陳躍華，馮殿義，李 煜，夏之奔

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州 121001）

0 引言

塑料瓶在吹塑機(jī)中吹塑成型后需要安裝把手，檢測(cè)密封性，然后將檢測(cè)合格的塑料瓶分批整齊地裝入包裝袋中后提供給需方。以往這些環(huán)節(jié)需要多名操作人員在生產(chǎn)線的不同工位手工操作完成，生產(chǎn)自動(dòng)化水平低，生產(chǎn)效率低。為此，設(shè)計(jì)了塑料瓶上把、測(cè)漏和裝袋等后續(xù)處理的全自動(dòng)生產(chǎn)線，提高了生產(chǎn)效率。本文設(shè)計(jì)了基于西門子S7-200 PLC塑料瓶后續(xù)處理生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)的原理和技術(shù)可擴(kuò)展到其它機(jī)械工程領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

1 自動(dòng)生產(chǎn)線概述

吹塑成型樣品塑料瓶如圖1所示。塑料瓶后續(xù)處理自動(dòng)生產(chǎn)線包括自動(dòng)上把、檢漏和裝袋三個(gè)工位，如圖2所示。吹塑機(jī)的機(jī)械手間歇7秒將吹塑成型的兩個(gè)塑料瓶放置于后續(xù)處理自動(dòng)生產(chǎn)線的傳送帶上，傳送帶將塑料瓶依次送到上把、檢漏和裝袋三個(gè)工位，完成相應(yīng)的操作。振動(dòng)盤將瓶的把手排序送至上把工位，通過(guò)自動(dòng)上把裝置多氣缸順序動(dòng)作將把手安裝在塑料瓶上，移入檢漏工位；檢漏工位由精密壓力開關(guān)和充氣閥組成，通過(guò)充壓、保壓方法檢測(cè)塑料瓶是否漏氣，并將漏氣瓶踢出傳送帶；裝箱工位傳動(dòng)由3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)軌絲杠和回轉(zhuǎn)氣缸等組成，三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)真空吸盤式裝箱機(jī)械手分別在橫向、縱向及繞Z軸旋轉(zhuǎn)，在回轉(zhuǎn)氣缸的配合下將42個(gè)塑料瓶分七層整齊的裝入袋中。

圖1 1.8升塑料油瓶

圖2 塑料瓶后續(xù)處理自動(dòng)生產(chǎn)線構(gòu)成示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)控制器采用西門子S7-200系列CPU226晶體管輸出的PLC，通過(guò)PNP型光電開關(guān)檢測(cè)塑料瓶是否到達(dá)工位，塑料瓶密封性檢測(cè)采用高精度壓力傳感器；PLC通過(guò)兩臺(tái)86步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、一臺(tái)57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確位置控制和速度調(diào)節(jié)。其他執(zhí)行元件包括電磁開關(guān)閥、氣缸、振動(dòng)盤和輸送帶等。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 主程序設(shè)計(jì)

主程序采用SCR順序控制指令調(diào)用初始化程序、自動(dòng)程序和手動(dòng)程序，在設(shè)備上電后首先執(zhí)行初始化，各步進(jìn)電機(jī)和氣缸自動(dòng)返回初始位置，當(dāng)所有傳感器給出到位反饋信號(hào)后進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式，為防止誤操作自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下所有手動(dòng)按鈕無(wú)效，如果需要手動(dòng)調(diào)試可以通過(guò)按鈕切換到手動(dòng)模式，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)暫停，手動(dòng)按鈕有效。 主程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 塑料瓶后續(xù)處理自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)

2.3 裝把控制

光電傳感器A、B分別檢測(cè)到瓶A、瓶B到位時(shí)，輸送帶啟動(dòng)，2.5s后輸送帶停止，塑料瓶到達(dá)下一工位。振動(dòng)盤上的光電傳感器沒(méi)有檢測(cè)到把手時(shí)開始振動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到把手后繼續(xù)振動(dòng)10s，此時(shí)把手剛好充滿通道，并且不會(huì)溢出。塑料瓶在輸送帶啟動(dòng)后會(huì)經(jīng)過(guò)預(yù)排氣缸，A、B瓶排列好后到達(dá)裝把工位。裝把操作是多氣缸聯(lián)合工作實(shí)現(xiàn)的，安裝工位的光電傳感器檢測(cè)到兩個(gè)塑料瓶經(jīng)過(guò)后，定模氣缸固定瓶子，上料氣缸將手柄推到安裝氣缸上，進(jìn)位氣缸將手柄擺放到位，安裝氣缸安裝手柄，退模氣缸將安裝氣缸與手柄分離，裝把結(jié)束。

