自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線裝箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線裝箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要該自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線的裝箱控制系統(tǒng)采用“PLC+HMI”的上、下位機(jī)控制模式，以HMI作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的可視化監(jiān)控；以PLC作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精準(zhǔn)位置控制。為了進(jìn)一步提高自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線的裝箱效率，采用伺服反復(fù)示教的方法，記錄夾爪不同的等待、抓取、橫移、旋轉(zhuǎn)及放料位置，最終通過對(duì)比得到，在一個(gè)工作周期內(nèi)，較優(yōu)裝箱路徑下鋼瓶自動(dòng)裝箱的平均時(shí)間約為13.9s，相較于傳統(tǒng)裝箱路徑下縮短了時(shí)間，并且運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠，可以在智能工廠中廣泛運(yùn)用。關(guān)鍵詞：裝箱控制系統(tǒng)；PLC；HMI；伺服反復(fù)示教

目錄TOC\o"1-3"\h\u28640引言 引言隨著人們生活水平的提高和自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，企業(yè)對(duì)裝箱控制系統(tǒng)的要求也越來越高[1]，產(chǎn)品裝箱逐步從手工裝箱發(fā)展為半自動(dòng)、自動(dòng)裝箱[2]。在自動(dòng)裝箱控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的控制方式具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、維修繁瑣、不方便擴(kuò)展等缺陷，不能滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化的需求[3]。鑒于PLC抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定，觸摸屏具有圖形化顯示功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的變化[4]。因而提出了采用PLC和觸摸屏相結(jié)合的控制方式來解決浙江某企業(yè)鋼瓶自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線上裝箱控制的問題。將自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線的“開箱、噴碼、裝箱過程”作為研究對(duì)象，并根據(jù)工作要求，開箱機(jī)折疊紙箱并下料至輸送帶；顏色識(shí)別傳感器對(duì)鋼瓶進(jìn)行分類，再通過噴碼機(jī)對(duì)鋼瓶噴碼[5]；紙箱側(cè)的相機(jī)對(duì)紙箱所選取的特征部分進(jìn)行示教對(duì)比，篩選出不合格的紙箱[6]；最后，完成自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線的鋼瓶裝箱工作[7]。整個(gè)過程具有承載能力強(qiáng)、工作節(jié)拍可調(diào)且運(yùn)動(dòng)定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，可替代人工開箱、噴碼、裝箱工作[8]，做到在滿足自動(dòng)控制要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化運(yùn)行，從而為企業(yè)節(jié)省人力成本[9]。1裝箱控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)本文主要研究自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線的裝箱控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由橫梁、減速機(jī)、抓手系統(tǒng)（夾爪、氣缸）、傳動(dòng)系統(tǒng)（滾珠絲杠）以及伺服系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)升降及橫移伺服電機(jī)的三軸聯(lián)動(dòng)。裝箱控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。圖1裝箱控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)1.