動，氣缸電磁閥采用雙線圈鎖緊式電磁閥，氣缸可停在任意行程位鎖緊，以實現(xiàn)三臺階定位驅(qū)動，這樣自動配合磨切和拋光時的不同尺寸。冠面夾具和亭面夾具的找原位和找基準是否準確會

10、影響到其水平方向的定位精度。邏輯關系、整機動作配合相當復雜，程序量較大（目前實際程序長度為3980）。九控制系統(tǒng)集成方案選擇控制系統(tǒng)集成基于可行性、可靠性還有性價比等多方面因素來綜合確認。下面就單片機控制、工控機（IPC）控制、PLC控制等簡單比較說明。說明：基本控制約I/O=128/75，此外，還有四臺步進馬達控制。1單片機控制可靠性低單片機本來抗干擾能力較低，從現(xiàn)在所要求的I/O總數(shù)來看，不論是MCS51系列還是MCS96系列單片機，都必須進行大規(guī)模的擴展，這樣系統(tǒng)電路更加復雜，進一步降低了系統(tǒng)的可靠性。.開發(fā)成本高單片機的售價并不貴，以目前市場價，較有名氣的ATMEL也不過十幾元錢一片而

11、已，但簡單從這表面上看這個問題是不妥的，以本人幾年來單片機開發(fā)經(jīng)驗可知，要購入單片機開發(fā)裝置（如仿真器、燒錄器、電源）和還要開模制版等，這都是一筆不小的費用。加上開發(fā)周期長所投入的人力物力，其價錢已遠遠地超過應用PLC開發(fā)的費用。另外由于設備是專用特殊設備，其控制系統(tǒng)專用性較強，通用性較差，為其投入過多的開發(fā)費用不值得。開發(fā)周期更長單片機的開發(fā)周期較長，從電路設計、開模制版、編程、仿真、調(diào)試等經(jīng)歷非常長的周期，工程師往往要花大部分的時間在硬件設計和編程調(diào)試處理上，對最為重要的工藝過程往往沒有更多的時間考慮。不便于修改和維護利用單片機開發(fā)的設備往往是專用的特殊設備，在市場上往往不能找到可替代的備

12、件，所以不便于維護，這是用戶最不愿看到的?；谝陨希ú幌抻冢┑脑?，本人認為此方案不適用2工控機（IPC）控制無疑，從可靠性來說，IPC要比單片機要好得多，但其價格昂貴，不計其整機價格，單就要滿足I/O點數(shù)據(jù)的板卡量（32通道，約10塊）費用就不少，其價格要遠遠高于采用PLC控制的價格。更為重要的是工控機更新?lián)Q代較快，不但硬件如此，而且最根本的操作系統(tǒng)也不斷地更新?lián)Q代，換句話說，如果設備控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，更換硬件，可能意味著更新操作系統(tǒng)，進而導致整個系統(tǒng)的應用軟件（包括界面）都要重新設計（或開發(fā)），這對太多數(shù)用戶來說是不能接受的。所以，本人認為此方案也不適用。3PLC控制可靠性自第一臺PLC誕

13、生就是應用于工業(yè)現(xiàn)場控制，不可否認，PLC的可靠性得到了工控業(yè)界的認可。據(jù)最近行業(yè)統(tǒng)計顯示，目前采用PLC控制的設備份額達90。成本低就此設備的控制來說，采用PLC來進行的設備開發(fā)和控制費用都要遠遠低于采用單片機或IPC的費用，其系統(tǒng)可大可小，小的幾點，大的數(shù)千點，甚至上萬點，很好解決工業(yè)控制問題，適用于很多場合。開發(fā)周期短采用PLC進行設備控制，工程師無須花太多的精力在硬件的處理上，采用積木式結構很快可以形成系統(tǒng)電路，大部分精力集中在工藝的了解處理和程序的編寫上，有利于設備的快速開發(fā)，程序的編輯、修改和調(diào)試也都可隨時進行，縮短了開發(fā)時間。性能加強隨著微電子控制技術的發(fā)展，PLC的處理能力也越

