PLC的步进电机三轴运动控制在塑料瓶包装线中的应用

陈跃华，冯殿义，李 煜，夏之奔

（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，锦州 121001）

0 引言

塑料瓶在吹塑机中吹塑成型后需要安装把手，检测密封性，然后将检测合格的塑料瓶分批整齐地装入包装袋中后提供给需方。以往这些环节需要多名操作人员在生产线的不同工位手工操作完成，生产自动化水平低，生产效率低。为此，设计了塑料瓶上把、测漏和装袋等后续处理的全自动生产线，提高了生产效率。本文设计了基于西门子S7-200 PLC塑料瓶后续处理生产线自动控制系统。本控制系统的原理和技术可扩展到其它机械工程领域，具有广阔的应用前景[1]。

1 自动生产线概述

吹塑成型样品塑料瓶如图1所示。塑料瓶后续处理自动生产线包括自动上把、检漏和装袋三个工位，如图2所示。吹塑机的机械手间歇7秒将吹塑成型的两个塑料瓶放置于后续处理自动生产线的传送带上，传送带将塑料瓶依次送到上把、检漏和装袋三个工位，完成相应的操作。振动盘将瓶的把手排序送至上把工位，通过自动上把装置多气缸顺序动作将把手安装在塑料瓶上，移入检漏工位；检漏工位由精密压力开关和充气阀组成，通过充压、保压方法检测塑料瓶是否漏气，并将漏气瓶踢出传送带；装箱工位传动由3台步进电机驱动的导轨丝杠和回转气缸等组成，三台步进电机驱动真空吸盘式装箱机械手分别在横向、纵向及绕Z轴旋转，在回转气缸的配合下将42个塑料瓶分七层整齐的装入袋中。

图1 1.8升塑料油瓶

图2 塑料瓶后续处理自动生产线构成示意图

2 控制系统设计

2.1 控制系统硬件结构

本系统控制器采用西门子S7-200系列CPU226晶体管输出的PLC，通过PNP型光电开关检测塑料瓶是否到达工位，塑料瓶密封性检测采用高精度压力传感器；PLC通过两台86步进电机驱动器、一台57步进电机驱动器对步进电机进行精确位置控制和速度调节。其他执行元件包括电磁开关阀、气缸、振动盘和输送带等。硬件结构图如图3所示。

图3 系统硬件结构图

2.2 主程序设计

主程序采用SCR顺序控制指令调用初始化程序、自动程序和手动程序，在设备上电后首先执行初始化，各步进电机和气缸自动返回初始位置，当所有传感器给出到位反馈信号后进入自动运行模式，为防止误操作自动运行状态下所有手动按钮无效，如果需要手动调试可以通过按钮切换到手动模式，自动运行状态暂停，手动按钮有效。 主程序结构如图4所示。

图4 塑料瓶后续处理自动生产线控制系统主程序结构

2.3 装把控制

光电传感器A、B分别检测到瓶A、瓶B到位时，输送带启动，2.5s后输送带停止，塑料瓶到达下一工位。振动盘上的光电传感器没有检测到把手时开始振动，当检测到把手后继续振动10s，此时把手刚好充满通道，并且不会溢出。塑料瓶在输送带启动后会经过预排气缸，A、B瓶排列好后到达装把工位。装把操作是多气缸联合工作实现的，安装工位的光电传感器检测到两个塑料瓶经过后，定模气缸固定瓶子，上料气缸将手柄推到安装气缸上，进位气缸将手柄摆放到位，安装气缸安装手柄，退模气缸将安装气缸与手柄分离，装把结束。

2.4 测漏控制

测漏工位核心元件为高精度压力传感器，该传感器为数字压力传感器为PNP输出型，通过功能设定窗口设置一个压力上限值和一个压力下限值。测漏程序采用经验设计法，正常充气时瓶内压力不得超过上限值以防止造成塑料瓶的破坏，如果压力超过上限值系统报警并自动泄压。测漏工作过程分为充气、保压两个时段，根据经验充气时间3s，充气时间内压力达到下限值，停止充气保压3s，保压期间压力保持在设定的压力区间，判定此瓶合格品，待输送带再次启动将瓶送至下一个工位，移入2个待测瓶进入该工位。充气3s未达到压力下限值，或保压期间压力降到下限值以下，判定该瓶漏气，弹出气缸将踢出此瓶。