電氣控制柜2.橫移伺服電機(jī)3.紙箱輸送板鏈4.變頻電機(jī)5.坦克鏈6.裝箱控制系統(tǒng)機(jī)架7.滾珠絲杠8.升降伺服電機(jī)19.升降伺服電機(jī)210.鋼瓶11.1#夾爪12.2#夾爪13.3#夾爪14.4#夾爪15.導(dǎo)軌2裝箱控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1裝箱控制系統(tǒng)的介紹該裝箱控制系統(tǒng)是以PLC控制器和伺服電機(jī)為核心，并搭配工控機(jī)，觸摸屏，變頻器，變頻電機(jī)，電磁閥，氣缸，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)，升降軸1、2及橫移軸的絲桿組件，夾爪等機(jī)構(gòu)構(gòu)成，裝箱控制系統(tǒng)的集成框圖如下所示。圖2裝箱控制系統(tǒng)的集成框圖2.2裝箱控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定針對(duì)裝箱控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，主要集中于伺服驅(qū)動(dòng)器部分。伺服驅(qū)動(dòng)器選用松下MinasA6系列，速度波動(dòng)率小，具有超程限制、伺服報(bào)警、定位完成等功能[10]，可滿足裝箱控制系統(tǒng)的要求[11]。伺服控制模式選用位置控制，指令脈沖輸入方式設(shè)定為“脈沖數(shù)量+脈沖方向”。因裝箱過程中要求移動(dòng)速度高，加、減速度大，故在升降軸1、2處增設(shè)了減速機(jī)。通用計(jì)算公式：當(dāng)Pr0.08參數(shù)為0時(shí)：脈沖當(dāng)量=螺距/（減速比*伺服每轉(zhuǎn)一周的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)）針對(duì)該裝箱控制系統(tǒng)，將升降軸1、2及橫移軸的設(shè)定值pr0.08=2500。其中升降軸1、2及橫移軸的絲桿導(dǎo)程為10mm，升降軸1、2上的減速比為10：1。通過計(jì)算可以得到：升降軸1的脈沖當(dāng)量=10/（2500*10）=0.004mm/plus升降軸2的脈沖當(dāng)量=10/（2500*10）=0.004mm/plus橫移軸的脈沖當(dāng)量=10/2500=0.04mm/plus3裝箱控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1裝箱控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)根據(jù)裝箱控制系統(tǒng)的工藝要求，采用KVSTUDIO編程軟件進(jìn)行編程，在對(duì)PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)，由于單元模塊間的各個(gè)工序與系統(tǒng)對(duì)接信號(hào)較多，控制過程較為復(fù)雜，故需要先劃分各個(gè)子模塊，從而將上述動(dòng)作有序地組合并模塊化，主要包含：裝箱控制系統(tǒng)的初始化、原點(diǎn)復(fù)歸、伺服示教、伺服運(yùn)動(dòng)等[12]。將程序劃分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行模式：在手動(dòng)模式下支持動(dòng)作編輯、系統(tǒng)設(shè)置及各個(gè)工序的參數(shù)設(shè)定，自動(dòng)模式下支持裝箱控制系統(tǒng)的正常工作。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，PLC控制器先通過與伺服驅(qū)動(dòng)器相連的脈沖I/O口向其發(fā)送脈沖信號(hào)，從而控制伺服電機(jī)的運(yùn)行，并在人機(jī)交互界面中實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（運(yùn)轉(zhuǎn)速度和方向），該系統(tǒng)的軟件平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)該功能的保障。3.1.1裝箱控制系統(tǒng)的初始化裝箱控制系統(tǒng)的初始化部分主要包含各軟元件恢復(fù)到原位，異常狀態(tài)檢測(cè)以及伺服定位模塊運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，夾爪等待位、抓取位、橫移位、旋轉(zhuǎn)位、放料位以及當(dāng)前位置的讀取等。在電源接通后幾秒鐘內(nèi)，伺服單元可能因初始動(dòng)作不穩(wěn)定而報(bào)警，故給出運(yùn)動(dòng)控制條件：先確認(rèn)運(yùn)動(dòng)命令OFF，并將伺服使能ON，再分別設(shè)定各個(gè)運(yùn)動(dòng)指令。其中，升降軸1初始化子程序及其動(dòng)作流程如下圖3、4所示。