冰箱貼覆機步進電控設計

許駿馬

（南京亞派科技股份有限公司，江蘇 南京210000）

0 引言

在冰箱生產流水線中，有一段控制工藝是專門負責給冰箱外殼板的左右兩側內表面冷凝管貼鋁箔膠帶的，其應用的設備被稱作冰箱貼覆機。貼覆工作由2個運動的電機實現，每個電機負責貼殼板的一側，要求電機運動距離和速度可控，常用步進電機或伺服電機實現。這里采用的是步進電機，成本要比伺服電機便宜，控制的難度在于以下2點：（1）冰箱外殼在生產線什么位置停止移動，等待貼覆位置的確定。冰箱外殼尺寸不同，會造成殼板在生產線上停下來等待貼覆的位置不同，長殼板要往前多運動一點，短殼板要少運動一點，這樣才能保證2個機頭都能完成各自區域的貼覆工作，否則會有一個機頭無法貼完相應的管子。（2）坐標變換。步進電機的運動和氣缸的抬壓動作都由坐標實現，坐標的建立是貼覆控制實現的關鍵。圖1為冰箱生產線貼覆機設備。

圖1 生產線貼覆機設備

1 工作原理

1.1 控制設備組成

整個系統由光電檢測、信號傳送、步進電機控制、氣缸動作、變頻皮帶運行幾部分組成。光電檢測主要用于電機回原點控制、工件進入、退出信號檢測、傳送皮帶的減速和工件到位檢測。伺服系統不同于過程控制，有部分器件為運動的，信號傳送負責把運動部件上的所有氣缸及傳感器采集控制信號通過總線方式傳輸給PLC控制器，而不是都直接連線到PLC，這使系統簡潔可靠。步進電機負責貼覆頭的來回往復運動，氣缸負責貼覆頭在設定的坐標實現抬壓貼覆工作，變頻皮帶負責殼板工件的加速、減速、倒退傳動。圖2為控制系統的組成，包括傳感器單元、信號傳送單元、主要控制單元3個部分。

貼覆設備總共有A、B、C、D 4個運動立柱，2個為一組，每個立柱上裝一套信號傳送系統，負責對應立柱上所有氣缸部件的信號采集和控制；2臺步進電機，每個電機負責殼板一側的鋁箔貼覆工作，板兩側銅管為對稱布置，要求電機A、B同步往復運動，同時貼覆運行速度、移動距離可調；2臺皮帶變頻器負責生產線皮帶運行速度的調節。圖3為貼覆機控制系統布局示意圖，包括傳感器、電控柜放置位置。

圖2 控制系統組成

圖3 貼覆機控制系統布局示意圖

1.2 控制流程

由于步進控制器不具備坐標記憶能力，每日生產開始時，電機先各自回到對應原點，然后運行到設置起點坐標，等待工件的到來。工件進入后先由入口端光電開關檢測到工件進入信號，皮帶按設定速度快速運行，等工件進入到中間部分時觸動減速光電，皮帶電機減速，皮帶上工件低速移動，貼覆頭上可調光電傳感器定位檢測到工件到來時，使皮帶停止運動，由側推氣缸把工件固定住，然后步進電機啟動，由起點運行到終點，貼覆氣缸在設置的起點壓下，在銅管末端抬起，進行相應貼覆操作，貼覆完畢，變頻皮帶開始運動，工件在出口處觸發光電開關，表示工件運行完畢，這樣一段貼覆流程結束。

1.3 步進脈沖數與機頭移動距離換算

設步進電機為小輪傳動，減速機為大輪傳動，2臺移動機頭由減速機大輪傳動。

根據式（3）可以將需要移動的距離換算為發送的脈沖數給控制器，控制機頭移動距離大小，同時通過調節脈沖頻率值調節機頭移動速度。

2 系統設計

2.1 主要硬件設計

控制器選用西門子CPU315－2DP、西門子觸屏 TP277－6、步進脈沖模塊1STEP 5V／204 kHz。電機部分為SINAMICS V60驅動器、西門子電機1FL5、三菱FR－E740－0.75K變頻器。信號傳送為SMC EX500－GPR1A串行傳送系統及若干 EX500－1B1、EX500－1E3、VQC2101－51模塊。

為解決貼覆定位問題，這里選用歐姆龍距離可調光電開關，安置在貼覆頭機構上，從上往皮帶照射，根據工件和皮帶反光度差別調節距離，使工件經過時有反射而皮帶照射時無反射信號。回原點輔助用接近開關選用4個，2個上限位，2個原點，也可根據需要設置下限位。

2.2 控制網絡設計

如圖4所示，CPU315－2DP控制器下設有5個DP子站，ET200S子站負責步進電機控制、變頻器控制和光電信號采集，EX500－GPR1A子站負責每個立柱的貼覆頭氣缸狀態反饋、控制和其他傳感器信號的傳輸。ET200S子站被安置在固定的PLC操作站里，EX500－GPR1A被安置在4個移動的立柱上，各站點間通過DP拖鏈電纜通訊。

圖4 總線網絡

2.3 軟件設計

控制分2種模式：手動模式可設置電機移動速度、距離，進行左移／右移／回原點操作、變頻器加速／減速／前進／后退操作；自動模式控制流程如圖5～7所示，主要分變頻器控制、氣缸控制、電機控制3個部分，主程序循環執行以上模塊。圖7中電機控制部分要求2臺電機同步工作，如A、B回原點動作，必須A、B節奏完全相同，同時左、同時右，先到達的要等待后到達的才能執行下一步，最后一起完成回原點，否則機頭容易相撞。

2.4 觸屏主畫面設計

圖8為電機A側2個柱體的貼覆頭動作參數設置畫面，運行前先設置電機運動的起點和終點，這是貼覆頭的最大范圍，A1～A4、C1～C4表示各軌道的貼覆頭，分別設置下壓和抬起坐標，當機頭運行到設定的下壓坐標時，該軌道貼覆頭下壓，運行到抬起坐標時，貼覆頭抬起，完成該軌道貼覆工作，每個軌道設置坐標可以不同。因為步進電機沒有絕對值編碼器，程序的關鍵是建立運動的坐標系，坐標零點是原點接近開關，相關西門子程序設計可以參考文獻［1］。

圖5 變頻器控制框圖

圖6 氣缸控制框圖

圖7 步進電機控制框圖

圖8 參數運行畫面

3 結語

用西門子ET200S步進脈沖模塊和SINAMICS V60驅動器構建的步進電控系統可以用于冰箱生產線中運動控制精度不是很高的帖覆機控制，相對于伺服系統價格較低；同時選用可調距離光電根據背景反光度差別解決了工件停止移動時的貼覆定位信號問題。本文提供了該控制系統設計的實現過程，可供其他類似運動控制設計參考。

［1］陳先鋒.西門子全集成自動化技術綜合教程［M］.北京：人民郵電出版社，2011