全自動拋光機電氣控制系統(tǒng)設計*

安 靜

(廣東松山職業(yè)技術學院， 廣東 韶關 512126)

1 引 言

針對杯具、器皿的拋光方法和工藝，國內(nèi)生產(chǎn)的拋光機近年來在技術上雖有所突破，但市場上還缺少專門制造不銹鋼杯具的自動拋光設備，僅有的幾款半自動杯具拋光機，仍未解決傳統(tǒng)手工拋光工藝中出現(xiàn)的效率低及安全環(huán)保等問題，且市場現(xiàn)有大部分設備只針對一種規(guī)格或者同一杯形不同規(guī)格不銹鋼杯具的拋光，不能滿足多樣化的生產(chǎn)需求。

筆者研制的高效環(huán)保全自動不銹鋼杯類拋光機，結合拋光工藝，對設備的硬件進行配置，采用PLC和監(jiān)控組態(tài)軟件對全自動拋光機電氣控制系統(tǒng)系統(tǒng)來進行設計與實現(xiàn)的，全自動不銹鋼杯類拋光機可實現(xiàn)拋光工藝全部自動化。

2 拋光機設備及工藝流程

2.1 拋光機機械部分

全自動拋光機實物圖如圖1所示，其主要結構及功能如下：

(1) 皮帶輸送與定位機構：將物料(不銹鋼杯)自動輸送至指定位置并定位好。

(2) 夾杯旋轉(zhuǎn)機構：夾持物料轉(zhuǎn)動90°，使杯子變成水平布置,以利于杯子夾持裝置取料。

(3) 十字滑臺：可作同一水平面上的兩個方向往返運動,從而帶動安裝在其上的夾持機構進行取料、拋光、落料等動作,是拋光機的核心部件。

(4) 回轉(zhuǎn)式夾持裝置：夾緊杯子,模擬操作工人人手的作用，在十字滑臺的帶動下,可作縱向往返運動從而達到拋光的效果。

(5) 落料裝置：夾持裝置轉(zhuǎn)過90°,其夾芯卡于落料裝置的半圓弧內(nèi),當夾持裝置往前移動時,杯子在半圓弧板的阻擋下脫離夾持裝置,落在落料槽內(nèi)沿斜面滑出。

(6) 砂輪機：拋光的工作設備，麻輪(或棉布輪)安裝其上，作高速旋轉(zhuǎn)，從而達到拋光工件的目的。

(7) 機架：整個設備的支撐件。

圖1 全自動拋光機的實物圖1.皮帶輸送與定位機構 2.夾杯旋轉(zhuǎn)機構 3.十字滑臺 4.回轉(zhuǎn)式夾持裝置 5.落料裝置 6.砂輪機 7.機架

2.2 全自動不銹鋼拋光機的工藝流程

(1) 杯子倒立并排列于皮帶表面上,電機帶動皮帶及杯子向前運動,(此時，前定位擋板縮回，后定位擋板伸出。)杯子到達預定位置時,由后定位裝置擋住，此時前定位擋塊伸出，使前面的杯子與杯子陣列分開。

(2) 杯子到達預定位置時，由光電開關檢測到信號， 并指令夾杯氣缸動作，夾杯氣缸伸出夾住杯子，后定位擋塊縮回，然后旋轉(zhuǎn)氣缸縮回，帶動夾杯旋轉(zhuǎn)機構翻轉(zhuǎn)90°。使杯子成水平布置后，后定位擋塊伸出。

(3) 杯子翻轉(zhuǎn)90°后, 杯子的中心與十字滑臺上夾杯器中心對齊,十字滑臺縱向滑動, 杯子套入夾杯器, 松開氣缸,由于摩擦力的作用,杯子穩(wěn)定套在夾杯器中。

(4) 十字滑臺縱向后退到砂輪縱向處邊沿約10 mm處時, 夾持氣缸伸出夾住工件；十字滑臺橫向前進,至砂輪邊沿處。

(5) 十字沒滑臺縱向前進,杯子外表面被砂輪拋光，前進行程約為杯子的長度+10 mm, 行程完成后,后退至原位置，此為一個行程。

(6) 往復走2～4個行程。

(7) 十字滑臺回原始位置,取下已拋光好工件。

(8) 完成一個工作循環(huán)，進入下一個循環(huán)。

3 拋光機電氣控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)硬件配置

結合拋光工藝，機械設計，對設備的硬件進行配置。根據(jù)原料生產(chǎn)過程對控制、管理的要求確定直接控制層和操作監(jiān)控層的設備配置。電氣控制系統(tǒng)的整體方案[1]如圖2所示。