圖3升降軸1初始化子程序圖4初始化動(dòng)作流程圖3.1.2裝箱控制系統(tǒng)的原點(diǎn)復(fù)歸裝箱控制系統(tǒng)的原點(diǎn)復(fù)歸方式采用原點(diǎn)傳感器上升沿，設(shè)定復(fù)歸的方向?yàn)镃CW，存在起始位置為CW側(cè)、CCW側(cè)、在原點(diǎn)傳感器范圍內(nèi)等幾種情況。對(duì)于橫移伺服電機(jī)來說，其CW側(cè)指的是紙箱方向，CCW側(cè)指的是鋼瓶方向；對(duì)于升降伺服電機(jī)1、2來說，其CW側(cè)指的是下方靠近鋼瓶流水線方向，CCW側(cè)指的是上方絲杠導(dǎo)軌固定支座方向。在每次斷電重啟后歸零標(biāo)志位會(huì)復(fù)位，故必須要在設(shè)備啟動(dòng)前進(jìn)行復(fù)位，保證三個(gè)伺服電機(jī)的機(jī)械位置符合啟動(dòng)要求。在伺服電機(jī)返回原位時(shí)，受到機(jī)械干涉的影響，需要對(duì)各軸原點(diǎn)復(fù)歸的順序進(jìn)行限定，必須先將升降伺服電機(jī)1、2升至安全位置，再將橫移伺服電機(jī)復(fù)歸回原點(diǎn)，防止出現(xiàn)碰撞鋼瓶、設(shè)備損壞的現(xiàn)象。其中，以起始位置在CW側(cè)為例，其動(dòng)作流程如下圖5所示。圖5上升沿方式下的動(dòng)作流程圖伺服電機(jī)開始以2000Hz的速度起動(dòng)，稱為原點(diǎn)復(fù)歸的起動(dòng)速度；以500Hz/ms的速度加速，稱為加速度；以500Hz/ms的速度減速，稱為減速度；加速或減速到30000Hz,稱為其運(yùn)轉(zhuǎn)速度。原點(diǎn)復(fù)歸參數(shù)設(shè)定界面如下圖6所示。圖6原點(diǎn)復(fù)歸參數(shù)設(shè)定ORG是原點(diǎn)復(fù)歸指令，該指令是執(zhí)行原點(diǎn)復(fù)歸，并使機(jī)械位置與PLC內(nèi)當(dāng)前寄存器一致。其中，以升降軸1原點(diǎn)復(fù)歸程序?yàn)槔?，升降軸1上的原點(diǎn)傳感器輸入信號(hào)，則原點(diǎn)復(fù)歸動(dòng)作完成。圖7軸1原點(diǎn)復(fù)歸程序3.1.3裝箱控制系統(tǒng)的伺服示教示教前復(fù)位按鈕將高速計(jì)數(shù)器的值、相關(guān)標(biāo)志位和所用通道全部清零[13]。在示教過程中，根據(jù)裝箱控制系統(tǒng)的實(shí)際使用要求，結(jié)合各點(diǎn)位的操作按鈕完成對(duì)夾爪抓取路徑的規(guī)劃；接著，通過上位機(jī)控制升降軸1、2，橫移軸上的伺服電機(jī)，從而帶動(dòng)夾爪點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行到控制點(diǎn)位，包含夾爪等待位、抓取位、橫移位、旋轉(zhuǎn)位及放料位，并經(jīng)過示教將各點(diǎn)位脈沖當(dāng)前值保存到相應(yīng)的、具有斷電保存功能的數(shù)據(jù)寄存器中。示教完成后，夾爪先返回原位，再按照控制點(diǎn)位順序運(yùn)動(dòng)，并完成指定的搬運(yùn)動(dòng)作，再進(jìn)行復(fù)位操作，如此循環(huán)往復(fù)。其中，升降軸1伺服示教程序及其動(dòng)作流程如下圖8、9所示。圖8軸1伺服示教程序3.1.4裝箱控制系統(tǒng)的伺服運(yùn)動(dòng)裝箱控制系統(tǒng)的伺服運(yùn)動(dòng)方式是在其高速輸出端向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出定位脈沖指令，其運(yùn)動(dòng)距離取決于發(fā)出的脈沖數(shù)量，運(yùn)動(dòng)速度取決于脈沖頻率。對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器而言，會(huì)接收到伺服電機(jī)的脈沖編碼器輸出的位置脈沖反饋，構(gòu)成一個(gè)半閉環(huán)的位置控制系統(tǒng)；對(duì)于控制器PLC而言，PLC發(fā)出的定位脈沖數(shù)與工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)位置是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的，PLC通過自身發(fā)出的定位脈沖數(shù)，間接測(cè)得工作臺(tái)的當(dāng)前位置。在本系統(tǒng)中，升降軸1、2控制夾爪的升降，橫移軸控制夾爪在鋼瓶及紙箱傳送帶間的行走，PSTRT是定位啟動(dòng)的專用指令，是向軸1點(diǎn)1、軸1點(diǎn)2、軸1點(diǎn)3、軸1點(diǎn)4，軸2點(diǎn)1、軸2點(diǎn)2、軸2點(diǎn)3、軸2點(diǎn)4，軸3點(diǎn)1、軸3點(diǎn)2、軸3點(diǎn)3等發(fā)送定位啟動(dòng)指令，從而完成輸送鋼瓶、抓取鋼瓶到鋼瓶裝箱整個(gè)周期的全自動(dòng)運(yùn)行，也包含出現(xiàn)異常時(shí)的自動(dòng)處理、箱少自動(dòng)補(bǔ)箱等操作。