14、來越強，其通訊能力、運算處理能力、容量（I/O容量和程序容量）等都有長足的發(fā)展。所以，從可靠性和性價比等方面來說，本人認為采用PLC控制是適合的。4PLC選型目前世界上PLC品牌眾多，由于各公司的發(fā)展戰(zhàn)略不同，價格也參差不齊，性能特長也各不相同，但從市場占有情況來說基本上可以劃為兩大陣營，一是以Rockwell、SIEMENS、施耐德等公司為首的歐美洲流派，一種是以MITSUBISHI、OMRON、富士等公司為首的日本流派，它們各有特點，各有所長，歐洲流派以大型系統(tǒng)而見長，而在中小型系統(tǒng)方面則是日本流派一統(tǒng)天下，占據(jù)了市場大部分份額。下面以國內(nèi)市場占有率較高的SIEMENS和MITSUBISH

15、I為例，按所要求的數(shù)字量I/O點進行配置（暫不包括步進控制），以目前的市場報價進行統(tǒng)計對比，以便確定哪一種PLC更加適合本系統(tǒng)的應用。按I=128點，O=75點，另加四臺步進電機控制進行配置，考慮到用觸摸屏可節(jié)約大量的輸入點，經(jīng)初步統(tǒng)計實際I點按約64點配置即可。（其余I點由HMI軟元件滿足）下面為SIEMENS的S7200系列PLC的I/O配置表下面為三菱（MITSUBISHI）FX2N系列PLC的I/O配置表上面比較可以說明，同檔次的PLC，基本配置相同I/O時，用SIEMENS所花的費用比用三菱要貴多兩倍，當然，對此系統(tǒng)配置來說，問題還遠遠不如這些，因為用SIEMENS配置需要用14個擴

16、展，已遠遠地超過了其一個CPU最多只能帶7個擴展模塊的限制，還有就是S7200系列還沒有相應的定位模塊，換句話說，用S7200系列的PLC根本無法完成此系統(tǒng)的功能，除非用多個CPU或者用S7300系列才有可能完成此系統(tǒng)的功能，這樣費用更高。反觀三菱的PLC系統(tǒng)，只帶一個擴展就完成了配置，而且還可以輕松帶4個定位控制模塊，也不會超出其最大配置的限制。而且，其特有的順控指令對處理復雜的邏輯關系又是其它PLC不能相比的。日本公司的PLC產(chǎn)品正是憑借其自身的優(yōu)點，進入世界各大市場，據(jù)有關資料報道，在中小型系統(tǒng)PLC方面，日本產(chǎn)品占據(jù)了世界上約70%的份額。而三菱系列的PLC更是占據(jù)了國內(nèi)大部份市場份額

17、。所以本系統(tǒng)選用了三菱的PLC作為控制系統(tǒng)。十系統(tǒng)集成簡介本系統(tǒng)選用日本三菱的PLC為控制系統(tǒng)，下面對整個系統(tǒng)的集成簡單介紹：1系統(tǒng)結構與控制原理簡介本系統(tǒng)由一個FX2N-128MR-001主體CPU，一個FX2N-48ER擴展模塊，四個脈沖定位控制模塊FX2N-1PG，一個人機界面（HMI），四個步進馬達驅(qū)動模塊組成。HMI與PLC直接通過通訊口進行通訊，系統(tǒng)參數(shù)的設置以及手動時的各部件的操作均通過HMI進行；FX2N-48ER作為系統(tǒng)的自然擴展，自動識別，直接利用其I/O點；四個FX2N-1PG上與PLC以FROM/TO指令進行數(shù)據(jù)交換，下輸出高速正（或反）脈沖對驅(qū)動模塊進行控制，完成定位