2.5 装箱控制

PLC对步进电机具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，即可实现对步进电机的控制[2]。在步进电机控制电路中，三台步进电机驱动器的脉冲信号PUL由PLC的两个高速脉冲输出点Q0.0和Q0.1提供，方向信号DIR分别由Q0.2、Q0.3和Q0.4控制，因为CPU226上只有两个高速脉冲输出口，所以2号步进电机使用Q0.1点，1号、3号步进电机共用Q0.0点，1号步进电机驱动器的脉冲信号（PUL）口与Q0.0之间通过继电器的常闭触点连接，3号步进电机驱动器的脉冲信号（PUL）口与Q0.0之间使用继电器的常开触点，接线方式如图5所示。

图5 自动装箱系统接线图

通过S7-200S脉冲输出功能向导设置电机参数和脉冲频率，利用线性脉冲串输出（PTO）指令块控制电机的运行与停止[3]。当光电传感器检测到6个瓶子经过后，调用Q0.0运动包络0，1号步进电机驱动丝杠开始带动机械手向下移动，机械手纵向移动的距离靠脉冲个数控制，二相混合式步进电机步距角是1.8o，驱动器设置成1/2细分，PLC每发出一个脉冲，步进电机将转动0.9o[4]，根据丝杠导程，机械手纵向行走1cm需要400个脉冲信号。同时激活Q0.1运动包络0、2号步进电机带动机械手在齿条上前移，前后移动通过安装在齿条两端的电感式接近开关发出停止信号。行走到位后，抓取塑料瓶，然后2号步进电机反转，带动机械手后移，为既保证效率又要防止因速度变化过快引起塑料瓶掉落，后移时应从高速到低速再停止，这需要为2号步进电机的运动包络创建一个低速脉冲新步，如图6所示。

图6 步进电机运动包络

后移到位后，1号步进电机驱动机械手向下运动，机械手每次下行应比上一周期运行抬高一个塑料瓶高度，分七层装满一箱，每次下行距离=固定高度+塑料瓶高度×（7-层数），然后在数据块中给出发送的脉冲个数，再使用MOVE指令传送到数据块中指定的V地址区，数据块中脉冲个数及地址如表1所示。

表1 数据块中脉冲个数及地址

机械手每次放好瓶子后上行复位。每一层塑料瓶放好后，3号步进电机驱动蜗杆带动工作台旋转180o，为上一层塑料瓶预留空间。3号步进电机运行前，将控制此继电器的Q0.5置1，使3号步进电机接通，1号步进电机断开，调用Q0.0运动包络1，工作台旋转180o后，Q0.5置0，继电器常开常闭触点转换。7层塑料瓶装满箱子后出袋气缸将工作台弹出，工人从箱子上卸下装满塑料瓶的包装袋，按下归位按钮，系统重新启动，装箱系统的工作流程图如图7所示。

图7 装箱流程设计

3 结束语

目前该控制系统已成功用于实际生产中，实际应用表明，机器操作灵活、把手安装快速可靠，密封性检测精准，装箱过程平稳高效。采用全自动控制系统提高了生产效率，获得了经济效益。

[1]孙贵政,杨建国,王庆霞.基于PLC控制的负极片生产线自动输送系统的设计[J].机械设计与制造,2012(3).

[2]郭超,付君,阮培英,申勋英,王玉妹.全自动挂面包装机送纸机构设计[J].机械设计与制造,2010(1).

[3]赵安.伺服电机和PLC技术在半自动计量充填包装机设备改造中的应用 [J].制造业制动化,2011(1).

[4]蔡寿将,王培良.步进电机PLC控制系统在吊粒烫色技术中的应用 [J].制造业制动化,2012(3).