引言
隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷提高和發(fā)展，各種機(jī)床對(duì)送料裝置的要求越來(lái)越高，呈現(xiàn)出高精度化、高速度化、高柔性化、高自動(dòng)化、高可靠性等特點(diǎn)。全自動(dòng)生產(chǎn)線可以改善勞動(dòng)條件和生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)化程度的要求越來(lái)越高。在我國(guó)注塑行業(yè)蓬勃發(fā)展的大環(huán)境下，很多企業(yè)提出改進(jìn)傳統(tǒng)操作工序的需求，由于目前使用的旋臂式、氣動(dòng)式和單軸伺服注塑機(jī)機(jī)械手不能滿(mǎn)足某注塑廠家的特定自動(dòng)送料要求，因此設(shè)計(jì)了一種多軸的臥式注塑機(jī)全自動(dòng)送料系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理
該全自動(dòng)送料系統(tǒng)將卷繞在料盤(pán)上的料帶剪成單個(gè)嵌片，通過(guò)機(jī)械手將嵌片送入臥式注塑機(jī)，并將注塑好的成品取出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括: 導(dǎo)料槽、剪料機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)可以在在垂直的 X 軸、Y 軸、Z 軸三個(gè)方向自由運(yùn)動(dòng)，有 X1 軸、Y1 軸、X2 軸、Z 軸、Y2 軸5 個(gè)滑臺(tái)，還有 1 個(gè)可以 90°旋轉(zhuǎn)的手爪。滑臺(tái)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿的傳動(dòng)方式，每個(gè)滑臺(tái)上有 3 個(gè)位置傳感器( 上限傳感器、零點(diǎn)傳感器以及下限傳感器) 。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
1． 導(dǎo)料槽一 2． 導(dǎo)料槽二 3． 剪料機(jī)構(gòu) 4． X1 軸滑臺(tái)
5． 取料機(jī)構(gòu) 6． 接料盤(pán) 7． Y1 軸滑臺(tái) 8． X2 軸滑臺(tái)
9． Y2 軸滑臺(tái) 10． Z 軸滑臺(tái) 11． 抓料手爪
圖 1 臥式注塑機(jī)全自動(dòng)送料系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
料帶送入導(dǎo)料槽后，在導(dǎo)料電機(jī)和齒輪將料帶送到剪料盤(pán)中剪料; 剪料完成后，取料盤(pán)運(yùn)動(dòng)到剪料盤(pán)上方，在氣缸作用下利用真空將料片吸住; 取料盤(pán)在伺服電機(jī)和升降氣缸作用下將料片精確放置在嵌片接料盤(pán)上，嵌片接料盤(pán)真空發(fā)生，將料片吸住以免掉落; 料片放置后，接料盤(pán)將料片送至設(shè)定的工位，此時(shí)，嵌片接料盤(pán)上的真空破壞，抓料手爪上的真空吸盤(pán)產(chǎn)生真空，將四片料片吸住，并送到設(shè)定的工位，抓料手爪上有 8個(gè)真空吸盤(pán)，前 4 個(gè)是成品抓料吸盤(pán)，后 4 個(gè)是嵌片抓料吸盤(pán)，到達(dá)工位后送料真空吸盤(pán)支架翻轉(zhuǎn) 90°，從水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到豎直狀態(tài)。抓料手爪如圖 2 所示。
1． 成品抓料盤(pán) 2． 嵌片抓料盤(pán) 3． 翻轉(zhuǎn)電機(jī)
圖 2 抓料手爪
2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)由 3 臺(tái) PLC( 6ES7 226-2AD23-0XB8) 、8臺(tái)伺服電機(jī)及伺服電機(jī)控制器、2 臺(tái)步進(jìn)電機(jī)、電磁閥和真空閥等設(shè)備組成。電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖 3 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1 PLC 的端口分配
PLC 之間通過(guò) PPI 總線的方式進(jìn)行聯(lián)系，其中 1個(gè) PLC 與觸摸屏連接，另外 2 個(gè) PLC 內(nèi)部的信息先與該 PLC 交換，再進(jìn)入觸摸屏。系統(tǒng)主要輸入信號(hào)有:啟停控制信號(hào) 9 個(gè)，位置檢測(cè)信號(hào) 25 個(gè)，共 34 個(gè); 主要輸出信號(hào)有: 脈沖輸出信號(hào) 12 個(gè)，電磁閥控制信號(hào)9 個(gè)，電機(jī)控制信號(hào) 6 個(gè)，共 27 個(gè)。輸入輸出信號(hào)的具體作用和地址分配如表 1 所示。
表 1 PLC 的主要 I/O 分配表
2.2 PLC 控制程序
1) 系統(tǒng)控制流程
