【正文】 Machine Design Abstract In this thesis, I take the project of developing the control system of ZXSJ Automatic Vacuum Plasticabsorbing Machine for Shantou Mingfa Mechanical Co.,Ltd as background, discuss the course of system’s design and realization in an rngineering view and emphasize the two characters of this system: Intelligence and Human. This design is base on the study of the Thermoforming Machine’s Movement control Technology. ZXSJ automatic vacuum plasticabsorbing machine achieved these functions here as follows: program control for plasticabsorbing movement, digital parameter, human touch screen interface, by means of introduced some advanced control instruments and skills into system, such as PLC, Location control Module, Sensor, touch screen and so on. It means that the control performance of ZXSJ plasticabsorbing machine has increased a lot and achieved the advanced level. The design including the Hardware design such as PLC, Function module, touch srceen, Circuit design and installation, simulation。 Movement technology。 Movement control。 其應(yīng)用極其廣泛，主要包括 玩具、五金、食品、電子、藥品等的包裝。 [2]工業(yè)發(fā)達(dá)國家的 熱成型機(jī)技術(shù)成熟，自動化程度高，但在熱成型生產(chǎn)工藝及控制方案上仍存在一些問題。 但其大多在引進(jìn)國外技術(shù)上 基礎(chǔ)上對吸塑機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)或控制系統(tǒng)做某方面的改良， 并沒有革命性的突破，吸塑機(jī) 的整體性能和質(zhì)量跟國外技術(shù)水平仍有一定的差距， 不能滿足社會高效率、低成本 的 發(fā)展 需求。 這樣的系統(tǒng)存在 兩大 方面的不足： 1)整體運行速度 和控制精度不高 ， 相比氣動驅(qū)動方式，采用電動 驅(qū)動 可以大大提高各運動部件的運動速度和控制精度 ； 2)整機(jī)柔性不理想， 由三相異步電動機(jī)和減速器、行程開關(guān)等構(gòu)成的控制系統(tǒng) 不能根據(jù)工藝參數(shù)和控制參數(shù)的改變來作出 靈活、精確 的調(diào)整，不利于 改進(jìn)生產(chǎn)工藝、 提高產(chǎn)品質(zhì)量 。 同時， 本系統(tǒng)中采用的技術(shù)和理論將有助于 ： 1)提高熱成型機(jī)的自動化生產(chǎn)程度，滿足社會發(fā)展的需求； 2)提高國產(chǎn)熱成型機(jī)的檔次和控制水平，增加其技術(shù)附加值； 3)完善和發(fā)展熱成型機(jī)控制理論，改進(jìn)熱成型生產(chǎn)工藝，改善熱成型機(jī)的功能和性能。因此在原有的基礎(chǔ)上研究先進(jìn)的運動自動控制技術(shù)，大力提高真空吸塑機(jī)的控制水平，對于提高塑料產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著重要意義。