【文章內(nèi)容簡介】 貼標(biāo)過程的電氣控制，完成控制柜的電氣原理圖設(shè)計和接線圖設(shè)計，實現(xiàn)機電 氣一體化。（2）實現(xiàn) PLC 控制程序的實現(xiàn)，包括系統(tǒng)氣動 PLC 程序，包括氣缸貼標(biāo)動作的控制。5 / 46 第 2 章 貼標(biāo)機的功能分析和總體設(shè)計2．1 手機電池貼標(biāo)機的功能分析根據(jù)貼標(biāo)工藝和要求，本論文設(shè)計手機電池貼標(biāo)機必須滿足以下設(shè)計功能要求：（1）將標(biāo)簽精確的貼在手機電池上。要實現(xiàn)這一功能必須對電池抽屜盒進給量進行精確定位控制。需要設(shè)計一個精確的位置伺服系統(tǒng)，要求手機電池在上升位移量過程中無位置靜差、無超調(diào)或者小超調(diào)、響應(yīng)速度快和系統(tǒng)的動態(tài)性能好。（2）要求所有動作自動運行，無須人工參與，通過控制系統(tǒng)完成所有動作協(xié)調(diào)和連續(xù)執(zhí)行。（3）有良好的人機交互式界面，通過上位機的監(jiān)控界面可以對設(shè)備的良好的操作，如對通過計算機可以對設(shè)備的單步和連續(xù)自動運行。要實現(xiàn)這一功能就必須對 PLC 的位編程，如輸出點、中間繼電器點和定時器點可在在上位機的人機交互式界面進行操作。通過上位機 RS232 串口通信來對可編程控制器內(nèi)部輸入、輸出點、定時器和中間繼電器進行讀寫操作。 系統(tǒng)整體方案設(shè)計 系統(tǒng)的整體架構(gòu)本文設(shè)計的手機電池貼標(biāo)機的控制系統(tǒng)主要是自動貼標(biāo)系統(tǒng)的控制，該系統(tǒng)涉及計算機、通信、機械、人工智能等多個技術(shù)領(lǐng)域的理論知識。根據(jù)上一節(jié)貼標(biāo)機的設(shè)計功能要求，擬采用工控機用來作為上位機，以三菱的 FX2N32MRE/UL 系列 PLC 作為下位機。手機電池自動貼標(biāo)機的整體設(shè)計方案框圖如圖 所示：6 / 46圖 系統(tǒng)整體設(shè)計方案框圖由圖 分析可以得出，PLC 控制系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的下位機，主要負責(zé)標(biāo)簽貼標(biāo)動作控制，如：氣動電磁閥的控制貼標(biāo)、吸附標(biāo)簽、氣動機械手搬送電池、電池搬送系統(tǒng)位置伺服步進電機的精確定位控制。 手機電池貼標(biāo)機的原理及工作過程原理：工作過程的開始是電池在傳送帶上以一個不變的速度向貼標(biāo)機進給。機械上的固定裝置將電池之間分開一個固定的距離，并推動箱子沿傳送帶的方向前進，貼標(biāo)機的機械系統(tǒng)包括一個驅(qū)動輪，一個貼標(biāo)輪，和一個卷軸。驅(qū)動輪間歇性地拖動標(biāo)簽帶運動，標(biāo)簽帶從卷軸中被拉出，同時經(jīng)過貼標(biāo)輪貼標(biāo)輪會將標(biāo)簽帶壓在電池上。在卷軸上采用了開環(huán)的位移控制，用來保持標(biāo)簽帶的張力因為標(biāo)簽在標(biāo)簽帶上是彼此緊密相連的，所以標(biāo)簽帶必須不斷起停。標(biāo)簽是在貼標(biāo)輪與電池移動速度相同的情況下被貼在電池上的。當(dāng)傳送帶到達了某個特定的位置時，標(biāo)簽帶驅(qū)動輪會加速到與傳送帶匹配的速度，貼上標(biāo)簽后，再減速到停止。由于標(biāo)簽帶有可能會產(chǎn)生滑動，所以它上面有登記標(biāo)志，用來保證每一張標(biāo)簽都被正確地放置。登記標(biāo)志通過一個傳感器來讀取，在標(biāo)簽帶減速階段，驅(qū)動輪會從新調(diào)整位置以修正標(biāo)簽帶上的任何位置錯誤。工作過程：步進馬達帶動卷料軸、出料盤運轉(zhuǎn)，通過出料盤與卷料盤的拉力，標(biāo)簽在剝標(biāo)板處剝離，由光電檢測頭確認剝離位置，并發(fā)出停止指令，此時，送料馬達帶動吸標(biāo)裝置前移，吸標(biāo)板吸住標(biāo)簽，吹氣裝置開始工作，標(biāo)簽隨馬達前移至限定位置，左糾偏氣缸及前糾偏氣缸同時推出。