張亞輝

（珠海中京電子電路有限公司，廣東 珠海 519100）

1 項(xiàng)目背景

本人大學(xué)本科畢業(yè)后在PCB（印制電路板）行業(yè)二十多年，一直從事數(shù)控機(jī)床的維修、保養(yǎng)工作。2005年初三菱激光鉆機(jī)應(yīng)用于本公司生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)還做不了維修和調(diào)試，三菱公司派人來(lái)維修調(diào)試又非常昂貴，于是公司2005年10月派本人到日本名古屋三菱制作所學(xué)習(xí)三菱激光鉆機(jī)，接受了三菱制作所幾個(gè)部門的聯(lián)合培訓(xùn)，是故本人特別精通三菱LASER 1-5代激光鉆機(jī)光路調(diào)教保養(yǎng)維修，對(duì)于該設(shè)備在使用中存在的問(wèn)題點(diǎn)、設(shè)計(jì)缺陷，本人能夠通過(guò)實(shí)際情況進(jìn)行改造，完善功能，使之運(yùn)行更加穩(wěn)定、故障更低、壽命更長(zhǎng)、工作效率更高。同時(shí)本人在附近的培訓(xùn)學(xué)校兼職擔(dān)任電工類和成人本科學(xué)歷教育電子類講師。有一定的理論水平和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

由于產(chǎn)能不足，采購(gòu)新的三菱激光鉆機(jī)又非常昂貴，公司決策層召集各部門骨干開(kāi)會(huì)，商討如何對(duì)此工序流程進(jìn)行改善。我身為公司的設(shè)備主管工程師，建議將此設(shè)備改造為基于三菱PLC控制的自動(dòng)裝載系統(tǒng)。最終公司高層任命我擔(dān)任本項(xiàng)目的主導(dǎo)人，成功通過(guò)了改造并試運(yùn)行，得到生產(chǎn)部的一致好評(píng)，取得滿意的效果。

2 改造的設(shè)計(jì)要求

2.1 改造前的工藝

三菱激光鉆機(jī)設(shè)備改造前的工藝流程圖，如圖1所示。此流程存在的不足如下。

圖1 改造前工藝流程圖

（1）激光加工的前工序是黑化工藝，PCB表面銅經(jīng)過(guò)黑化處理，便于吸收能量；黑化工藝是經(jīng)過(guò)化學(xué)藥水處理的，藥水殘留對(duì)人手有一定腐蝕，也有一些氣味，環(huán)境差，工人多不愿呆在此工序。

（2）人工對(duì)位、放板、計(jì)數(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響了生產(chǎn)效能，并且容易出錯(cuò)和板面有擦花，造成一定報(bào)廢。

2.2 改造后的工藝

實(shí)現(xiàn)激光鉆機(jī)的自動(dòng)裝載，將長(zhǎng)寬為500 mm×400 mm厚度為1 mm的PCB搬運(yùn)至激光鉆機(jī)工作臺(tái)上，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)工藝流程如圖2。

圖2 改造后工藝流程

（1）將20～30塊板平放到小推車托盤上，小推車前面有個(gè)鎖孔，小推車推到裝載機(jī)下面，生產(chǎn)時(shí)由電磁閥推動(dòng)氣缸動(dòng)作將小推車鎖住，達(dá)到固定PCB位置的作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)械對(duì)位，免去人工對(duì)位過(guò)程。裝載機(jī)和小車實(shí)物圖3所示。

圖3 裝載機(jī)和小推車圖

（2）裝載機(jī)安裝交流接觸器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)齒輪和鏈條拉動(dòng)支撐架，支撐架裝有電容式傳感器，當(dāng)檢測(cè)到有板時(shí)，支撐架帶動(dòng)托盤上升到固定高度，上升高度由對(duì)射型光電傳感器定位。然后裝載機(jī)氣缸推動(dòng)抓盤架下降用吸盤將PCB吸住上升，再由伺服放大器驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠沿導(dǎo)軌移動(dòng)到加工臺(tái)上方，抓盤架再下降放板，然后回到原點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放板。

（3）抓盤架下降放板結(jié)束后，PLC程序自動(dòng)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值在觸摸屏上顯示出來(lái)。

（4）裝載機(jī)上設(shè)有安全門感應(yīng)器和急停按鈕，確保生產(chǎn)安全。

裝載過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制。控制方式由三菱PLC實(shí)現(xiàn)，操作方式則在觸摸屏上選擇。公司決策層經(jīng)過(guò)審慎考慮，決定選擇這種帶有基于三菱PLC控制的自動(dòng)裝載系統(tǒng)的改造方案。

