熊 健，余 飛，張昌漢，何 濤

（1湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068；2武漢正源高理光學(xué)有限公司，湖北 武漢430223）

CD、DVD讀取頭用光學(xué)零部件生產(chǎn)的工藝流程，主要分為光刻、鍍膜、精密劃切、清洗和成品檢測(cè)等。其中清洗工藝尤為重要，通常經(jīng)人工手持清洗后進(jìn)入到下一工序，這樣帶來(lái)的二次污染會(huì)對(duì)零部件質(zhì)量造成影響。為節(jié)省人力成本和防止二次污染，提高生產(chǎn)線的工作效率，亟需設(shè)計(jì)一臺(tái)自動(dòng)化清洗機(jī)械設(shè)備?，F(xiàn)有技術(shù)的研究主要集中于PLC與觸摸屏結(jié)合［1］的自動(dòng)化應(yīng)用方面，側(cè)重于設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行的研究；同時(shí)，采用自由口模式來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的通信工作［2］也是工廠自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)，但缺少可在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)同步操作的觸摸屏，不利于設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整和現(xiàn)場(chǎng)操作。為此，設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)化清洗方案，采用三菱FX1S系列PLC［3］和維綸觸摸屏，在實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整和現(xiàn)場(chǎng)操作的同時(shí)，利用RS-485通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)和PLC的自由口通訊，使得生產(chǎn)工藝過(guò)程能被實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保了工業(yè)生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)化。

1 清洗提升機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

清洗提升機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。豎向支架用于固定整體設(shè)備，以確保整體機(jī)構(gòu)平穩(wěn)、安全運(yùn)行；橫向支架作為連接運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和豎支架的橋梁，也是設(shè)備得以穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要因素。設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)由伺服電機(jī)、同步帶、同步輪三部分組成，通過(guò)同步帶將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為懸掛機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)。由于交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可被系統(tǒng)精確控制，且在過(guò)載的工況下表現(xiàn)優(yōu)秀［4］，通常被選作設(shè)備運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的核心元件。滾珠絲杠利用滾動(dòng)摩擦取代滑動(dòng)摩擦，使絲杠和螺母之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由滑動(dòng)變成滾動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)極大減少了兩者的摩擦［5］，在具有較高定位精度的同時(shí)，確保了傳動(dòng)效率。因此，選用滾珠絲杠作為設(shè)備的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于設(shè)備的懸掛機(jī)構(gòu)通過(guò)螺母固定在滾珠返回裝置上，懸掛機(jī)構(gòu)與同步帶也通過(guò)螺母結(jié)合在一起，從而在同步帶實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，設(shè)備能正常運(yùn)行。

設(shè)備通過(guò)懸掛機(jī)構(gòu)來(lái)懸掛裝有待清洗工件的吊籃。懸掛機(jī)構(gòu)通過(guò)同步帶、同步輪的傳動(dòng)，在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下上下滑動(dòng)，以達(dá)到讓工件反復(fù)浸入、提升出溶液的效果，完成清洗、瀝干的工作步驟。

圖1 清洗提升機(jī)的結(jié)構(gòu)

2 清洗提升機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC選型

為確保系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的精確性，在采用伺服電機(jī)的基礎(chǔ)上，利用PLC的輸出脈沖和方向信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行［6］。根據(jù)系統(tǒng)的控制需求，確認(rèn)輸入設(shè)備（運(yùn)行開(kāi)關(guān)、傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)器等）、輸出設(shè)備（報(bào)警指示燈、電機(jī)繼電器等），從而確定數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)。根據(jù)圖2的總體控制方案，選擇三菱公司的FX1S-30MT-001。該產(chǎn)品帶有8K的EEPROM存儲(chǔ)器，數(shù)字量I/O口為16入/14出。此種型號(hào)的PLC自身不能增加擴(kuò)展模塊，但是可以利用BD板擴(kuò)展出少量的I/O，同時(shí)也可以擴(kuò)展出RS485端口，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和PLC的通訊。人機(jī)界面選用維綸TP6070i型觸摸屏。

圖2 清洗提升機(jī)系統(tǒng)總體控制框圖

2.2 I/O分配表

按清洗提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)PLC輸入輸出點(diǎn)分配（表1）。

表1 可編程輸入點(diǎn)/輸出點(diǎn)分配

其中，數(shù)字輸入信號(hào)包括原點(diǎn)信號(hào)、上下極限信號(hào)、回原點(diǎn)按鈕、開(kāi)始清洗按鈕等，在設(shè)置循環(huán)次數(shù)和循環(huán)距離時(shí)，選址應(yīng)充分考慮到FX1S的輸入地址特點(diǎn)，選用具有停電保持功能的地址。在I/O分配表中預(yù)留一定的輸入輸出點(diǎn)以供后續(xù)設(shè)備的增加。

3 清洗提升機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)任務(wù)中包括PLC主控程序設(shè)計(jì)、PC與PLC的自由口通訊［7］和人機(jī)界面組態(tài)。