整個系統(tǒng)設(shè)計的研究內(nèi)容包括以下方面： (1) 熱成型機(jī)動作 控制工藝的研究。在廠方提供的資料基礎(chǔ)上， 通過 多次到工廠現(xiàn)場參觀 吸塑機(jī)成品，與工廠的技術(shù)人員討論吸塑機(jī)的工作原理 和設(shè)計思想，詳細(xì)了解其工作過程，總結(jié)其中的細(xì)節(jié)問題。 全自動真空吸塑機(jī)的運動控制主要包括吸塑機(jī)各種開關(guān)、按鈕功能的實現(xiàn)及有效控制。 現(xiàn)在市場上大多數(shù)的吸塑機(jī)采用的是繼電器控制，這必須考慮電氣與機(jī)械結(jié)構(gòu)的同步性問題。本設(shè)計采用可編程控制器作為控制核心，采用伺服驅(qū)動器解決拉片等機(jī)構(gòu)的定位問題。 在完善上述設(shè)計的基礎(chǔ)上， 可 利用實驗室現(xiàn)有的條件 如 PLC、觸摸屏、電源模塊、指示燈等搭建了一個簡單的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗， 以驗證設(shè)計的成效。 研究方法、手段 本設(shè)計的研究主要 是在總結(jié) 個人在大學(xué)四年 所學(xué)的關(guān)于自動控制的理論 、PLC 編程知識 及項目實踐經(jīng)驗 的 基礎(chǔ)上 ， 查閱 各類 文獻(xiàn)并 結(jié)合 在 工廠現(xiàn)場所學(xué)習(xí)的熱成型機(jī)的 設(shè)計理念， 分析真空吸塑成型工藝的原理、特點與相關(guān)因素，深入了解熱成型機(jī)的 工作 過程，為 熱成型機(jī)動作控制工藝的研究提供理論基礎(chǔ)并確定設(shè)計方案。 整個系統(tǒng)主要由 觸摸屏、西門子 PLCS7200CPU 模塊、 位控制模塊、電子放大器、電源模塊、 安川伺服電動機(jī)、安川伺服驅(qū)動器、 指示燈及各種開關(guān) 、 按鈕 、電磁閥構(gòu)成。 但從設(shè)計的角度看，由于省略部分的設(shè)計原理和方法與最后實現(xiàn)的部分功能相同，所以 這并不影響 仿真驗證對本設(shè)計理論的驗證。 PLC 驅(qū)動各伺服電機(jī)、單相異步電機(jī)和電磁閥等完成各機(jī)構(gòu)的動作 ，并將系統(tǒng)的運行狀態(tài)實時反饋到觸摸屏界面上，以便操作人員監(jiān)視熱成型機(jī)的工作過程。其所需要實現(xiàn)的功能主要有以下方面： (1)實現(xiàn)對吸塑機(jī)基本功能動作的可靠控制。 上述 動作大部分是順序控制的，是吸塑機(jī)實現(xiàn)吸塑功能的基本要求。吸塑機(jī)在工作過程中對各機(jī)構(gòu)的動作協(xié)調(diào)度要求較高，為了避免在吸塑機(jī)的機(jī)械或者電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)誤動作損壞吸塑機(jī)，需要有一定的保護(hù)功能。 (3)全中文的 人機(jī) 交互界面。 4 性能需求 (1)可靠性。 (2)可操作性。并且要具備一定的容錯及安全保護(hù)措施。系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計，便于檢修、維護(hù)。便于廠方技術(shù)人員進(jìn)行二次開發(fā)。各個方案的主要差異體現(xiàn)在控制 器、人機(jī)界面和吸塑機(jī)運動控制實現(xiàn) 方法 的不同。在方案的評估上， 本設(shè)計 主要把系統(tǒng)的各項性能要求如可靠性、可操作性、可維護(hù)性以及經(jīng)濟(jì)性作為主要指標(biāo) ，最終選定了一種設(shè)計方案，以下對各種設(shè)計方案進(jìn)行比較分析： [2] 表 21 單片機(jī)系統(tǒng)與 PLC 系統(tǒng)的比較 方案 可靠性 可實現(xiàn)性 可維護(hù)性 經(jīng)濟(jì)性 PLC 系統(tǒng) 好，平均無故障時間可達(dá)十萬個小時 實現(xiàn)相對簡單，大部分信號可以直接輸入輸出 可模塊化設(shè)計、安 裝，方便維護(hù) 