3 方案的實(shí)施

3.1 裝載機(jī)搬運(yùn)工件流程

工作流程圖及簡(jiǎn)介，見(jiàn)圖4所示：裝載機(jī)小推車托盤的上下運(yùn)動(dòng)和抓盤上下運(yùn)動(dòng)都由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由相應(yīng)的電磁閥來(lái)控制，電磁閥由PLC控制。而左右移動(dòng)則由PLC控制伺服放大器，驅(qū)動(dòng)伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。吸盤的吸附由一個(gè)單線圈兩位電磁閥控制。加工機(jī)準(zhǔn)備就緒時(shí)，經(jīng)傳感器向PLC輸入信號(hào)，PLC控制抓盤下降放板，加工完畢后，經(jīng)另一傳感器向PLC輸入信號(hào)，PLC控制抓盤上升重新拿板返回原點(diǎn)，之后經(jīng)傳感器發(fā)出裝載機(jī)就緒信號(hào)。裝載機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖5所示。

圖4 啟動(dòng)后裝載流程

圖5 裝載機(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

3.2 裝載機(jī)的動(dòng)作過(guò)程

將裝了PCB的小推車推進(jìn)裝載機(jī)，按下上鎖按鈕，上鎖電磁閥通電推動(dòng)氣缸動(dòng)作鎖緊小車，電容感應(yīng)器感應(yīng)有板，托盤馬達(dá)得電，小車托盤上升碰到上限開(kāi)關(guān)停止，待加工PCB到達(dá)預(yù)定高度位置。

在觸摸屏里按下啟動(dòng)按鈕，抓盤下降，碰到下限開(kāi)關(guān)停止，同時(shí)接通吸附電磁閥，吸住板料。

吸住板料后抓盤上升，碰到上限位開(kāi)關(guān)停止。

伺服放大器推動(dòng)伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，帶動(dòng)抓盤左移，碰到左限位開(kāi)關(guān)停止左移。

若此時(shí)工作臺(tái)上無(wú)板料，臺(tái)面負(fù)壓檢測(cè)開(kāi)關(guān)接通，抓盤下降，碰到下限開(kāi)關(guān)停止下降。

同時(shí)吸附電磁閥斷電，抓盤放松。PLC程序計(jì)數(shù)，顯示在觸摸屏上，觸摸屏上有計(jì)數(shù)復(fù)位按鈕，換了料號(hào)可以清零。

放松后，上升電磁閥通電抓盤上升。

伺服放大器推動(dòng)伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，帶動(dòng)抓盤右移，碰到右限位開(kāi)關(guān)停止右移?；氐皆c(diǎn)，裝載機(jī)經(jīng)過(guò)了一步完成了一個(gè)周期的動(dòng)作。當(dāng)小推車?yán)锼邪宥技庸ね戤叄娙莞袘?yīng)器感應(yīng)無(wú)板，蜂鳴器報(bào)警，提醒上板。解鎖電磁閥通電推動(dòng)氣缸動(dòng)作解鎖小車，這時(shí)小推車可以拿出裝板。

3.3 裝載機(jī)氣動(dòng)控制

裝載機(jī)氣動(dòng)控制圖見(jiàn)圖6所示。

圖6 裝載機(jī)氣動(dòng)控制圖

4 主要部件的選型

4.1 PLC的選型

因?yàn)樗欧姍C(jī)的位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以我們需要對(duì)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率進(jìn)行精確控制。在使用伺服驅(qū)動(dòng)器時(shí)，往往需要較高頻率的脈沖，所以就要求所使用的PLC能產(chǎn)生高頻率脈沖。三菱公司的FX2N-48MT輸入輸出各24點(diǎn)，本設(shè)計(jì)輸入18點(diǎn)，輸出16點(diǎn)，完全滿足了我們控制伺服電機(jī)的要求，所以我們選用FX2N-48MT型PLC。

4.2 伺服電機(jī)的選型

在選擇伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器時(shí)，只需要知道電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)距要求及安裝方式即可，我們選擇額定轉(zhuǎn)距為1.3 N?m，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，400 W功率，每轉(zhuǎn)為131072 p/r分辨率的三菱公司HC-KFS43B伺服電機(jī)，帶電磁制動(dòng)，與之配套使用的驅(qū)動(dòng)器我們選用MR-J2S-40A伺服驅(qū)動(dòng)器。三菱的此款伺服系統(tǒng)能輕易實(shí)現(xiàn)增益設(shè)置，且采用自適應(yīng)振動(dòng)抑止控制，有位置、速度和轉(zhuǎn)距三種控制功能，在這里選擇速度模式。

4.3 觸摸屏的選型

倉(cāng)庫(kù)有三菱GT1000型觸摸屏，故我們采用此型號(hào)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)操作控制和手動(dòng)操作。