形成九十度的直角，對吸標(biāo)板上的標(biāo)簽進行精確校正，出標(biāo)工序完成。推料氣缸推動電池至電池豎截面限位位置，前糾正氣缸推出，對電池進行7 / 46精密定位，移載馬達帶動第一吸頭至電池定位位置，下移并吸住電池，前糾正氣缸退出，第一吸頭提起電池移至標(biāo)簽位置并落下，頂滾位抬起，手機電池貼，至頂滾位滾壓，趕出氣泡并抬起后移至側(cè)滾位，吸標(biāo)裝置回至原點，并準備下一流程，側(cè)滾前出，第一吸頭下壓，使側(cè)面標(biāo)簽隨側(cè)滾滾動定位，側(cè)位夾緊氣缸夾緊電池，側(cè)滾后退，第一吸頭放下電池，提起，移至下一工作位置，側(cè)滾前推，滾壓電池側(cè)面標(biāo)簽，后移，第二吸頭前移至側(cè)滾位，下移并吸住電池，側(cè)位夾松開，第二吸頭提起電池至雙側(cè)滾位，雙側(cè)滾同步前出，第二吸頭下落，電池通過雙側(cè)滾的平衡張力完成電池雙肩部位的貼標(biāo)，同時下移至前后夾緊位， ，前后夾夾緊電池，雙側(cè)滾后退，第二吸頭放下電池抬起，雙側(cè)滾按設(shè)定程序前滾后退后滾后退，完成標(biāo)簽結(jié)合處貼標(biāo)，第二吸頭前移至下一工作位，第三吸頭前移至雙側(cè)滾位，下落并吸起電池，前后夾松開，第三吸頭抬起并后移至出料口放下電池，貼標(biāo)工序完成。 本章小結(jié)本章根據(jù)貼標(biāo)機的貼標(biāo)工藝與要求，對貼標(biāo)機的功能進行了分析；并根據(jù)貼標(biāo)功能和要求對貼標(biāo)機進行了整體方案設(shè)計，對貼標(biāo)系統(tǒng)機械動作控制系統(tǒng)進行設(shè)計。8 / 46 第 3 章 貼標(biāo)機系統(tǒng)硬件的設(shè)計控制系統(tǒng)硬件設(shè)計主要分為兩個部分，上位機貼標(biāo)的管理信息控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和下位機 PLC 貼標(biāo)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，并對電氣控制柜的元器件進行布局。 下位機控制系統(tǒng)的選型 PLC 技術(shù)的簡介可編程控制器（Programmable Controller）是早期應(yīng)用于開關(guān)量控制，因此也稱為 PLC(Programmable Logical Controller)即可編程邏輯控制器，現(xiàn)代的可編程邏輯控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，高集成度的新型工業(yè)裝置，是計算機與工業(yè)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)品。自 PLC 問世以來，經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，以及稱為工業(yè)控制類產(chǎn)品。它不僅具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，還具有數(shù)字運算、模擬調(diào)節(jié)、監(jiān)控、記錄、計算機接口、數(shù)據(jù)傳輸功能，而且還能進行中斷控制、智能控制、過程控制、遠程控制、向上能與上位機進行通訊，向下能直接控制生產(chǎn)設(shè)備，可以通過下級 PLC 直接去控制執(zhí)行機構(gòu)。它之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需求以外，還有許多有點。它能夠較好的解決工業(yè)控制普遍關(guān)心的可靠、安全、經(jīng)濟、靈活、經(jīng)濟等問題?？删幊炭刂破鞑捎糜嬎銠C結(jié)構(gòu)，主要包括 CPU、存取器、輸入輸出模塊、通訊接口及模塊、編程器和電源 6 個部分。如圖 3－4 所示，PLC 內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。外部的各種開關(guān)信號、模擬信號，傳感器檢測的各種信號均為 PLC 輸入量，它們經(jīng)過 PLC 的外部輸入到內(nèi)部寄存器，PLC 做各種邏輯運算或其他運算處理送到 PLC 的輸出端，從而對現(xiàn)場設(shè)備提供各種控制。