價格比單片機(jī)高，但性價比較理想 單片機(jī)系統(tǒng) 較差，容易受干擾，需要設(shè)計各種抗干擾措施 實現(xiàn)相對復(fù)雜，需要設(shè)計大量的外圍接口電路 使用元器件較多，系統(tǒng)較為復(fù)雜，維護(hù)工作量大 價格便宜 如表 21 所示， 考慮到 吸塑機(jī)一般處于間歇工作或 24 小時連續(xù)工作的狀態(tài)，且工作環(huán)境較為惡劣，對控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求較高，最后選擇了采用PLC 作為核心控制器的方案。 在人機(jī)界面的設(shè)計上， 可從 以下 兩種 方案 進(jìn)行選擇 ： [2] 5 表 22 兩種人機(jī)界面設(shè)計方案的比較 方案 可靠性 可實現(xiàn)性 可維護(hù)性 經(jīng)濟(jì)性 觸摸屏 好 采用與觸摸屏配套的組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，且內(nèi)置通信程序，相對容易實現(xiàn) 通過組態(tài)軟件可以簡便的進(jìn)行模塊修改和維護(hù) 價格較高，但可選擇檔次適中的產(chǎn)品降低成本 單片機(jī) +液晶 一般 編程復(fù)雜，工作量大，較難實現(xiàn) 程序的修改工作量大，難度高，不利于及時地維護(hù) 價格便宜 同樣，根據(jù) 表 22 列出的四項指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，選擇了觸摸屏顯示這種較為人性化的設(shè)計方案。大部分可以直接接入PLC 的數(shù)字量輸入口。 對各種驅(qū)動部件的控制要求如下： (1)各種電機(jī)。 (2)電磁閥。 (3)氣缸。 系統(tǒng)的 總體方案 整個控制系統(tǒng) 由 PLC、觸摸屏及各功能模塊構(gòu)成。而觸摸屏 則為系統(tǒng)的人機(jī)交互提供 友好的界面，系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)都可以存放在 PLC 的內(nèi)部 RAM 中，由 PLC 的串行口與觸摸屏相連，通過觸摸屏對各個參數(shù)進(jìn)行讀取、修改和設(shè)定。要求實現(xiàn)真空吸塑機(jī)各種機(jī)構(gòu)的運動、延時與協(xié)調(diào) 動作，保證吸塑機(jī)可靠穩(wěn)定地工作。為控制系統(tǒng)和外界交換信息提供通道，主要包括觸摸屏界面的開發(fā)和各種接口方案的實現(xiàn)。 威 綸 觸 摸 屏 S 7 2 0 0 P L C C P U 2 2 6工作模式選擇開關(guān)停止按鈕拉伸停止接近開關(guān)拉伸上限接近開關(guān)拉伸下限接近開關(guān)光電開關(guān)送料報警送片報警成型上模報警成型下模報警油泵報警沖剪上模報警沖剪下模報警堆疊報警撥臂報警輸送報警收料報警送片速度堆疊升降速度送片方向堆疊方向油泵電機(jī)報警指示燈加熱箱電磁閥下閘電磁閥拉伸電磁閥1 1拉伸電磁閥1 2拉伸電磁閥2 1夾腳電磁閥真空電磁閥潤滑電磁閥備用備用E M 2 5 3 1 E M 2 5 3 2 E M 2 5 3 3 E M 2 5 3 4成 型 上模 伺 服成 型 下模 伺 服沖 剪 上模 伺 服沖 剪 下模 伺 服圖 21 ZXSJ 型全自動真空吸塑機(jī)控制系統(tǒng)框架圖 由于目前用于工業(yè) 控制的 PLC 種類繁多，性能各異。 硬件系統(tǒng)總體 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 控制系統(tǒng)的選型 一般來說，由 PLC 構(gòu)成的控制系統(tǒng)可分為單機(jī)控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程 I/O 控制系統(tǒng)四種類 型，在實際的設(shè)計中需要根據(jù)對控制對象的實際要求來確定系統(tǒng)的類型： [3] 7 (1)單機(jī)控制系統(tǒng) 。此種系統(tǒng)在選用 PLC 時，任何類型的 PLC 都可以選用。