3.1 系統(tǒng)主控軟件及流程

主程序流程見(jiàn)圖3。

圖3 主程序控制流程

系統(tǒng)軟件由一個(gè)主程序和若干子程序組成。系統(tǒng)初始化程序包括:系統(tǒng)循環(huán)速度、循環(huán)距離、清洗延時(shí)等若干參數(shù)的初值設(shè)定。邏輯控制程序包括:機(jī)器的啟停、運(yùn)行模式的選擇。原點(diǎn)返回程序:開(kāi)機(jī)后，使懸掛機(jī)構(gòu)上升，以便于裝有工件吊籃的懸掛。循環(huán)運(yùn)行程序:通過(guò)懸掛機(jī)構(gòu)的上下來(lái)控制吊籃的運(yùn)動(dòng)，保證清洗效果。參數(shù)設(shè)置程序:通過(guò)一系列換算，把運(yùn)行的速度、距離等通過(guò)觸摸屏顯示出來(lái)。伺服電機(jī)的控制程序:根據(jù)運(yùn)行的實(shí)際情況設(shè)定伺服電機(jī)的運(yùn)行速度和方向。故障監(jiān)控程序:監(jiān)控伺服驅(qū)動(dòng)器信息，及時(shí)顯示到觸摸屏上。

當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，在觸摸屏上設(shè)置不同的升、降循環(huán)次數(shù)，使設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，或者設(shè)置無(wú)限循環(huán)次數(shù)，通過(guò)手動(dòng)來(lái)控制設(shè)備停止運(yùn)行。運(yùn)行有限次數(shù)時(shí)，開(kāi)機(jī)后在觸摸屏上設(shè)定運(yùn)行次數(shù)，點(diǎn)擊“回原點(diǎn)”按鈕，此時(shí)懸掛機(jī)構(gòu)從下極限位置向上返回原點(diǎn)，掛上裝有工件的吊籃后，點(diǎn)擊“開(kāi)始清洗”按鈕，懸掛機(jī)構(gòu)開(kāi)始提升，至上極限位置后，再下降到下極限并使吊籃完全浸入溶液，之后吊籃上升到使其離開(kāi)溶液的距離（即循環(huán)距離，可設(shè)定），開(kāi)始進(jìn)入下降到下極限、上升到循環(huán)距離點(diǎn)的循環(huán)運(yùn)行。達(dá)到運(yùn)行次數(shù)后，懸掛機(jī)構(gòu)停在循環(huán)距離點(diǎn)，清洗完畢。若在觸摸屏上設(shè)置無(wú)限循環(huán)，則須按下“停止”按鈕，等待設(shè)備停止運(yùn)行。

3.2 PC與PLC之間通訊程序

通過(guò)PLC與計(jì)算機(jī)通信的方式遠(yuǎn)程監(jiān)控工業(yè)設(shè)備［8］，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)傳遞。三菱FX系列PLC內(nèi)部，有專(zhuān)為主機(jī)使用RS-485串聯(lián)通訊接口所提供的便利指令（圖4），其功能是當(dāng)PLC接收到指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)后，馬上返回一串指定長(zhǎng)度的指定數(shù)據(jù)。不傳送數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以將m的值指定為K0；不接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以將n的值指定為K0；在此基礎(chǔ)上，PLC通過(guò)BD板擴(kuò)展的RS485端口，經(jīng)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器與PC機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)交換。但若沒(méi)有相應(yīng)的程序配合，只單一存在此RS指令，PLC只能重復(fù)一收一發(fā)、只收不發(fā)或者只發(fā)不收，其中只發(fā)不收指令執(zhí)行的情況下，同一條指令會(huì)無(wú)限重復(fù)發(fā)送，顯然不能達(dá)到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、精確交換的要求。因此，需要PLC的程序來(lái)保證PC與PLC通訊收發(fā)的可控性。其中主要是只發(fā)不收指令，即每次執(zhí)行時(shí)只發(fā)送一次，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收、發(fā)完全由程序控制。控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PC和PLC之間實(shí)時(shí)、可控的信息通訊。經(jīng)驗(yàn)證，使用中該程序穩(wěn)定可靠。

圖4 RS指令功能說(shuō)明

3.3 清洗提升機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面（HIM）設(shè)備是用戶(hù)和機(jī)器之間的橋梁［9］，可以提高系統(tǒng)操作的靈活性和適應(yīng)性，便于用戶(hù)對(duì)機(jī)器運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置和信息的實(shí)時(shí)掌握。通過(guò)PPI協(xié)議，維綸觸摸屏和三菱PLC可以實(shí)現(xiàn)通信，從而完成信息交換。本系統(tǒng)采用維綸EB8000軟件來(lái)對(duì)觸摸屏的界面進(jìn)行編制。系統(tǒng)運(yùn)行人機(jī)控制界面如圖5所示。運(yùn)行畫(huà)面中可設(shè)置循環(huán)次數(shù)、循環(huán)速度、循環(huán)距離、清洗延時(shí)、首次下降距離，通過(guò)可自動(dòng)彈出的報(bào)警界面中的伺服報(bào)警燈來(lái)判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，并可查看界面報(bào)警記錄。

圖5 系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)PLC和觸摸屏的結(jié)合，使得該控制系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、可操作性和故障處理能力，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中表現(xiàn)穩(wěn)定可靠。清洗提升機(jī)的控制系統(tǒng)采用PC機(jī)為上位機(jī)，通過(guò)自由口通訊實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與PLC之間信息的實(shí)時(shí)交互，促進(jìn)了工廠自動(dòng)化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化。

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