9 / 46圖 PLC 的機構(gòu)示意圖 可編程控制器的選型市場上可供選擇的 PLC 種類繁多，各種型號的 PLC 也有各自的優(yōu)勢和特點，應(yīng)用場合也不大相同。因此在設(shè)計之初，選擇一款符合手機電池貼標(biāo)機控制系統(tǒng)工藝和要求的可編程控制器顯得十分重要。經(jīng)過市場調(diào)研，本控制系統(tǒng)的下位機采用的是日本三菱公司的 FX2N32MRE/UL 系列 PLC 作為下位機控制，它是一款可視化的 PLC，屬于中小型可編程序控制器，可用于簡單的控制場合，也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強的通信功能，即使在大型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。FX2N32MRE/UL 系列 PLC 系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架是由成系統(tǒng)的 CPU 模塊和豐富的擴展模塊組成。它能夠滿足各種設(shè)備的自動化控制需求。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的上業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。如:沖壓機床、印刷機械、中央空調(diào)、電梯控制、運動控制系統(tǒng)等等。FX 系列除了具有以上一般 PLC 具有的基本控制功能以外，還在以下三個方面有獨到之處：（1）三菱的 FX 系列 PLC 是一款編程的 PLC，它具有強大的指令集、功能強大、速度快，掃描 30000 步時僅需要 1 毫秒。（2）FX2N32MRE/UL 提供了豐富的硬件資源，不僅有兩個軸的運動控制伺服定位控制接口；還提供了 4 通道的高速計數(shù)器，特別適合伺服系統(tǒng)的控制，如步進電機或者伺服電機以及光電編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。相對常規(guī)的可編程控制器而言，省去了定位控制單元，給安裝調(diào)試帶來方便。10 / 46（3）該系列 PLC 帶有 USB 編程口，與上位機進行串口通信調(diào)試時不會占用串口，可以在編程軟件中可以很方便的看到相關(guān)數(shù)據(jù)寄存器里面上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)。 伺服系統(tǒng)步進電機和絲杠選型在電池位置伺服系統(tǒng)中，步進電機和滾珠絲杠的選型關(guān)系到電池每次搬送的位置精度，伺服系統(tǒng)的精度和抗擾動性是衡量系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。在步進電機的選型時，必須充分考慮步進電機的一些相關(guān)物理量，步進電機的步距角度和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)距，一般的靜態(tài)轉(zhuǎn)距越大，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)距越抗擾動性能會更好，在負載變化時不容易失步，同樣步進電機的步距角越小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差會越小，但是步進電機的價格會更昂貴。本設(shè)計系統(tǒng)選用的步進電機為日本東方電機公司生產(chǎn)的 PK264A2 型步進電機，該電機的轉(zhuǎn)子與軸直接是通過減速傳動，減速比 1：18，因此它的步進角度僅為 度，為同行電機步距角度最小的一款。絲杠選擇必須考慮到系統(tǒng)的最小日本 THK 公司生產(chǎn)的 THKKR30 滾珠絲杠，其導(dǎo)程 t 為 1 毫米，根據(jù)初步估算滿足系統(tǒng)載荷要求。在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，為了配合步進電機的控制，許多 PLC 都配有脈沖輸出功能，并設(shè)置了相關(guān)指令，可以很好的對步進電機進行控制。