初始時(shí)，按下復(fù)位按鈕 SB3，使機(jī)械手位于原位工作點(diǎn)，然后按下啟動(dòng)按鈕 SB2，整個(gè)送料系統(tǒng)的工作過(guò)程如下: 導(dǎo)料槽導(dǎo)料、剪料盤(pán)一次剪切兩片嵌片、取料盤(pán)吸取兩片嵌片、接料盤(pán)上放置兩嵌片，并向前移動(dòng)一步、重復(fù)剪切、吸取兩嵌片，并放置于接料盤(pán)上、接料盤(pán)一次運(yùn)送四片嵌片、抓料盤(pán)吸料、抓料盤(pán)翻轉(zhuǎn) 90°、成品抓料盤(pán)將注塑工位的成品取出、嵌片抓料盤(pán)將嵌片送到注塑工位、機(jī)械手退出注塑機(jī)，抓料盤(pán)翻轉(zhuǎn)至水平、夾爪松開(kāi)，成品落入接料框中。取料盤(pán)吸料時(shí)，為了避免料片因振動(dòng)而脫落，X1 軸取料氣缸先行剪料氣缸后行。如果沒(méi)有停止信號(hào)，送料系統(tǒng)機(jī)械手按照以上過(guò)程循環(huán)操作。在任何時(shí)候按下停止按鈕 SB1，機(jī)械手將完成當(dāng)前工作周期后停止工作。
按照上述控制要求，該送料系統(tǒng)的 PLC 控制流程如圖 4 所示。臥式注塑機(jī)全自動(dòng)送料系統(tǒng)具有多軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程，按照機(jī)械手動(dòng)作的先后順序進(jìn)行控制，因此采用順序控制設(shè)計(jì)法進(jìn)行程序編寫(xiě)。
圖 4 PLC 控制流程圖
2) 伺服電機(jī)控制
電機(jī)采用 APM-SA01ACN 伺服電機(jī)，控制器型號(hào)為 L7SA002A，與步進(jìn)電機(jī)相比，交流伺服電機(jī)在控制精度、共振抑制功能、過(guò)載能力、控制性能等方面都有其顯著的優(yōu)點(diǎn)，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
該伺服系統(tǒng)根據(jù)與上位控制器的 Interface 方式不同，可以使用多樣化的結(jié)構(gòu): 位置運(yùn)行系統(tǒng)、速度運(yùn)行系統(tǒng)以及扭矩運(yùn)行系統(tǒng)。在這里我們采用速度運(yùn)行系統(tǒng)模式，目的就是讓伺服電機(jī)根據(jù)控制要求最快速的進(jìn)行動(dòng)作響應(yīng)，速度控制是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，組成速度控制回路，即速度環(huán)，該控制模式優(yōu)點(diǎn)為伺服響應(yīng)快且易于精確控制，其控制原理如圖 5 所示。
圖5 速度運(yùn)行模式原理圖
S7-200CPU PLC 提供 2 個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)( Q0． 0和 Q0． 1) ，可以分別工作在 PTO( 脈沖串輸出) 和 PWM( 脈寬調(diào)制) 狀態(tài)下，最大脈沖輸出頻率為 20 kHz，可以實(shí)現(xiàn)速度、位置和開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)采用高速脈沖串輸出 PTO 功能，PTO 功能可輸出一定脈沖個(gè)數(shù)和占空比為 50%的方波信號(hào)。
圖6 為高速脈沖輸出方式的控制原理圖，控制過(guò)程中，將伺服控制器工作定義在脈沖 + 方向模式下。PTO 輸出方式?jīng)]有專(zhuān)門(mén)的位置控制指令，只有一條脈沖串輸出指令，而且在脈沖發(fā)送過(guò)程中不能停止，也不能修改參數(shù)，為解決上述問(wèn)題，設(shè)置脈沖計(jì)數(shù)值等于10 或更小，并使脈沖發(fā)送指令 PLS 處于激活狀態(tài)，這樣就可以在任一脈沖串發(fā)送完之后修改脈沖周期。
圖6 集電極輸出( 24 V) 脈沖輸入
3) 定位過(guò)程
定位過(guò)程是通過(guò) S7-200 的 CPU 輸出脈沖序列來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖 7 所示。編程過(guò)程中使用到庫(kù)中的定位模塊，為了充分利用定位模塊，軸上需設(shè)置 3 個(gè)限位開(kāi)關(guān): 參考點(diǎn)開(kāi)關(guān)( 零點(diǎn)) 、正向計(jì)數(shù)限位開(kāi)關(guān)( 上限) 、反向計(jì)數(shù)限位開(kāi)關(guān)( 下限) 。機(jī)械手操作過(guò)程需要衡量其零參考點(diǎn)位置，編程中應(yīng)用到定位模塊庫(kù)中的 Q0_x_Home，該模塊是在預(yù)設(shè)方向啟動(dòng)尋找參考點(diǎn)。載物體沿著軸移動(dòng)，直到到達(dá)限位開(kāi)關(guān)( 上限或下限) 時(shí)，軸減速運(yùn)動(dòng)并開(kāi)始從相反方向?qū)ふ覅⒖键c(diǎn)。參考點(diǎn)尋找完畢后，CPU 向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一個(gè)脈沖序列( 動(dòng)力輸出) 和定向信息( 電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向) 。
圖7 定位過(guò)程示意圖
伺服驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)定子中取決于頻率( 與速度成正比) 的三相電壓，并提供給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過(guò)編碼器將速度控制的實(shí)際值返回給伺服驅(qū)動(dòng)器。編碼器信號(hào)以控制電源的 GND 為基礎(chǔ)輸出，將PLC 的 GND 端子與 CN1 的 GND 端子相連接，將 CN2所接收的伺服電機(jī)的編碼器信號(hào)，根據(jù)所設(shè)置的分頻器進(jìn)行分頻，以線驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行輸出。編碼器輸出信號(hào)原理如圖 8 所示。
