【正文】 .............. 49 VI 1．緒論 本課題研究的目的、意義及國內(nèi)外研究概況 全自動真空吸塑成型機(jī)（又叫熱塑成型機(jī)）是利用真空吸力，將加熱塑化的PVC、 PE、 PP、 PET、 HIPS 等熱塑性塑料卷材吸制成各種形狀的高級包裝裝 璜盒、框等產(chǎn)品。相比之下， 我國經(jīng)過多年的 努力 ，全國各地已經(jīng) 發(fā)展了不少自動吸塑機(jī)生產(chǎn) 廠 商， 如 上海久羅機(jī)電設(shè)備有限公司 、深圳市恒隆機(jī)械設(shè)備有限公司、深圳市恒隆基機(jī)械設(shè)備有限公司 等 。 本設(shè)計(jì) 從吸塑工藝要求出發(fā)， 結(jié)合廠方在全自動真空吸塑機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)， 采用 已經(jīng)相當(dāng)成熟的 PLC 技術(shù)、 伺服技術(shù)、傳感技術(shù)、人機(jī)界面 等手段 完成全自動真空吸塑機(jī)的開發(fā)，提高其生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量及整機(jī)的穩(wěn)定性，也可以增加系統(tǒng)的柔性。 本設(shè)計(jì)的主要工作是 針對 ZXSJ 型全自動真空吸塑機(jī)設(shè)計(jì)一套可靠的智能控制系統(tǒng)，對其各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動進(jìn)行自動控制，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的具體條件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的成效。 并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出每一動作執(zhí)行時(shí)，各機(jī)構(gòu)的動作順序，將其用流程圖的形式表達(dá)出來，為實(shí)現(xiàn)全自動真空吸塑機(jī)的控制做必要的準(zhǔn)備。很可能會出現(xiàn)控制精度不準(zhǔn)確的情況，也造成了在某些位置無法判斷機(jī)械部件的確切位置或者導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的誤動作，影響了生產(chǎn)效率的提高。 該系統(tǒng) 通過人性化的觸摸屏界面對系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān) 控和操作， 如進(jìn)行工藝參數(shù)的修改、系統(tǒng)的調(diào)試等。由于實(shí)驗(yàn)室所能提供的硬件 有限， 本系統(tǒng)在安裝調(diào)試時(shí) 搭建控制系統(tǒng)模型的時(shí)候只能 從簡，演示部分功能。 2. ZXSJ 型吸塑機(jī)控制系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)的需求分析 功能需求 ZXSJ 型全自動真空吸塑機(jī)是汕頭市明發(fā)機(jī)械有限公司最新開發(fā)的一款升級換代產(chǎn)品，產(chǎn)品的定位屬于中高檔真空吸塑機(jī)，因此對控制系統(tǒng)的性能和功能提出了更高的要求。 (2)運(yùn)行保護(hù)功能。保證操作人員可以直觀簡便地監(jiān)視吸塑機(jī)的運(yùn)行狀況，查看報(bào)警信息，設(shè)定或修改各種參數(shù)等。系統(tǒng)主要是面向基層的技術(shù)人員和一線技工，因此要求人機(jī)交互界面必須友好簡潔，力求做到人性化操作。 (4)開放性。 在控制器核心的選擇上有兩種方案：單片機(jī)控制和PLC 控制；而人機(jī)界面的設(shè)計(jì) 也 有 兩 種方案可選擇， 液晶 +單片機(jī)、觸摸屏顯示。 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)中的輸入信號 輸入系統(tǒng)的信號主要有： 啟動信號、急停信號、 產(chǎn)品計(jì)數(shù)信號、拉伸行程信號、同步行程信號和報(bào)警信號等，全部都是開關(guān)量信號。保證轉(zhuǎn)向和定位及速度控制準(zhǔn)確，尤其是對送片、成型開合模等動作要求精準(zhǔn)地控制電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，保持送片長度，開合模行程的恒定。確保各動作正確運(yùn)行，按控制要求實(shí)現(xiàn)各種功能?？偟膩碚f，本設(shè)計(jì)都是圍繞上述幾大子模塊展開的，各模塊的功能目標(biāo)如下： (1)PLC 順序控制系統(tǒng)。 各功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)見后續(xù)章節(jié)的詳細(xì)論述。