PLC的步進電機三軸運動控制在塑料瓶包裝線中的應用

陳躍華，馮殿義，李 煜，夏之奔

（遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，錦州 121001）

0 引言

塑料瓶在吹塑機中吹塑成型后需要安裝把手，檢測密封性，然后將檢測合格的塑料瓶分批整齊地裝入包裝袋中后提供給需方。以往這些環節需要多名操作人員在生產線的不同工位手工操作完成，生產自動化水平低，生產效率低。為此，設計了塑料瓶上把、測漏和裝袋等后續處理的全自動生產線，提高了生產效率。本文設計了基于西門子S7-200 PLC塑料瓶后續處理生產線自動控制系統。本控制系統的原理和技術可擴展到其它機械工程領域，具有廣闊的應用前景[1]。

1 自動生產線概述

吹塑成型樣品塑料瓶如圖1所示。塑料瓶后續處理自動生產線包括自動上把、檢漏和裝袋三個工位，如圖2所示。吹塑機的機械手間歇7秒將吹塑成型的兩個塑料瓶放置于后續處理自動生產線的傳送帶上，傳送帶將塑料瓶依次送到上把、檢漏和裝袋三個工位，完成相應的操作。振動盤將瓶的把手排序送至上把工位，通過自動上把裝置多氣缸順序動作將把手安裝在塑料瓶上，移入檢漏工位；檢漏工位由精密壓力開關和充氣閥組成，通過充壓、保壓方法檢測塑料瓶是否漏氣，并將漏氣瓶踢出傳送帶；裝箱工位傳動由3臺步進電機驅動的導軌絲杠和回轉氣缸等組成，三臺步進電機驅動真空吸盤式裝箱機械手分別在橫向、縱向及繞Z軸旋轉，在回轉氣缸的配合下將42個塑料瓶分七層整齊的裝入袋中。

圖1 1.8升塑料油瓶

圖2 塑料瓶后續處理自動生產線構成示意圖

2 控制系統設計

2.1 控制系統硬件結構

本系統控制器采用西門子S7-200系列CPU226晶體管輸出的PLC，通過PNP型光電開關檢測塑料瓶是否到達工位，塑料瓶密封性檢測采用高精度壓力傳感器；PLC通過兩臺86步進電機驅動器、一臺57步進電機驅動器對步進電機進行精確位置控制和速度調節。其他執行元件包括電磁開關閥、氣缸、振動盤和輸送帶等。硬件結構圖如圖3所示。

圖3 系統硬件結構圖

2.2 主程序設計

主程序采用SCR順序控制指令調用初始化程序、自動程序和手動程序，在設備上電后首先執行初始化，各步進電機和氣缸自動返回初始位置，當所有傳感器給出到位反饋信號后進入自動運行模式，為防止誤操作自動運行狀態下所有手動按鈕無效，如果需要手動調試可以通過按鈕切換到手動模式，自動運行狀態暫停，手動按鈕有效。 主程序結構如圖4所示。

圖4 塑料瓶后續處理自動生產線控制系統主程序結構

2.3 裝把控制

光電傳感器A、B分別檢測到瓶A、瓶B到位時，輸送帶啟動，2.5s后輸送帶停止，塑料瓶到達下一工位。振動盤上的光電傳感器沒有檢測到把手時開始振動，當檢測到把手后繼續振動10s，此時把手剛好充滿通道，并且不會溢出。塑料瓶在輸送帶啟動后會經過預排氣缸，A、B瓶排列好后到達裝把工位。裝把操作是多氣缸聯合工作實現的，安裝工位的光電傳感器檢測到兩個塑料瓶經過后，定模氣缸固定瓶子，上料氣缸將手柄推到安裝氣缸上，進位氣缸將手柄擺放到位，安裝氣缸安裝手柄，退模氣缸將安裝氣缸與手柄分離，裝把結束。

2.4 測漏控制

測漏工位核心元件為高精度壓力傳感器，該傳感器為數字壓力傳感器為PNP輸出型，通過功能設定窗口設置一個壓力上限值和一個壓力下限值。測漏程序采用經驗設計法，正常充氣時瓶內壓力不得超過上限值以防止造成塑料瓶的破壞，如果壓力超過上限值系統報警并自動泄壓。測漏工作過程分為充氣、保壓兩個時段，根據經驗充氣時間3s，充氣時間內壓力達到下限值，停止充氣保壓3s，保壓期間壓力保持在設定的壓力區間，判定此瓶合格品，待輸送帶再次啟動將瓶送至下一個工位，移入2個待測瓶進入該工位。充氣3s未達到壓力下限值，或保壓期間壓力降到下限值以下，判定該瓶漏氣，彈出氣缸將踢出此瓶。

