全自动抛光机电气控制系统设计*

安 静

(广东松山职业技术学院， 广东 韶关 512126)

1 引 言

针对杯具、器皿的抛光方法和工艺，国内生产的抛光机近年来在技术上虽有所突破，但市场上还缺少专门制造不锈钢杯具的自动抛光设备，仅有的几款半自动杯具抛光机，仍未解决传统手工抛光工艺中出现的效率低及安全环保等问题，且市场现有大部分设备只针对一种规格或者同一杯形不同规格不锈钢杯具的抛光，不能满足多样化的生产需求。

笔者研制的高效环保全自动不锈钢杯类抛光机，结合抛光工艺，对设备的硬件进行配置，采用PLC和监控组态软件对全自动抛光机电气控制系统系统来进行设计与实现的，全自动不锈钢杯类抛光机可实现抛光工艺全部自动化。

2 抛光机设备及工艺流程

2.1 抛光机机械部分

全自动抛光机实物图如图1所示，其主要结构及功能如下：

(1) 皮带输送与定位机构：将物料(不锈钢杯)自动输送至指定位置并定位好。

(2) 夹杯旋转机构：夹持物料转动90°，使杯子变成水平布置,以利于杯子夹持装置取料。

(3) 十字滑台：可作同一水平面上的两个方向往返运动,从而带动安装在其上的夹持机构进行取料、抛光、落料等动作,是抛光机的核心部件。

(4) 回转式夹持装置：夹紧杯子,模拟操作工人人手的作用，在十字滑台的带动下,可作纵向往返运动从而达到抛光的效果。

(5) 落料装置：夹持装置转过90°,其夹芯卡于落料装置的半圆弧内,当夹持装置往前移动时,杯子在半圆弧板的阻挡下脱离夹持装置,落在落料槽内沿斜面滑出。

(6) 砂轮机：抛光的工作设备，麻轮(或棉布轮)安装其上，作高速旋转，从而达到抛光工件的目的。

(7) 机架：整个设备的支撑件。

图1 全自动抛光机的实物图1.皮带输送与定位机构 2.夹杯旋转机构 3.十字滑台 4.回转式夹持装置 5.落料装置 6.砂轮机 7.机架

2.2 全自动不锈钢抛光机的工艺流程

(1) 杯子倒立并排列于皮带表面上,电机带动皮带及杯子向前运动,(此时，前定位挡板缩回，后定位挡板伸出。)杯子到达预定位置时,由后定位装置挡住，此时前定位挡块伸出，使前面的杯子与杯子阵列分开。

(2) 杯子到达预定位置时，由光电开关检测到信号， 并指令夹杯气缸动作，夹杯气缸伸出夹住杯子，后定位挡块缩回，然后旋转气缸缩回，带动夹杯旋转机构翻转90°。使杯子成水平布置后，后定位挡块伸出。

(3) 杯子翻转90°后, 杯子的中心与十字滑台上夹杯器中心对齐,十字滑台纵向滑动, 杯子套入夹杯器, 松开气缸,由于摩擦力的作用,杯子稳定套在夹杯器中。

(4) 十字滑台纵向后退到砂轮纵向处边沿约10 mm处时, 夹持气缸伸出夹住工件；十字滑台横向前进,至砂轮边沿处。

(5) 十字没滑台纵向前进,杯子外表面被砂轮抛光，前进行程约为杯子的长度+10 mm, 行程完成后,后退至原位置，此为一个行程。

(6) 往复走2～4个行程。

(7) 十字滑台回原始位置,取下已抛光好工件。

(8) 完成一个工作循环，进入下一个循环。

3 抛光机电气控制系统设计

3.1 系统硬件配置

结合抛光工艺，机械设计，对设备的硬件进行配置。根据原料生产过程对控制、管理的要求确定直接控制层和操作监控层的设备配置。电气控制系统的整体方案[1]如图2所示。

图2 抛光机的电气控制系统

3.1.1硬件组成

PLC控制器：TWDLCAA40DRF

位控模块：TWDPTO220DT

人机界面：XBTOT4320

扩展输入模块：TM2DDI8DT

伺服驱动器：LXM23CU07M3X

伺服电机：BCH0802O11A1C

变频器：ATV302H037N4

RS485通信适配卡：TWDNAC485D

电源：ABL2REM24100

其他：端子、断路器、电磁阀、热继电器、交流接触器、变压器、指示灯以及按钮等。

3.1.2各模块功能简要说明

人机界面主要负责进行控制参数输入、状态监视及数据处理，采用基于RS-485接口的MODBUS协议与PLC进行数据交互；PLC作为整机的核心，负责根据接收现场传感器反馈的信号，按照预先设定的程序控制各执行机构输出；X与Y轴伺服驱动器使用Pt位置模式，利用PTO位控模块产生最高200 kHz控制脉冲，以及配合伺服电机自带的增量式编码器反馈当前位置信息，达到高速、可靠、精准的控制要求，并在X、Y轴执行机构的两侧分别安装有用于位置保护的行程开关，以保证生产安全；变频器用于控制物料传输带的运行速度，根据实际生产的情况，由用户直接通过面板旋钮调节。