單機(jī)控制系統(tǒng)的被控對象往往是一臺機(jī)器或一條生產(chǎn)流水線，其控制是用一臺 PLC 實(shí)現(xiàn)被控對象控制的，這種系統(tǒng)對 PLC 的輸入輸出點(diǎn)數(shù)要求較少，對存儲器的容量要求較小，對控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡單明了。由于采用一臺 PLC 控制，因此各被控對象之間的數(shù)據(jù)及狀態(tài)不需要另設(shè)專門的通信線路。 (4)遠(yuǎn)程 I/O 控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)的運(yùn)行方式 選擇 PLC 控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式有三種類型，及手動、半自動和自動。這種運(yùn)行方式的特點(diǎn)是系統(tǒng)在啟動和運(yùn)行過程中的某些步驟需要人工干預(yù)才能進(jìn)行下去。這種方式的主要特點(diǎn)是系統(tǒng)工作過程中系統(tǒng)按給定的程序自動完成被控對象的動作，不需要人工干預(yù)。在自動真空吸塑機(jī)正常 情況下以自動循環(huán)的方式運(yùn)行 ，工作結(jié)束后正常停機(jī)。 [3] 真空吸塑機(jī)工藝要求 真空吸塑機(jī)的工藝要求是本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)， 也 是 本 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的要實(shí)現(xiàn)的最終目的，因此在進(jìn)行硬件系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)之前必須對真空吸塑機(jī)的工藝流程有深入的 研究 。由此構(gòu)成整個(gè)全自動的真空吸塑機(jī)控制系統(tǒng)， 即可實(shí)現(xiàn)所要求的控制目標(biāo)，又不影響生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量及系統(tǒng)的柔性，還可以盡量縮減系統(tǒng)的開發(fā)成本。 送料部件的功能是將卷好掛在滾筒上的抽出來 以便送料鏈軌順利的夾住片材往前送。 送片電機(jī)為安川伺服電機(jī)，其速度和方向均需設(shè)定參數(shù)，并通過 PLC 來控制啟停。 (5) 下閘。 開合模動作由上下模兩臺伺服電機(jī)驅(qū)動 ，同樣需要控制伺服電機(jī)的運(yùn)動速度、方向及 動作時(shí)間。 拉伸這個(gè)工序由一個(gè)簡單的液壓系統(tǒng)來完成，使加熱變軟的片材迅速形成一個(gè)較為規(guī)則的形狀，便于真空成型。在 本系統(tǒng)中，通過電磁閥 啟停真空泵。 開模以后片材被加工成期望的形狀，通過沖剪這一工序把產(chǎn)品從片材上剪斷， 進(jìn)而進(jìn)行堆疊打包。 堆疊升降臺把沖剪出來的產(chǎn)品按設(shè)定的個(gè)數(shù)堆疊起來，方便打包，在計(jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定計(jì)數(shù)值前，升降臺按照程序設(shè)置的行程動作；達(dá)到 計(jì)數(shù)值時(shí)， 升降臺按另外設(shè)定的形成動作，把堆疊好的產(chǎn)品推出。 (13)輸送。 收料電機(jī)為三相異步電動機(jī)。 系統(tǒng)的控制流程圖如 31 所示。上述氣缸的動作均由相應(yīng)的電磁閥來控制 ；拉伸行程由接近開關(guān)的安裝位置決定； 而各伺服電機(jī)均按位控控制模式工作， 電機(jī)的保護(hù) 可 在伺服系統(tǒng)及控制程序中設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)和命令 。 根據(jù)上一節(jié)可知 ZXSJ 型 全自動 真空吸塑機(jī)的 系統(tǒng)類型和運(yùn)行方式。 (2)自動運(yùn)行。 為了選定系統(tǒng)的規(guī)模、機(jī)型和配置，需要對系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)和種類進(jìn)行精確的統(tǒng)計(jì)，且在設(shè)計(jì)過程中，實(shí)際的 I/O 點(diǎn)數(shù)要比統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)增加20%～ 30%，以便在有需要的時(shí)候進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展或二次開發(fā) 。 選型 PLC 的選型主要考慮以下三個(gè)方面： PLC 容量的選擇與確定、 PLC 外設(shè)的選擇與確定、 PLC 生產(chǎn)廠家的選擇與確定等。 