基于PLC的伺服定位控制系統(tǒng)在筷子烙印機上的應用

1、基于PLC的伺服定位控制系統(tǒng)在筷子烙印機上的應用祖龍起，田甜（大連工業(yè)大學信息科學與工程學院 ，遼寧 大連 116034）摘要：介紹一種由伺服馬達、PLC、觸摸屏等設備來解決筷子烙印機的精確定位方法，運用在新研制的筷子烙印機上，實現(xiàn)筷子烙印的精確定位、自動烙印，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。關鍵詞：筷子烙印機；伺服控制；PLC；精確定位；中圖分類號：TP 274 文獻標識碼： 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，就使得原本價格低廉的普通筷子身價倍增，不僅提升了這種筷子的價格，而且還可以作為一種工藝品具有了收藏價值。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)的筷子烙印機的運動是用類似于沖床樣式的簡單機械來實現(xiàn)的，完全人工送料即基本依靠人工手拿筷子在一個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，工人勞動強度大，運行噪音大，從而導致生產(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對機械手的自動控制，生產(chǎn)效率就會有大幅度提高。本文介紹一種由筷子包裝機基礎上改進的筷子烙印機控制系統(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動系統(tǒng)實現(xiàn)精確送料，一個用于筷子烙印的精確定位控制。同時本控制系統(tǒng)采用觸摸屏實現(xiàn)人機對話，能夠有效的監(jiān)控設備的運行狀況、顯示生產(chǎn)產(chǎn)量及修改系統(tǒng)參數(shù)。這種筷子烙印機一次可以同時對六根筷子烙印，大大的提高了勞動生產(chǎn)率，減輕了工人的

5、工作強度，實現(xiàn)了筷子烙印過程的自動化。1. 筷子烙印機的工藝簡介筷子烙印機由筷子分料機構(將成堆的筷子分開送至齒狀傳送帶槽位中)、筷子送料機構（一個由伺服馬達驅動帶動筷子前進循環(huán)往復旋轉運動的傳送機械帶）、筷子定位機構（一種由汽缸驅動完成上下前后運動的固定筷子的夾具）、機械手烙印機構（也是由汽缸驅動烙印模具上下運動的機械結構）等四部分機械結構組成。其中筷子定位和送料是同步進行的，由光電檢測和齒狀傳送帶槽位對筷子送料的原始位置（原點）和烙印位置進行檢測，經(jīng)PLC脈沖控制單元計算后，控制伺服馬達驅動筷子前進運動的機械傳送帶傳送至烙印位置上，然后由固定筷子的夾具（汽缸驅動）機構將筷子夾緊，之后由汽缸

6、驅動烙印模具上下運動的機械手完成筷子烙印動作，筷子烙印機械手上帶有6個模具，因此一次可以同時對6根筷子進行烙印形成成品，筷子烙印機械手退出以后，齒狀傳送帶又開始下一次送料循環(huán)往復運動。其工藝結構示意圖如圖1所示。圖1 筷子烙印機工藝示意圖2.系統(tǒng)組成筷子烙印機系統(tǒng)由現(xiàn)場設備部分、PLC控制系統(tǒng)部分、伺服馬達部分、人機界面(觸摸屏)組成?，F(xiàn)場設備主要包括：筷子分料機構(將成堆的筷子分開一根一根的傳送帶槽位中)，、筷子送料機構（一個由伺服馬達驅動帶動筷子前進往復旋轉運動的傳送機械帶）、筷子定位機構（一種由汽缸驅動完成上下前后運動的固定筷子的夾具）、機械手烙印機構（也是由汽缸驅動烙印模具上下運動的機

7、械結構）。PLC控制系統(tǒng)包括：Fx2N-24MT PLC控制器、FX2N-1PG脈沖控制單元、氣動電磁閥、驅動繼電器；伺服控制部分包括：伺服驅動器及伺服馬達?？曜铀土蠙C構按照一定的速度帶動被烙印的筷子，把筷子準確的送入烙印的位置上，是控制的關鍵所在，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位置的準確性，但長時間連續(xù)運轉可能會因為機械損耗導致偏差，因此送料軸也需要定位信號檢測進行實時糾偏，檢測定位信號采用了紅外光電傳感器作為原點信號檢測，與送料機構主軸同步參數(shù)實時跟隨，從而保證其運動控制與模具位置相一致。3控制系統(tǒng)