圖2 拋光機的電氣控制系統(tǒng)

3.1.1硬件組成

PLC控制器：TWDLCAA40DRF

位控模塊：TWDPTO220DT

人機界面：XBTOT4320

擴展輸入模塊：TM2DDI8DT

伺服驅(qū)動器：LXM23CU07M3X

伺服電機：BCH0802O11A1C

變頻器：ATV302H037N4

RS485通信適配卡：TWDNAC485D

電源：ABL2REM24100

其他：端子、斷路器、電磁閥、熱繼電器、交流接觸器、變壓器、指示燈以及按鈕等。

3.1.2各模塊功能簡要說明

人機界面主要負責進行控制參數(shù)輸入、狀態(tài)監(jiān)視及數(shù)據(jù)處理，采用基于RS-485接口的MODBUS協(xié)議與PLC進行數(shù)據(jù)交互；PLC作為整機的核心，負責根據(jù)接收現(xiàn)場傳感器反饋的信號，按照預先設定的程序控制各執(zhí)行機構輸出；X與Y軸伺服驅(qū)動器使用Pt位置模式，利用PTO位控模塊產(chǎn)生最高200 kHz控制脈沖，以及配合伺服電機自帶的增量式編碼器反饋當前位置信息，達到高速、可靠、精準的控制要求，并在X、Y軸執(zhí)行機構的兩側(cè)分別安裝有用于位置保護的行程開關，以保證生產(chǎn)安全；變頻器用于控制物料傳輸帶的運行速度，根據(jù)實際生產(chǎn)的情況，由用戶直接通過面板旋鈕調(diào)節(jié)。

3.2 軟件配置

系統(tǒng)軟件配置密切結合不銹鋼拋光工藝過程及其控制、管理要求，提供一個友好、便捷的操作環(huán)境。拋光機主要采用計算機Solidworks三維實體設計軟件、Twido Suite編程軟件、Vijeo Designer人機界面編程軟件以及LEXIUM 23 SET UP 伺服驅(qū)動器組態(tài)軟件進行產(chǎn)品設計開發(fā)。

3.3 PLC控制程序截圖

程序的總體結構如圖3所示。

圖3 程序的總體結構

程序的總體結構設計思路是先將各個功能劃分成各個模塊，根據(jù)不同的操作模式調(diào)用不同的子程序，實現(xiàn)模塊化的編程[2]。

程序1：主要用于將現(xiàn)場實際相對固定的參數(shù)存儲，開機時調(diào)用。

程序2：主要對本設備針對加工的常規(guī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行記錄，方便生產(chǎn)過程中快速調(diào)用，以避免操作人員手動修改可能造成的數(shù)據(jù)輸入錯誤。

程序3：主要是用作原點判斷，程序中較多位置需要原點判斷，使用一輔助變量便可供程序其他部分調(diào)用。

程序4～6：該程序主要是將用戶輸入的控制請求，結合執(zhí)行條件進行判斷，實現(xiàn)啟動、停止與復位功能，并對執(zhí)行狀態(tài)進行輸出指示。

程序7：本段程序包含的安全生產(chǎn)中必要報警判斷以及指示，例如：進出料異常、緊急停止、伺服定位異常、運行超時等，都會在人機界面上顯示報警信息，維護人員可快速對故障進行判斷和定位。