由于系統(tǒng)中包含多個(gè)伺服系統(tǒng)，要求輸出高速脈沖， 且動作較為頻繁， 這就需要選用無觸點(diǎn)的晶體管輸出型 PLC。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每個(gè) I/O 點(diǎn)及有關(guān)功能器件占用的內(nèi)存大致如下 所需存儲器容量 ： (KB)＝ (1～ )(DI10＋ DO8＋ AI/O100＋ CP300)/1024 ＝ (1～ )(1710＋ 148＋ 0＋ 1300)/1024 ＝ 其中： DI 為數(shù)字量輸入總點(diǎn)數(shù)； DO 為數(shù)字量輸出總點(diǎn)數(shù)； AI/AO 為模擬量I/O 通道總數(shù)； CP 為通信接口總數(shù)。 PLC 生產(chǎn)廠家的選擇與確定 在進(jìn)行 PLC 生產(chǎn)廠家的選擇與確定上同樣考慮了 PLC 的功能、價(jià)格和設(shè)計(jì)者（設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)）的設(shè)計(jì)能力等三個(gè)方面。 2 個(gè)模擬量電位器，最多可擴(kuò)展 35AI/AO點(diǎn)。 (2)S7200 系列 CPU 的主要特點(diǎn)如下： 1)內(nèi)部集成的具有強(qiáng)勁的通信能力的 PPI 接口是 S7200 的用戶口， CPU 接口物理特性為 RS485，可在三種方式下工作。 2)豐富的內(nèi)置集成功能： 1)集成的 24V 負(fù)載電源，可直接連接到傳感器和變送器。 5)2 路高速脈沖輸出 (最大 20KHz)用于控制步進(jìn)電機(jī)，或伺服電機(jī)的運(yùn)動，從而 實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的定位任務(wù)。 S7200 系列 PLC 的存儲系統(tǒng)由 RAM 和 EEPROM 兩種類型的存儲器構(gòu)成， CPU 模塊內(nèi)部配備了一定容量的 RAM 和 EEPROM。 [5]在選定了 PLC 以及其擴(kuò)展模塊與分配好 I/O 地址后，本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要進(jìn)行電氣原理圖的設(shè)計(jì)：包括 主電路的設(shè)計(jì) 和控制電路的設(shè)計(jì)。下面就 PLC 控制部分硬件接線圖作簡要的說明 ： (1) 輸入口。 4) 各電機(jī)的保護(hù)開關(guān)分別連至 PLC 主機(jī) ～ 。 2) PLC 主機(jī)輸出口 控制送片方向， 口控制堆疊方向。 6) PLC 主機(jī)輸出口 控制下閘電磁閥。 10) PLC 主機(jī)輸出口 控制潤滑電磁閥。 為了防止 PLC+24V 電源因外圍的電氣故障而損壞，影響 PLC 的整體性能，一般在實(shí)際應(yīng)用中， PLC 的輸入點(diǎn)利用其本身的 +24V 電源，其他的擴(kuò)展模塊及外圍器件電源盡量外接 +24V 電源。 S7200 系列 CPU 模塊的電源預(yù)算和擴(kuò)展模塊的電源消耗分別如下列表格所示： [6] 表 32 S7200 系列 CPU 的供電能力 CPU 型號 電流供應(yīng) ＋ 5VDC +24VDC CPU221 0 mA 180mA CPU222 340 mA 180mA CPU224/224 XP 660 mA 280mA CPU226/226 XM 1000 mA 400mA 表 33 CPU 上及擴(kuò)展模塊上的數(shù)字量輸入所消耗的電流 CPU 上及擴(kuò)展模塊上的數(shù)字量 電流需求 ＋ 5VDC +24VDC 每點(diǎn)輸入 4mA/每輸入 表 34 EM253 位控模塊輸入輸出所消耗的電流 擴(kuò)展模塊型號 電流需求 ＋ 5VDC +24VDC EM 253 6ES7 2531AA220XA0 190mA 130mA 本系統(tǒng)的配置包括以下模塊 ： 1)CPU 226 DC/DC/DC； 2)4 個(gè) EM253 位置控制模塊 。但從上述計(jì)算可知，總的電源需求超出了 CPU226 模塊的電源定額，因此我們可以增加一個(gè)外部 24VDC 電源來提供給擴(kuò)展模塊 ，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。 (2)伺服電機(jī)： 驅(qū)動控制對象的代表性執(zhí)行裝置，在本系統(tǒng)中選用的是安川交流 伺服電動機(jī)； (3)位置或速度的檢測器，一般用安裝在電機(jī)上的編碼器，進(jìn)行位置的檢測，本系統(tǒng)中的檢測器為安川伺服電動機(jī)自帶的編碼器； (4)伺服驅(qū)動器： 是指“指令”和“反饋”的“誤差信號”進(jìn)行補(bǔ)償處理，驅(qū)動伺服電機(jī)的驅(qū)動器由處理“誤差信號”的“比較、控制放大器”和驅(qū)動電動機(jī)的“功率放大器”構(gòu)成，本系統(tǒng)選用的是 與安川伺服電動機(jī)配套的 SGMD 伺服驅(qū)動器 ； (5)上位裝置：以 “位置”或“速度”為目標(biāo)對伺服驅(qū)動器進(jìn)行控制的裝置，本系統(tǒng)以 西門子 PLC 作為上位裝置進(jìn)行控制。 