8、硬件系統(tǒng)設計本控制系統(tǒng)的硬件包括：接觸器、控制電源、PLC、脈沖模塊、伺服驅動器、伺服驅動馬達等。對于筷子烙印機，采用三菱公司的FX2N-IPG是一款非常經(jīng)濟合適的運動控制器，配合三菱公司的整套系統(tǒng)產(chǎn)品，構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 人機界面?？紤]到經(jīng)濟實用，人機界面采用三菱公司的GOT930觸摸屏，在觸摸屏上可以進行速度、產(chǎn)量。運行監(jiān)視操作和運行參數(shù)記錄，觸摸屏是系統(tǒng)的操作員站，人機對話簡單方便、系統(tǒng)組態(tài)便于修改和擴充，并且觸摸屏具有可以長期穩(wěn)定運行的優(yōu)點。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：io最大可支持256點、程序執(zhí)行更快、全面增強通信功能、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)絡模塊?？紤]到此自動機生產(chǎn)1組筷子產(chǎn)品的設計周期時間為12秒，故外圍控制電路的動作次數(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 出輸入信號名稱輸入點地址元件名稱、代號輸出點地址伺服脈沖輸入X000夾緊油缸推動電磁鐵Y001系統(tǒng)單速定位啟動按鈕X001夾緊油缸拉動電磁鐵Y002Y002夾具汽缸手動上升按鈕X002刀

10、架縱向動作電磁鐵YC3Y010手動/自動轉換開關X003夾具汽缸上升Y011系統(tǒng)停X004夾具汽爪夾緊（左）Y012烙印汽缸手動下降按鈕X005夾具汽爪夾緊（右）Y014筷子原點信號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X011   夾具汽缸上升到位信號X012   烙印汽缸上升到位信號X013   烙印汽缸下降到位信號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獨立軸的簡單定位，通過該單元向伺服驅動放大器提供指定數(shù)量的脈沖(最大5M PPS)來實現(xiàn)的。脈沖發(fā)生單元作為一個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點輸入或輸出與PLC進行數(shù)據(jù)傳輸。一個PLC可以連接高達8個脈沖發(fā)生單元，從而實現(xiàn)8個獨立的操作。脈沖發(fā)生單元與伺服驅動單元的連接關系如圖3所示。圖中，F(xiàn)X2N-1PG模塊的輸出端有5個連接終端端子與伺服驅動單元相連接。其中FP端為使伺服馬達正轉的脈沖列輸出端，RP端為使伺服馬達反轉的脈沖列輸出端，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。本設備的零點定位操作位信號采用PLC的端子進行控制，因此FX2N-1PG模塊中的PG0端子未用。3.4伺服驅動器：伺服驅動器采用最早進入中國的日本三洋公司的SANMOTION R系列RS1A03AA交流伺服驅動系統(tǒng)。它具有響應速度快、精度高、體積小，價格低等優(yōu)點。而且具有實時自動增益調(diào)整功能，參數(shù)設置共有多達13組幾百個參數(shù)設置方法。速度響應頻率達1000Hz，位置指令脈沖最大頻率可達5M脈沖/秒，具有位置控制、速度控制、轉矩控制、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動單元連接 RS1A03AA交流伺服

13、驅動器的參數(shù)設置:第一組Group0(自動調(diào)整模式設定)參數(shù)設置：00(調(diào)整模式選擇)=00（自動調(diào)整） 01(自動調(diào)整特性設定)=00（通用定位控制） 02(調(diào)整響應速率設定)=5（標準速率設定） 03(參數(shù)自動保存設定)=00（參數(shù)自動保存）10(自動濾波器調(diào)整的轉矩指令值)=50（標準設定值）20(自動抑振頻率調(diào)整的轉矩指令值)=25（標準設定值）21(自動抑振頻率調(diào)整時的摩擦轉矩補償量)=5（標準設定值）第二組Group1(基本控制)參數(shù)設置：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（標準設定值） 03(位置控制器的積分常數(shù))=1000（比例控制