18、驅(qū)動控制。具體參看如下系統(tǒng)連接原理圖。其它輔助控制按加工的工藝要求邏輯進行，不再詳述。2系統(tǒng)集成配置本系統(tǒng)實際要求輸入點128點，輸出點75點，在上面的配置中輸出點數(shù)共84點，輸入點數(shù)共84點，不足夠的輸入點由觸摸屏軟元件滿足，整個系統(tǒng)配置的I/O總數(shù)如下：128+48+32（每個特殊模塊點用8個I/O點），共208點，沒有超過系統(tǒng)最大配置容量256點。3輸入分配輸入主要分配給必要的行程、位置檢測、系統(tǒng)工作方式選擇、部分交流馬達的驅(qū)動與控制等，對于手動方式操作的大多數(shù)輸入選擇（約占輸入的80%）通過HMI軟元件執(zhí)行解決。系統(tǒng)按完善配置的話，需要輸入點數(shù)多達128點，但有的輸入點數(shù)只在設備調(diào)試和

19、維護過程中用得較多，在自動工作過程中運用較少，所以，把系統(tǒng)不必要的輸入點集成到HMI中用軟元件來代替，這樣一來減少系統(tǒng)輸入模塊的配置，二來節(jié)約大量接線、燈、按鈕等費用，三來簡化了電控柜操作面板（讓120多個手動按鈕集成在HMI上，還有部分工作狀態(tài)指示），四方便系統(tǒng)參數(shù)的更改與設置，有利于調(diào)試、五提高了設備控制的檔次和性能，對設備常見故障可以給幫助提示，整體費用也得到下降。就本系統(tǒng)來說，事實上如果不用HMI，采用增加輸入模塊的方法解決輸入不足，這樣所花的費用更多。4輸出分配輸出分配給四臺三相異步電機和氣缸（共62個氣缸）驅(qū)動的電磁閥以及四臺步進電機的輔助控制，此外還有少量輔助部份控制。5主要組件

20、簡介FX2N-128MR-001FX2N可以是三菱公司目前FX系列PLC中性能最好的系列機型之一，大量的軟元件、豐富的應用指令以及內(nèi)置大容量的程序存貯器，即使面對復雜的控制，也可以從容應對，其位執(zhí)行指令達0.08S，如此速度比SIEMENS的S7-200系列要快幾倍，即使SIEMENS的S7-300也不過0.32S而已，這足以證明FX2N的優(yōu)越性，本人長期對各種品牌的PLC應用體會，F(xiàn)X2N系列是性價比不錯的機型，在小型控制系統(tǒng)中，F(xiàn)X2N系列一直是本人的首選之一。脈沖輸出模塊FX2N-1PG作為定位控制用的脈沖輸出模塊FX2N-1PG，可作單軸控制，最大輸出可達100KPPS，針對定位控制的

21、特點，該模塊具有比較專業(yè)完善的控制參數(shù)設定，如定位目標跟蹤、運轉速度、爬行速度、減速速度等等各種參數(shù)，這些參數(shù)都可通過PLC的FROM/TO指令輕松設定。除高速的響應輸出外，還準備了常用的輸入控制，如正、反限位開關、STOP、DOG（近點信號）、PGO（零點信號）等等。此外，還內(nèi)置了許多方便的軟控制位，如返回原點、向前、向后等，對這些特定的功能，只要通過設置特定的緩沖單元已定義的位就可輕松實現(xiàn)。如通過如下簡短程序，當按下返回原位按鈕（本例用X10）或通過觸摸屏內(nèi)置位某軟元件（本例用M66）即可驅(qū)動設備返回到原位，這對定位控制來說是非常方便而重要的。LDM8000TOK1K25K4M260K1LDX10ORM66OUTM266十一應用體會本人在長期應用三菱公司的FX系列產(chǎn)品中，有如下幾點體會：1功能強大FX系列PLC配置了強大而完善的功能指令，尤其是FX2N系列PLC，按其功能分類共有程序流向、傳送和比較、四則運算和邏輯運算、循環(huán)移位與移位、數(shù)據(jù)處理、高速處理、便利命令、外部機器I/O、外部機器SER、浮動、時鐘運算、二進制循環(huán)碼以及接點比較共13大類130條指