2.4 測(cè)漏控制

測(cè)漏工位核心元件為高精度壓力傳感器，該傳感器為數(shù)字壓力傳感器為PNP輸出型，通過(guò)功能設(shè)定窗口設(shè)置一個(gè)壓力上限值和一個(gè)壓力下限值。測(cè)漏程序采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，正常充氣時(shí)瓶?jī)?nèi)壓力不得超過(guò)上限值以防止造成塑料瓶的破壞，如果壓力超過(guò)上限值系統(tǒng)報(bào)警并自動(dòng)泄壓。測(cè)漏工作過(guò)程分為充氣、保壓兩個(gè)時(shí)段，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)充氣時(shí)間3s，充氣時(shí)間內(nèi)壓力達(dá)到下限值，停止充氣保壓3s，保壓期間壓力保持在設(shè)定的壓力區(qū)間，判定此瓶合格品，待輸送帶再次啟動(dòng)將瓶送至下一個(gè)工位，移入2個(gè)待測(cè)瓶進(jìn)入該工位。充氣3s未達(dá)到壓力下限值，或保壓期間壓力降到下限值以下，判定該瓶漏氣，彈出氣缸將踢出此瓶。

2.5 裝箱控制

PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動(dòng)控制功能，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制[2]。在步進(jìn)電機(jī)控制電路中，三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)PUL由PLC的兩個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)Q0.0和Q0.1提供，方向信號(hào)DIR分別由Q0.2、Q0.3和Q0.4控制，因?yàn)镃PU226上只有兩個(gè)高速脈沖輸出口，所以2號(hào)步進(jìn)電機(jī)使用Q0.1點(diǎn)，1號(hào)、3號(hào)步進(jìn)電機(jī)共用Q0.0點(diǎn)，1號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)（PUL）口與Q0.0之間通過(guò)繼電器的常閉觸點(diǎn)連接，3號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)（PUL）口與Q0.0之間使用繼電器的常開觸點(diǎn)，接線方式如圖5所示。

圖5 自動(dòng)裝箱系統(tǒng)接線圖

通過(guò)S7-200S脈沖輸出功能向?qū)гO(shè)置電機(jī)參數(shù)和脈沖頻率，利用線性脈沖串輸出（PTO）指令塊控制電機(jī)的運(yùn)行與停止[3]。當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到6個(gè)瓶子經(jīng)過(guò)后，調(diào)用Q0.0運(yùn)動(dòng)包絡(luò)0，1號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠開始帶動(dòng)機(jī)械手向下移動(dòng)，機(jī)械手縱向移動(dòng)的距離靠脈沖個(gè)數(shù)控制，二相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角是1.8o，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置成1/2細(xì)分，PLC每發(fā)出一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)將轉(zhuǎn)動(dòng)0.9o[4]，根據(jù)絲杠導(dǎo)程，機(jī)械手縱向行走1cm需要400個(gè)脈沖信號(hào)。同時(shí)激活Q0.1運(yùn)動(dòng)包絡(luò)0、2號(hào)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手在齒條上前移，前后移動(dòng)通過(guò)安裝在齒條兩端的電感式接近開關(guān)發(fā)出停止信號(hào)。行走到位后，抓取塑料瓶，然后2號(hào)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械手后移，為既保證效率又要防止因速度變化過(guò)快引起塑料瓶掉落，后移時(shí)應(yīng)從高速到低速再停止，這需要為2號(hào)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)創(chuàng)建一個(gè)低速脈沖新步，如圖6所示。

圖6 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

后移到位后，1號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手向下運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手每次下行應(yīng)比上一周期運(yùn)行抬高一個(gè)塑料瓶高度，分七層裝滿一箱，每次下行距離=固定高度+塑料瓶高度×（7-層數(shù)），然后在數(shù)據(jù)塊中給出發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)，再使用MOVE指令傳送到數(shù)據(jù)塊中指定的V地址區(qū)，數(shù)據(jù)塊中脈沖個(gè)數(shù)及地址如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)塊中脈沖個(gè)數(shù)及地址

機(jī)械手每次放好瓶子后上行復(fù)位。每一層塑料瓶放好后，3號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿帶動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)180o，為上一層塑料瓶預(yù)留空間。3號(hào)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行前，將控制此繼電器的Q0.5置1，使3號(hào)步進(jìn)電機(jī)接通，1號(hào)步進(jìn)電機(jī)斷開，調(diào)用Q0.0運(yùn)動(dòng)包絡(luò)1，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)180o后，Q0.5置0，繼電器常開常閉觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換。7層塑料瓶裝滿箱子后出袋氣缸將工作臺(tái)彈出，工人從箱子上卸下裝滿塑料瓶的包裝袋，按下歸位按鈕，系統(tǒng)重新啟動(dòng)，裝箱系統(tǒng)的工作流程圖如圖7所示。

圖7 裝箱流程設(shè)計(jì)

3 結(jié)束語(yǔ)

目前該控制系統(tǒng)已成功用于實(shí)際生產(chǎn)中，實(shí)際應(yīng)用表明，機(jī)器操作靈活、把手安裝快速可靠，密封性檢測(cè)精準(zhǔn)，裝箱過(guò)程平穩(wěn)高效。采用全自動(dòng)控制系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率，獲得了經(jīng)濟(jì)效益。

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[2]郭超,付君,阮培英,申勛英,王玉妹.全自動(dòng)掛面包裝機(jī)送紙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(1).

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[4]蔡壽將,王培良.步進(jìn)電機(jī)PLC控制系統(tǒng)在吊粒燙色技術(shù)中的應(yīng)用 [J].制造業(yè)制動(dòng)化,2012(3).