14、）05(前饋補償增益)=20第八組Group8(控制系統(tǒng))參數(shù)設置：00（輸入極性位置、速度、轉矩指令）=00（位置、速度、轉矩均為正向即PC+_VC+_TC+）11(指令脈沖輸入選擇)=02 (符號+脈沖序列有效)12(指令脈沖輸入極性)=00(脈沖上升沿有效)15（電子齒輪標準設置值)=1/1（此處設為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置每單位指令脈沖對應的電機速度和位移量(脈沖當量)當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，可以用電子齒輪功能(指令脈沖倍頻)來對指令脈沖作×m倍頻。用法：當編碼器采用2000P/R，伺服馬達采用4

15、800RPM時，需編碼器脈沖為2000P/R*4倍=8000（P/R），即此時電機每轉一圈所需的脈沖數(shù)為8000。應用：本控制系統(tǒng)中兩根筷子的間距為10mm，系統(tǒng)設計要求為電機轉一圈傳送帶移動10mm，伺服電機每接受一個脈沖傳送帶移動001mm。伺服馬達外配的減速齒輪的減速比為1：8。電機轉一圈所需脈沖數(shù)f=10001×8=8000，所以設置f2=8000。4.系統(tǒng)軟件4.1 設計思想根據(jù)控制要求軟件的總體設計思想：通過觸摸屏點動控制設置烙印機的原點位置，不論傳送帶處于任何位置必須先返回到原始檢測位置(原點位置的光電開關)，PLC通過對原點位置檢測確認以后，發(fā)出相應的脈沖信號，控制伺

16、服電機帶動傳送帶移動到烙印模位置之后停下來，然后再由PLC發(fā)出指令控制汽動加熱后的烙模上下運動對筷子進行烙印的。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烙印模位置就是設備的控制關鍵。因此原點位置設置及調(diào)整(或進或退)就非常關鍵了?？紤]到這一點，程序設計時，既有手動調(diào)整原點，又有自動尋找原點程序。所設計的軟件流程圖如圖4所示。圖4 軟件流程圖4.2程序編制 PLC程序編制軟件設計程序包括兩部分：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)程序主要負責系統(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就是要控制伺服電機帶動傳送帶使筷子精確定位。定位是整個系統(tǒng)的關

17、鍵，應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)生的正轉脈沖進行當前值增加計算，并將其保存至C235計數(shù)器中，在編程中使用FROMTO指令，驅動伺服驅動到烙模模位置，從而實現(xiàn)筷子精確定位。但計數(shù)必須從原點開始，因此上電和初始運行時，必須執(zhí)行原點回歸，將機械動作的原點位置的數(shù)據(jù)事先寫入。PLC控制控制程序除伺服馬達控制程序外，還包括汽缸控制程序和保護控制程序。其中伺服馬達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。編程時首先要對FX2N-IPG單元內(nèi)部的緩沖存儲器(BFM)的參數(shù)進行設

18、置，然后在程序中用指令FROMTO實現(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)部緩沖存儲區(qū)(BFM)的參數(shù)定義BMF地址編號位定義(讀/寫)高十六位低十六位B15B14B13B12B11B10B9B8B7B6B5B4B3B2B1B0#0脈沖速率（馬達旋轉一圈所需要的脈沖數(shù)）132767PLS/REV 初始值：2000 PLS/REV#2#1進給速率（馬達旋轉一圈機械位移量）1999999（1um/R）初始值：1000 PLS/REV#3STOP輸入模式STOP輸入極性計數(shù)開始定時DOG輸

19、入極性原位返回方向旋轉方向脈沖輸出格式定位數(shù)據(jù)倍數(shù)馬達系統(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（點動速度）VJOG 1010000Hz 初始值： 100000Hz#10#9原點返回速度（高速返回）VRT 1010000Hz 初始值： 50000Hz#11原點返回速度（爬行速度返回）VCT 1010000Hz 初始值： 1000Hz#12用于原點返回的0點信號數(shù)目N 032767 PLS 初始值： 10PLS #14#13原點位置 HP 0±999999 初始值： 0#15加/減

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