4.4 主要材料型號(hào)規(guī)格清單

主要材料型號(hào)規(guī)格清單表見(jiàn)表1所示。

表1 材料清單

5 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源和小車托盤電機(jī)電路，見(jiàn)圖7所示。

圖7 小車托盤電機(jī)電路

KM1和KM2控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，F(xiàn)R過(guò)流保護(hù)，線圈由PLC控制。三菱激光鉆機(jī)自帶三相380V轉(zhuǎn)三相220V變壓器，接入開(kāi)關(guān)電源后提供直流24V電源。（PLC控制系統(tǒng)接線圖、PLC-伺服控制電路圖，PLCI/O分配表略。）

6 伺服系統(tǒng)設(shè)置

6.1 伺服系統(tǒng)接線

抓盤從D點(diǎn)移動(dòng)到E點(diǎn)時(shí)是伺服放大器控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，抓盤移動(dòng)的位置受限位開(kāi)關(guān)的控制，所以采用速度控制模式，自動(dòng)控制時(shí)快速，手動(dòng)控制時(shí)慢速，可以通過(guò)兩檔速度來(lái)設(shè)定，DE點(diǎn)限位信號(hào)通過(guò)PLC來(lái)控制，在DE點(diǎn)限位外增加LSP，LSN來(lái)做左右極限保護(hù)。將220V三相電源線L1，L2，L3插頭接入CPN1，將伺服電機(jī)插頭接入CN2，將編碼器插頭接入CNP2，控制線插頭接入CN1B。

X0-X4保留為伺服驅(qū)動(dòng)器專用輸入端口不接，在GOT里實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制，Y0-Y5保留為伺服驅(qū)動(dòng)器專用輸出端口。

6.2 伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)定

我們需要用伺服電機(jī)的專用軟件SETUP221E，通過(guò)RS422接口接到伺服系統(tǒng)的CN3上設(shè)定參數(shù)值，具體參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 參數(shù)值

7 觸摸屏的連接和設(shè)置

PLC編程口（422端口）通過(guò)GT01-C50R4-8P數(shù)據(jù)線與觸摸屏422/485端口連接。電纜接屏一側(cè)9針公頭，接PLC一側(cè)圓口8針，DB9F-MD8M。GOT1000編程頁(yè)面可用GT Designer3軟件設(shè)置，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)可以在機(jī)器上用按鈕實(shí)現(xiàn)，也能在觸摸屏內(nèi)軟元件完成，方便操作。圖8是GOT主頁(yè)面設(shè)計(jì)圖。手動(dòng)操作則完全由軟元件調(diào)用相關(guān)子程式運(yùn)行，節(jié)省PLC輸入點(diǎn)，同時(shí)可以看到做板數(shù)量。做完板可以清零。圖9是GOT手動(dòng)頁(yè)面設(shè)計(jì)圖。

圖8 GOT主頁(yè)面圖

圖9 GOT手動(dòng)頁(yè)面圖

8 PLC程序的調(diào)試

在程序編寫完成以后，需要對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，三菱編程軟件可以利用他自帶的模擬仿真功能，在電腦上進(jìn)行仿真調(diào)試，待程序調(diào)試完成后，下載到設(shè)備PLC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試，本程序經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和使用，我廠PCB激光鉆孔實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)裝載功能。

9 改造后的經(jīng)濟(jì)效益

9.1 人工成本下降

我們廠實(shí)行兩班倒，改造前1個(gè)員工1個(gè)班開(kāi)2臺(tái)機(jī)，改造后1個(gè)員工1個(gè)班開(kāi)4臺(tái)機(jī)。平均1臺(tái)機(jī)1天節(jié)約了0.5個(gè)人的成本，1個(gè)人按1年5萬(wàn)成本計(jì)算，平均1臺(tái)機(jī)1年節(jié)約了2.5萬(wàn)。

9.2 報(bào)廢數(shù)量減少

改造前每3天報(bào)廢1塊板，成本1000元；改造后幾乎沒(méi)有報(bào)廢，1年可節(jié)約12萬(wàn)。

9.3 環(huán)境改善

PCB藥水殘留和氣味對(duì)員工影響很大，改造后減少了直接接觸機(jī)會(huì)，得到生產(chǎn)部的點(diǎn)贊。

10 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)三菱激光鉆機(jī)加工工序效率低下、報(bào)廢率高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了PLC外部接線圖和控制梯形圖，利用PLC和觸摸屏對(duì)三菱激光鉆機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，使改造后的加工工序降低了故障率和報(bào)廢率，同時(shí)使本工序工作效率大大提高，增加了產(chǎn)能，降低了生產(chǎn)成本。

致謝：本人在撰寫過(guò)程中，公司高層和相關(guān)部門的工程師對(duì)本文的修改提供的意見(jiàn)，謹(jǐn)此致謝！