控制系統(tǒng)伺服模塊詳細(xì)設(shè)計(jì) 在 ZXSJ 型全自動真 空吸塑機(jī)控制系統(tǒng)中 ，送片機(jī)構(gòu)、開合模機(jī)構(gòu)、沖剪機(jī)構(gòu)及堆疊機(jī)構(gòu)都是通過伺服電機(jī)來驅(qū)動 。 但由于本系統(tǒng) 總共需要對 6 臺伺服電機(jī)進(jìn)行控制，在優(yōu)先考慮高速脈沖模式的情況下，只能通過 CPU226 集成的兩個(gè)高速脈沖口控制 2 臺伺服電機(jī)，其 余的四臺電機(jī)可以采用 EM253 模塊或者自由口通信兩種模式進(jìn)行控制 。 位置控制模式工作原理 位置控制的根本任務(wù)就是使執(zhí)行機(jī)構(gòu)對位置控制指令的精確跟蹤，被控量一般是負(fù)載的空間位移，當(dāng)給定量隨即變化時(shí)，系統(tǒng)能使被控量無誤地跟蹤并反饋給定量，給定 量可以是角位移或線位移。速度指令信號與速度反饋信號與位置檢測裝置相同比較后 的偏差信號經(jīng)速度環(huán)比例積分 控制 器 調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變化后，由 SPWM 輸出轉(zhuǎn)矩電流， 控制交流伺服電機(jī)的運(yùn)行。在 PTO 輸出模式下， PLC 可生成一個(gè)占空比為 50%的脈沖串，用于伺服電機(jī)的位置和速度控制。 圖 42 為 伺服驅(qū)動器在高速脈沖位置控制模式下引用 CN CN2 端口的示意圖， 圖 43 為本系統(tǒng)中 送片 伺服電機(jī)的主電路接線圖。由模塊的 P0 口發(fā)送脈沖， P1 口發(fā)送方向， DIS 端口使能放大器并同時(shí)清除放大錯(cuò)誤。 EM253 模塊接線如圖 45 所示 ： 圖 45 EM253 位置控制模塊接線示意圖 23 軟件詳細(xì)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)目標(biāo) ZXSJ 型全自動真空吸塑機(jī) 對各機(jī)構(gòu)的動作的配合要求很高，且時(shí)間上的邏輯關(guān)系較為復(fù)雜，只有嚴(yán)格按照程序設(shè)定的邏輯關(guān)系協(xié)調(diào)執(zhí)行各機(jī)構(gòu)的動作才能使吸塑機(jī)正常運(yùn)行并提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 [11] (2)盡量減小 PLC 的輸出 隨機(jī) 延時(shí)影響，提高響應(yīng)速度 ，保證程序穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。 采用功能模塊設(shè)計(jì)法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)可以把吸塑機(jī)相同功能的程序集中在一起，使得程序結(jié)構(gòu)清晰 、可讀性強(qiáng)， 便于調(diào)試，還可以根據(jù) 實(shí)際 需要靈活增加一些其他的控制 功能 。 下面將根據(jù)上述編程思想對本控制系統(tǒng)的主程序及各個(gè)分支程序進(jìn)行詳細(xì)的剖析 。 開 始按 下 加 熱 箱按 鈕選 擇 工 作 模 式（ 手 動 / 自 動 ）自 動 模 式送 片下 閘成 型 子 過 程沖 剪 子 過 程堆 疊 子 過 程結(jié) 束N下 閘 復(fù) 位下 閘 到 位YN送 片送 片 到 位下 閘 上 升成 型 子 過 程YN沖 剪 子 過 程 堆 疊 子 過 程完 成 成 型過 程 ？NＹ完 成 沖 剪過 程 ？完 成 堆 疊過 程 ？ＮＮＹYＮ結(jié) 束按 下 停 止按 鈕 ？Ｙ 圖 52 ZXSJ 型全自動真空吸塑機(jī)主程序流程圖 26 成型子程序設(shè)計(jì) 成型子過程包含了比較多的基本動作，是本系統(tǒng)中最為重要的部分，成型過程的控制水平將直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。 在具體的執(zhí)行過程中，如圖 54 所示。如圖 53 所示， 該子程序的控制內(nèi)容包括開合模及拉伸、真空和夾腳等動作，其中拉伸動作構(gòu)成一個(gè)小循環(huán) ，整個(gè)子程序的結(jié)束標(biāo)志為三個(gè)復(fù)位動作完成。主程序流程圖如圖 52 所示， 程序中設(shè)置兩種工作方式：當(dāng)選擇手動方式時(shí)， 只需按照圖示流程來 順序 執(zhí)行，不必考慮同步控制的問題；當(dāng)選擇自動方式時(shí)， 主程序包含了順序與同步控制