其中，以升降軸1點(diǎn)1的定位啟動(dòng)程序?yàn)槔?，如下圖10所示進(jìn)行說明。圖10軸1點(diǎn)1的定位啟動(dòng)程序在傳統(tǒng)的鋼瓶裝箱路徑下，一個(gè)工作周期內(nèi)鋼瓶裝箱的動(dòng)作流程如下：①1#夾爪、2#夾爪、3#夾爪、4#夾爪先在鋼瓶上方的等待位處等待，直到傳感器檢測(cè)到四個(gè)鋼瓶的到位信號(hào)，升降伺服電機(jī)1、2開始反轉(zhuǎn)，控制夾爪垂直向下運(yùn)動(dòng)到抓取位后，夾爪夾緊鋼瓶；②升降伺服電機(jī)1、2開始正轉(zhuǎn)，控制夾爪垂直向上運(yùn)動(dòng)到旋轉(zhuǎn)位；③升降伺服電機(jī)1、2停止運(yùn)轉(zhuǎn)，橫移伺服電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，控制夾爪向紙箱側(cè)運(yùn)動(dòng)直至紙箱正上方；④橫移伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，升降伺服電機(jī)1、2開始反轉(zhuǎn)，控制夾爪向下運(yùn)動(dòng)并深入紙箱中，直至夾爪運(yùn)動(dòng)到裝箱位，升降伺服電機(jī)1、2停止運(yùn)轉(zhuǎn)，夾爪松開；⑤升降伺服電機(jī)1、2正轉(zhuǎn)，控制夾爪向上運(yùn)動(dòng)到紙箱上方與鋼瓶等待位處于同一水平高度的位置，此時(shí)升降伺服電機(jī)1、2停止運(yùn)轉(zhuǎn)；橫移伺服電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，控制夾爪運(yùn)動(dòng)到鋼瓶正上方的等待位，裝箱控制系統(tǒng)停止運(yùn)行；⑥此時(shí)，鋼瓶自動(dòng)裝箱的一個(gè)工作周期完成。若按傳統(tǒng)的鋼瓶裝箱路徑，重復(fù)上述動(dòng)作數(shù)次，并記錄一個(gè)工作周期內(nèi)鋼瓶自動(dòng)裝箱的時(shí)間，從而計(jì)算出在傳統(tǒng)的鋼瓶裝箱路徑下，完成上述一個(gè)工作周期所需要的平均時(shí)間。為了進(jìn)一步提高自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線的裝箱效率，通過伺服反復(fù)示教的方法，多次記錄夾爪不同的等待、抓取、橫移、旋轉(zhuǎn)及放料位置，最終確定了一個(gè)較優(yōu)的鋼瓶裝箱路徑。在該較優(yōu)的鋼瓶裝箱路徑下，升降伺服電機(jī)1、2對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的脈沖量分別如下：鋼瓶上方等待位的目標(biāo)坐標(biāo)為250628PLS，鋼瓶抓取位的目標(biāo)坐標(biāo)為286000PLS，鋼瓶橫移位的目標(biāo)坐標(biāo)為188647PLS，鋼瓶可旋轉(zhuǎn)安全位的目標(biāo)坐標(biāo)為77617PLS，放料位的目標(biāo)坐標(biāo)為384000PLS；橫移伺服電機(jī)對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的脈沖量分別如下：紙箱線上方放置點(diǎn)的目標(biāo)坐標(biāo)為-154639PLS，鋼瓶線上方放置點(diǎn)的目標(biāo)坐標(biāo)為-1905PLS。同時(shí)記錄在該路徑下，一個(gè)工作周期鋼瓶自動(dòng)裝箱時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如下表1所示。表1一個(gè)工作周期鋼瓶自動(dòng)裝箱時(shí)間將表格中上述8個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出如下圖所示的圖像，如下圖11所示。圖11一個(gè)工作周期鋼瓶自動(dòng)裝箱時(shí)間根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，在較優(yōu)的鋼瓶裝箱路徑下，完成一個(gè)工作周期所需的平均時(shí)間約為13.9s，相較于傳統(tǒng)的鋼瓶裝箱路徑，進(jìn)一步縮短了裝箱時(shí)間，并且該系統(tǒng)可以在1分鐘內(nèi)完成16個(gè)鋼瓶入箱的工作任務(wù)，滿足了自動(dòng)化生產(chǎn)線的節(jié)拍。3.2裝箱控制系統(tǒng)的可視化監(jiān)控觸摸屏主要用于對(duì)整個(gè)裝箱控制系統(tǒng)運(yùn)行過程的可視化監(jiān)控，分為手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行，其中手動(dòng)運(yùn)行用于調(diào)試、復(fù)位或檢修操作，自動(dòng)運(yùn)行用于正常生產(chǎn)[14]。