2.5 裝箱控制

PLC對步進電機具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能，即可實現對步進電機的控制[2]。在步進電機控制電路中，三臺步進電機驅動器的脈沖信號PUL由PLC的兩個高速脈沖輸出點Q0.0和Q0.1提供，方向信號DIR分別由Q0.2、Q0.3和Q0.4控制，因為CPU226上只有兩個高速脈沖輸出口，所以2號步進電機使用Q0.1點，1號、3號步進電機共用Q0.0點，1號步進電機驅動器的脈沖信號（PUL）口與Q0.0之間通過繼電器的常閉觸點連接，3號步進電機驅動器的脈沖信號（PUL）口與Q0.0之間使用繼電器的常開觸點，接線方式如圖5所示。

圖5 自動裝箱系統接線圖

通過S7-200S脈沖輸出功能向導設置電機參數和脈沖頻率，利用線性脈沖串輸出（PTO）指令塊控制電機的運行與停止[3]。當光電傳感器檢測到6個瓶子經過后，調用Q0.0運動包絡0，1號步進電機驅動絲杠開始帶動機械手向下移動，機械手縱向移動的距離靠脈沖個數控制，二相混合式步進電機步距角是1.8o，驅動器設置成1/2細分，PLC每發出一個脈沖，步進電機將轉動0.9o[4]，根據絲杠導程，機械手縱向行走1cm需要400個脈沖信號。同時激活Q0.1運動包絡0、2號步進電機帶動機械手在齒條上前移，前后移動通過安裝在齒條兩端的電感式接近開關發出停止信號。行走到位后，抓取塑料瓶，然后2號步進電機反轉，帶動機械手后移，為既保證效率又要防止因速度變化過快引起塑料瓶掉落，后移時應從高速到低速再停止，這需要為2號步進電機的運動包絡創建一個低速脈沖新步，如圖6所示。

圖6 步進電機運動包絡

后移到位后，1號步進電機驅動機械手向下運動，機械手每次下行應比上一周期運行抬高一個塑料瓶高度，分七層裝滿一箱，每次下行距離=固定高度+塑料瓶高度×（7-層數），然后在數據塊中給出發送的脈沖個數，再使用MOVE指令傳送到數據塊中指定的V地址區，數據塊中脈沖個數及地址如表1所示。

表1 數據塊中脈沖個數及地址

機械手每次放好瓶子后上行復位。每一層塑料瓶放好后，3號步進電機驅動蝸桿帶動工作臺旋轉180o，為上一層塑料瓶預留空間。3號步進電機運行前，將控制此繼電器的Q0.5置1，使3號步進電機接通，1號步進電機斷開，調用Q0.0運動包絡1，工作臺旋轉180o后，Q0.5置0，繼電器常開常閉觸點轉換。7層塑料瓶裝滿箱子后出袋氣缸將工作臺彈出，工人從箱子上卸下裝滿塑料瓶的包裝袋，按下歸位按鈕，系統重新啟動，裝箱系統的工作流程圖如圖7所示。

圖7 裝箱流程設計

3 結束語

目前該控制系統已成功用于實際生產中，實際應用表明，機器操作靈活、把手安裝快速可靠，密封性檢測精準，裝箱過程平穩高效。采用全自動控制系統提高了生產效率，獲得了經濟效益。

[1]孫貴政,楊建國,王慶霞.基于PLC控制的負極片生產線自動輸送系統的設計[J].機械設計與制造,2012(3).

[2]郭超,付君,阮培英,申勛英,王玉妹.全自動掛面包裝機送紙機構設計[J].機械設計與制造,2010(1).

[3]趙安.伺服電機和PLC技術在半自動計量充填包裝機設備改造中的應用 [J].制造業制動化,2011(1).

[4]蔡壽將,王培良.步進電機PLC控制系統在吊粒燙色技術中的應用 [J].制造業制動化,2012(3).