程序8：該段程序僅在運行的第一周期執(zhí)行，用于初始化子程序，實現(xiàn)上電復位的功能。

子程序SR0：該段程序主要用作機械部分各個執(zhí)行汽缸的電磁閥控制。

子程序SR1：主要用于響應程序上電時初始化調(diào)用以及由戶輸入的復位命令，該段程序執(zhí)行后會清除所有輔助繼電器、寄存器以及控制輸出。

子程序SR2：該段程序主要用于“自動運行模式”，在該模式下進行當前的步驟條件判斷，并且根據(jù)執(zhí)行情況調(diào)用定位程序。

子程序SR3：該段程序主要是存儲各個動作的目標位置以及運行的頻率，供自動運行程序調(diào)用。

4 人機界面組態(tài)畫面

歡迎界面、登錄界面、參數(shù)設定顯示界面、監(jiān)控畫面和報警及操作記錄匯總界面5個界面。這里簡要介紹如下3個界面。

參數(shù)設定顯示界面，如圖4所示，用戶在登錄界面輸入正確的用戶名及口令后會直接跳轉(zhuǎn)至參數(shù)設定畫面，可以查看或校對系統(tǒng)當前配置的參數(shù)，只有管理員才可進入?yún)?shù)設置畫面進行參數(shù)的配置。此時若想返回前面的畫面，請選擇對應的目標畫面即可，用戶也可點擊[進入監(jiān)控畫面]便可進入下一畫面。注意：在點擊[進入監(jiān)控界面]后，觸摸屏會將PLC啟動鎖定解除。即：用戶確定配置的參數(shù)無誤，設備開始接受控制命令。

監(jiān)控畫面，如圖5所示。監(jiān)控畫面是本機的核心畫面。

圖4 參數(shù)設定顯示界面 圖5 系統(tǒng)監(jiān)控畫面

報警及操作記錄匯總界面，如圖6所示，畫面記錄下所有的報警信息以及用戶操作記錄，可對與管理以及設備維護提供一定的參考信息。設備一旦發(fā)生報警，無論正處于哪一個畫面，都將自動跳轉(zhuǎn)至報警畫面，并且在畫面的下方有一個活動的報警條提示用戶。

圖6 報警及操作記錄匯總界面

5 Lexium23伺服驅(qū)動器參數(shù)配置

拋光機電氣控制系統(tǒng)中所采用的Lexium23伺服驅(qū)動器的硬件連接和軟件控制都是在控制模式 Pt(位置模式(端子輸入))，所以必須先將運行模式設置為“位置模式”(Pt)，Lexium23伺服驅(qū)動器配置參數(shù)如下[3]。

P1-00 代碼PTT 設置02：選擇外部脈波列指令輸入型式設定為脈波列+符號。

P1-01 代碼CTL 設置100：控制模式及控制命令輸入源設定為 Pt位置控制模式(命令由端子輸入)+扭矩輸出方向為正轉(zhuǎn)方向為CW(順時針)，反轉(zhuǎn)方向為CCW(逆時針)。

P1-44 代碼GR1 設置1：電子齒輪比分子為1。

P1-44 代碼GR2 設置1：電子齒輪比分母為1。

P1-54 代碼PER 設置5：位置到達確定范圍設置為5pulse。

6 ATV302異步電機變頻器參數(shù)設置

(1) 一級調(diào)整參數(shù)UFt

ACC 5 S：加速斜坡時間設置為5 s。

DEC 5 S ：減速斜坡時間設置為5 s。

LSP 0 Hz : 低速(最小給定值時的電機頻率)

設置為0 Hz。

HSP 30 Hz：高速(最大給定值時的電機頻率)

設置為30 Hz。

ItH ：電機熱保護 - 最大熱電流。

(2) 邏輯開關設置

指定將邏輯輸入公共連線懸空。

7 結 語

運用了可編程序控制器電氣控制系統(tǒng)的全自動不銹鋼杯類拋光機，通過現(xiàn)場調(diào)試和生產(chǎn)運行，拋光機能夠嚴格實現(xiàn)工藝要求，提供面向生產(chǎn)過程的監(jiān)視、控制與數(shù)據(jù)采集的功能，不僅能滿足直筒杯形的拋光要求，還可適用于有斜面的多種規(guī)格杯子拋光，對于不同規(guī)格的杯子進行拋光時，不需要改動硬件及電路，只需在觸摸屏上設置相應的參數(shù)，以及更換相應規(guī)格的磨頭，即可實現(xiàn)全自動拋光。

參考文獻:

[1] 張桂香,張志軍.PLC的選型與系統(tǒng)配置[J].微計算機信息,2005(9)：85-86.

[2] 遲君平, 王 斌, 李業(yè)友,等. 模塊化編程方法在PLC程序開發(fā)中的應用[J].微計算機信息, 2005,21(6):26-27.

[3] 田 宇.伺服與運動控制系統(tǒng)設計[M].北京：人民郵電出版社, 2010.