該系統(tǒng)主要包含系統(tǒng)控制、參數(shù)設(shè)置、I/O監(jiān)控、診斷報(bào)警等功能[15]，并需要在UtilityManager軟件上添加相應(yīng)的畫面，放置狀態(tài)切換開關(guān)、位狀態(tài)指示燈、顯示框、以及文本框等控件[16]；然后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的編輯設(shè)計(jì)和屬性設(shè)置；最后將編輯好的畫面進(jìn)行離線仿真，來確保每個(gè)控件可以正常切換使用，以便實(shí)時(shí)顯示夾爪的運(yùn)行狀態(tài)、位置坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，人機(jī)交互界面上會(huì)顯示相應(yīng)的報(bào)警提示。以手動(dòng)、自動(dòng)及參數(shù)設(shè)置界面為例，其HMI離線仿真界面如下圖12所示。圖12HMI離線仿真界面4裝箱控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝箱控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)完畢后，再結(jié)合總體電路接線圖完成伺服部分以及其他電氣部件的接線。通電后，首先對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行參數(shù)配置，將伺服參數(shù)傳入伺服驅(qū)動(dòng)器中，再通過工控機(jī)分別將PLC程序和HMI界面下載到控制器PLC和觸摸屏上，實(shí)現(xiàn)PLC與HMI間的通訊；然后在PLC控制器上完成參數(shù)設(shè)定，將升降伺服電機(jī)1、2起動(dòng)速度的脈沖輸出量設(shè)定為100000Hz，加減速度設(shè)定為350Hz/ms；橫移伺服電機(jī)起動(dòng)速度的脈沖輸出量設(shè)定為85000Hz，加減速度設(shè)定為400Hz/ms，并設(shè)定升降伺服電機(jī)1、2及橫移伺服電機(jī)的正、負(fù)限位和原點(diǎn)位置。根據(jù)自動(dòng)化生產(chǎn)線的加工順序在觸摸屏上進(jìn)行動(dòng)作編輯，對(duì)每個(gè)I/O點(diǎn)和PLC程序模塊進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試過程中，其操作指令由HMI發(fā)出，從而控制升降伺服電機(jī)1、2，橫移伺服電機(jī)以及夾爪的夾緊、松開狀態(tài)。通過伺服反復(fù)示教獲得夾爪等待位、抓取位、橫移位、旋轉(zhuǎn)位及放料位等位置點(diǎn)的信息后，并保存各位置點(diǎn)在示教過程中的脈沖數(shù)據(jù)信息。其中，在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下的參數(shù)設(shè)置界面中，各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)位置信息如下圖13所示。圖13示教過程中關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過一段時(shí)間的生產(chǎn)使用，裝箱控制系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)、手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行等功能，較好地完成裝箱工作；并且采用伺服反復(fù)示教的方法來改變各控制點(diǎn)位的脈沖量，在保證生產(chǎn)線不間斷運(yùn)行的同時(shí)，可以進(jìn)一步提高自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線的鋼瓶裝箱效率，從而提高生產(chǎn)效益。結(jié)語(yǔ)根據(jù)自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線的工作要求，對(duì)其裝箱控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用“PLC+HMI”的上、下位機(jī)控制模式，以HMI作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的可視化監(jiān)控,以PLC作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精準(zhǔn)位置控制。實(shí)驗(yàn)表明，該裝箱控制系統(tǒng)不僅能夠高速、高精度控制夾爪運(yùn)行，還能實(shí)時(shí)監(jiān)控夾爪的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)16個(gè)鋼瓶/min的裝箱速度，滿足設(shè)計(jì)要求和實(shí)際應(yīng)用，為自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線提供了解決方案，可以在智能工廠中得到廣泛運(yùn)用。

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