集中被控系統(tǒng)的被控對象通常是由數(shù)臺機(jī)器或數(shù)條流水線構(gòu)成，這種系統(tǒng)是用一臺 PLC 控制多臺被控設(shè)備，每個被控對象與 PLC 的指定 I/O 相連接。 (3)分布式控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的控制由若干個相互之間具有通信聯(lián)網(wǎng)功能的 PLC 構(gòu)成，系統(tǒng)的上位機(jī)可以采用 PLC，也可以采用計算機(jī)。遠(yuǎn)程 I/O 控制系統(tǒng)實際上是集中式控制系統(tǒng)的特殊情況。 在本控制系統(tǒng)中， 被控對象是一條真空吸塑機(jī)， 主要實現(xiàn)其各機(jī)構(gòu)動作的順序控制 ，對 PLC 的輸入輸出點要求相對較少，對存儲器的容量要求不高，系 統(tǒng)的構(gòu)成單一，因此可以選用單機(jī)控制系統(tǒng)方案，而在 PLC 的選用放在仍需要進(jìn)一步根據(jù)實際需要來確定。 [3] (1)手動運行方式。 (2)半自動運行方式。半自動方式多用于檢測手段不完善，需要人工干涉的場合。 自動運行方式是控制系統(tǒng)的主要運行方式。 在全自動真空吸塑機(jī)的實際運行過程中，一般不需要人工干預(yù)，所有的工作過程均可以按系統(tǒng) 設(shè)定的 程序自動完成， 但在日常維護(hù) 、 加工新產(chǎn)品 或出現(xiàn)一些異常情況 時，需要進(jìn)行設(shè)備調(diào)試、調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和工藝參數(shù)等需要通過手動控制8 來完成。另外，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，每臺機(jī)器設(shè)備都需要設(shè)計急停保護(hù)。若在運行過程中需要調(diào)整某些控制參數(shù)或工藝參數(shù)可暫停程序的執(zhí)行，待調(diào)整完畢可繼續(xù)執(zhí)行下去。 系統(tǒng)硬件設(shè)計依據(jù) 在實際的工程應(yīng)用中， 系統(tǒng)硬件設(shè)計必須根據(jù)控制對象而定，需要考慮的因素包括控制對象的工藝要求、控制功能、設(shè)備狀況及 I/O 點數(shù)，從而構(gòu)成比較先進(jìn)完善的控制系統(tǒng)。下面是對 ZXSJ 型真空吸塑機(jī)工藝要求和控制流程的總結(jié)分析： ZXSJ 型全自動真空吸塑機(jī) 的工作過程包括送料、送片、加熱、加熱箱進(jìn)退、下閘、成型、拉伸、 夾腳、 開合模、沖剪、堆疊、輸送、收料等，此外， 還有一些機(jī)構(gòu)和電機(jī)可實現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的調(diào)整 （電氣原理圖見附錄 一 ）。其他的功能如送料、輸送、收料等可以由繼電器 — 接觸器控制電路來控制。 下面就 ZXSJ 型全自動真空吸塑機(jī)的每個動作的控制要求做詳細(xì)的分析： (1) 開機(jī)預(yù)熱。 (2) 送料。 送料電機(jī) 可 通過上下兩個接近開關(guān) 、 接觸器來 實現(xiàn)自動 起動或停機(jī)。 送片 部件的功能則是將片材按照設(shè)定的速度、長度等參數(shù) 送給 加9 熱箱、成型模具、沖剪部件 以完成各個加工工序。 同時，送片是整個自動循環(huán)工作過程的第一個動作。 在吸塑機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)前，需要把加熱箱移動至鏈軌上方加熱片材，而加熱箱的進(jìn)退是由電磁閥控制氣缸來驅(qū)動的。 當(dāng)送片動作到位后，下閘電磁閥動作，是下閘上升壓緊片材，以便其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行成型、沖剪等 動作。 (6) 開合模。 確保在開模后已經(jīng)完成拉伸、成型、夾腳等動作。 合模之后進(jìn)行的下一個工序是拉伸。 液壓系統(tǒng)包括一臺三相異步電動機(jī)、三個接近開關(guān) 、接通延時繼電器等 。