圖 8 編碼器輸出信號(hào)控制原理
3 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
臥式注塑機(jī)全自動(dòng)送料機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)如圖 9所示，氣動(dòng)系統(tǒng)包括 4 個(gè)氣缸以及多個(gè)電磁閥，其中氣缸作用如下: 驅(qū)動(dòng)剪料刀具上下行運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng) X1 軸上取料盤(pán)上下運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)抓料盤(pán)夾爪的放松或夾緊，驅(qū)動(dòng)成品抓料盤(pán)運(yùn)動(dòng)。剪料氣缸、X1 軸取料氣缸和成品抓料盤(pán)氣缸采用雙作用氣缸，夾爪采用單作用氣缸，均采用某公司的二位五通脈沖式電磁換向閥作為主控元件。為了使氣缸運(yùn)行速度比較平穩(wěn)，提高機(jī)械手的穩(wěn)定性及工作效率，在每一個(gè)獨(dú)立的氣動(dòng)回路都配有單向節(jié)流閥。該全自動(dòng)送料系統(tǒng)所氣動(dòng)回路的運(yùn)動(dòng)及先后順序都由 PLC 來(lái)進(jìn)行控制。
系統(tǒng)配備了 4 路真空發(fā)生器，真空發(fā)生器是用壓縮空氣產(chǎn)生真空度為 86. 7 kPa 的負(fù)壓來(lái)吸取嵌片或成品; 配備了 8 個(gè)電磁閥，其中 3 個(gè)雙電控作用電磁閥來(lái)控制雙作用氣缸，5 個(gè)單電控電磁閥來(lái)控制吸盤(pán)和單作用氣缸。
4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的人機(jī)界面采用 WECON LEVI777A-V 型號(hào)的電阻式觸摸屏，支持 ＲS232/ＲS485/ＲS422，該觸摸屏具有 2 個(gè)串口，支持 MPI 協(xié)議。觸摸屏設(shè)計(jì)包括界面設(shè)計(jì)和設(shè)定變量，并將變量與 PLC 連接。界面設(shè)計(jì)包含輸入/輸出區(qū)域組態(tài)、指示燈組態(tài)、功能鍵組態(tài)和文本顯示; 設(shè)定變量是將觸摸屏的組態(tài)功能與 PLC 對(duì)應(yīng)的 I/O 地址及存儲(chǔ)單元之間相連接，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作過(guò)程中將手動(dòng)設(shè)定的參數(shù)輸入到 PLC 中，以及將 PLC的當(dāng)前值輸入到觸摸屏并顯示在界面中，便于觀察機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。軟件控制系統(tǒng)界面如圖 10 所示。
1． 氣罐 2． 過(guò)濾調(diào)壓閥 3． 雙電控作用的電磁閥 4． 單電控作用的電磁閥 5． 單向節(jié)流閥 6． X1 軸取料氣缸 7． 剪料氣缸
8． 夾爪夾緊氣缸 9． 成品抓料盤(pán)氣缸 10． 真空發(fā)生器 11． 取料盤(pán)吸盤(pán) 12． 接料盤(pán)吸盤(pán) 13． 嵌片抓料盤(pán)吸盤(pán) 14． 成品抓料盤(pán)吸盤(pán)
圖 9 氣動(dòng)回路
圖 10 X1 軸調(diào)試臺(tái)界面
5 結(jié)論
臥式注塑機(jī)全自動(dòng)送料系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在它控制 6 個(gè)單軸運(yùn)動(dòng)來(lái)完成一個(gè)需要6 個(gè)自由度機(jī)械手才能完成的一系列導(dǎo)料、剪料以及送料動(dòng)作。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用 PLC 控制，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化送料，可以廣泛應(yīng)用于注塑送料取料。經(jīng)試驗(yàn)調(diào)試，該系統(tǒng)的控制精度達(dá)到 0. 002 mm，可滿(mǎn)足注塑機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用需求。根據(jù)注塑機(jī)的注塑循環(huán)過(guò)程和相應(yīng)的控制要求，設(shè)計(jì)了以 PLC 為核心的控制系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)具有快速、高效、高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了注塑機(jī)注塑全過(guò)程的自動(dòng)控制。
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本文標(biāo)題：基于 PLC 的臥式注塑機(jī)全自動(dòng)送料系統(tǒng)
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