這種控制方式可以大大減小系統(tǒng)的設(shè)計工作量，而且 PLC 具有實時刷新功能，輸出頻率可以到達數(shù)千赫茲或者更高，使步進電機響應(yīng)速度更快。PLC 直接控制步進電機時，必須考慮脈沖當(dāng)量，根據(jù)貼標(biāo)工藝和要求，系統(tǒng)為直線每次進給量為 δ=8 .13mm，根據(jù)步進電機的步距角度 α ，滾珠絲杠導(dǎo)程 t＝1mm，那么步進電機每次搬送相鄰兩個電池需要的脈沖數(shù) m ，根據(jù)公式： 360t????代入數(shù)字得 m =2926。 下位機控制系統(tǒng)的硬件配置 下位機控制硬件配置要求下位機控制系統(tǒng)的主要用來對貼標(biāo)的機械動作進行控制，主要包括電池升降位置伺服系統(tǒng)、搬送電池的機械手動作控制、真空吸附氣缸吸附標(biāo)簽的動作控制、貼標(biāo)氣缸的對電池的貼標(biāo)控制，下位機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計必須滿足以下幾個方面的要求：（1）實現(xiàn)電池貼標(biāo)系統(tǒng)的高精度位置伺服系統(tǒng)，電池位置伺服系統(tǒng)每次搬送的距離為 10mm；（2）氣動機械手搬送電池必須每次準確的夾緊電池，然后搬送到貼標(biāo)位置，11 / 46貼標(biāo)完畢以后準確的放回；（3）下位機控制系統(tǒng)必須有對機器良好的可操作性，必須輸入開關(guān)來控制設(shè)備。根據(jù)設(shè)計要求，本文設(shè)計的電池貼標(biāo)機控制系統(tǒng)硬件框圖如圖 所示，通過各種開關(guān)量的傳感器將設(shè)備工作的各種狀態(tài)輸入給本設(shè)計的控制系統(tǒng) PLC輸入輸出配置硬件框圖如圖 所示，各種位置傳感器將設(shè)備的狀態(tài)，如氣缸的位置、電池的位置等傳給 PLC 進行處理，由 CPU 做各種運算處理來，對執(zhí)行機構(gòu)進行實時調(diào)節(jié)。設(shè)備的主要硬件配置：（1）以 FX2N32MRE/UL 系列 PLC 為核心的控制器，用來對設(shè)備的各種狀態(tài)進行實時處理，通過傳感器的輸入信號得到設(shè)備的工作狀態(tài)，經(jīng)過實時處理，實現(xiàn)各種氣動閥、步進電機動作貼標(biāo)機動作。（2）在緊急情況下為了實現(xiàn)對設(shè)備的可操作性，需要設(shè)置輸出開關(guān)信號給可編程控制器和合理布局控制面板，根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計的控制系統(tǒng)輸出開關(guān)信號鍵有開機鍵、復(fù)位鍵、手動/自動鍵的切換、控制電池上升鍵和下降鍵、氣動機械手搬送鍵和緊急停止鍵，控制面部的布局應(yīng)該簡潔，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，操作人員能夠第一時間通過操作面板的操作來阻止重大事故的發(fā)生。（3）為了檢測設(shè)備的工作狀態(tài)，合理選擇和安裝傳感器，保證傳感器信號可靠的輸給可編程控制器，本設(shè)計對于氣動閥的位置檢測選用磁性開關(guān)量傳感器，對于電池和電池標(biāo)簽選用光電接近開關(guān)傳感器。（4）伺服系統(tǒng)的控制是本設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)，它的控制效果好壞關(guān)系到設(shè)備能否貼標(biāo)成功。為了滿足電池貼標(biāo)工藝和要求，本設(shè)計的步進電機位置伺服系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，通過光電編碼器的脈沖檢測步進電機的位置送給可編程控制器，并在 PLC 內(nèi)部設(shè)定一定的控制器進行處理來調(diào)整輸出脈沖，使步進電機的位置準確的到達給定位置。FX 2N32MRE/UL 系列 PLC 直接控制步進電機接線圖如圖 所示。FX 2N32MRE/UL 系列 PLC 位置控制輸出脈沖單元分別為 500～503，占用 4 個輸出點。本設(shè)計的位置采用 50