3.2 软件配置

系统软件配置密切结合不锈钢抛光工艺过程及其控制、管理要求，提供一个友好、便捷的操作环境。抛光机主要采用计算机Solidworks三维实体设计软件、Twido Suite编程软件、Vijeo Designer人机界面编程软件以及LEXIUM 23 SET UP 伺服驱动器组态软件进行产品设计开发。

3.3 PLC控制程序截图

程序的总体结构如图3所示。

图3 程序的总体结构

程序的总体结构设计思路是先将各个功能划分成各个模块，根据不同的操作模式调用不同的子程序，实现模块化的编程[2]。

程序1：主要用于将现场实际相对固定的参数存储，开机时调用。

程序2：主要对本设备针对加工的常规产品数据进行记录，方便生产过程中快速调用，以避免操作人员手动修改可能造成的数据输入错误。

程序3：主要是用作原点判断，程序中较多位置需要原点判断，使用一辅助变量便可供程序其他部分调用。

程序4～6：该程序主要是将用户输入的控制请求，结合执行条件进行判断，实现启动、停止与复位功能，并对执行状态进行输出指示。

程序7：本段程序包含的安全生产中必要报警判断以及指示，例如：进出料异常、紧急停止、伺服定位异常、运行超时等，都会在人机界面上显示报警信息，维护人员可快速对故障进行判断和定位。

程序8：该段程序仅在运行的第一周期执行，用于初始化子程序，实现上电复位的功能。

子程序SR0：该段程序主要用作机械部分各个执行汽缸的电磁阀控制。

子程序SR1：主要用于响应程序上电时初始化调用以及由户输入的复位命令，该段程序执行后会清除所有辅助继电器、寄存器以及控制输出。

子程序SR2：该段程序主要用于“自动运行模式”，在该模式下进行当前的步骤条件判断，并且根据执行情况调用定位程序。

子程序SR3：该段程序主要是存储各个动作的目标位置以及运行的频率，供自动运行程序调用。

4 人机界面组态画面

欢迎界面、登录界面、参数设定显示界面、监控画面和报警及操作记录汇总界面5个界面。这里简要介绍如下3个界面。

参数设定显示界面，如图4所示，用户在登录界面输入正确的用户名及口令后会直接跳转至参数设定画面，可以查看或校对系统当前配置的参数，只有管理员才可进入参数设置画面进行参数的配置。此时若想返回前面的画面，请选择对应的目标画面即可，用户也可点击[进入监控画面]便可进入下一画面。注意：在点击[进入监控界面]后，触摸屏会将PLC启动锁定解除。即：用户确定配置的参数无误，设备开始接受控制命令。

监控画面，如图5所示。监控画面是本机的核心画面。

图4 参数设定显示界面 图5 系统监控画面

报警及操作记录汇总界面，如图6所示，画面记录下所有的报警信息以及用户操作记录，可对与管理以及设备维护提供一定的参考信息。设备一旦发生报警，无论正处于哪一个画面，都将自动跳转至报警画面，并且在画面的下方有一个活动的报警条提示用户。

图6 报警及操作记录汇总界面

5 Lexium23伺服驱动器参数配置

抛光机电气控制系统中所采用的Lexium23伺服驱动器的硬件连接和软件控制都是在控制模式 Pt(位置模式(端子输入))，所以必须先将运行模式设置为“位置模式”(Pt)，Lexium23伺服驱动器配置参数如下[3]。

P1-00 代码PTT 设置02：选择外部脉波列指令输入型式设定为脉波列+符号。

P1-01 代码CTL 设置100：控制模式及控制命令输入源设定为 Pt位置控制模式(命令由端子输入)+扭矩输出方向为正转方向为CW(顺时针)，反转方向为CCW(逆时针)。

P1-44 代码GR1 设置1：电子齿轮比分子为1。

P1-44 代码GR2 设置1：电子齿轮比分母为1。

P1-54 代码PER 设置5：位置到达确定范围设置为5pulse。

6 ATV302异步电机变频器参数设置

(1) 一级调整参数UFt

ACC 5 S：加速斜坡时间设置为5 s。

DEC 5 S ：减速斜坡时间设置为5 s。

LSP 0 Hz : 低速(最小给定值时的电机频率)

设置为0 Hz。

HSP 30 Hz：高速(最大给定值时的电机频率)

设置为30 Hz。

ItH ：电机热保护 - 最大热电流。

(2) 逻辑开关设置

指定将逻辑输入公共连线悬空。

7 结 语

运用了可编程序控制器电气控制系统的全自动不锈钢杯类抛光机，通过现场调试和生产运行，抛光机能够严格实现工艺要求，提供面向生产过程的监视、控制与数据采集的功能，不仅能满足直筒杯形的抛光要求，还可适用于有斜面的多种规格杯子抛光，对于不同规格的杯子进行抛光时，不需要改动硬件及电路，只需在触摸屏上设置相应的参数，以及更换相应规格的磨头，即可实现全自动抛光。

参考文献:

[1] 张桂香,张志军.PLC的选型与系统配置[J].微计算机信息,2005(9)：85-86.

[2] 迟君平, 王 斌, 李业友,等. 模块化编程方法在PLC程序开发中的应用[J].微计算机信息, 2005,21(6):26-27.

[3] 田 宇.伺服与运动控制系统设计[M].北京：人民邮电出版社, 2010.