基于PLC的多工位粘合機控制系統設計

石平義 姜莉莉 余 輝

(廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006)

基于PLC的多工位粘合機控制系統設計

石平義 姜莉莉 余 輝

(廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006)

為解決耳機制造過程中存在的用工量大、裝配精度低、效率低及粘合不牢靠等問題，提出一種“PLC+交流伺服系統+人機界面”的多工位粘合機控制系統。對整個系統進行了現場運行和調試,結果表明：該系統提高了自動化程度和工作效率。

粘合機控制系統 PLC 多工位 耳機

耳機是人們日常生活不可或缺的工具，隨著電子產品的飛速發展，人們對耳機質量的要求也越來越高，這給耳機制造商帶來機遇同時也帶來制造難題。耳機產品制造過程現狀為工序繁雜、自動化程度低、生產效率低下、勞動密集、生產成本高。耳機的關鍵部分——海綿與膠件粘合工序，從供料、抓料、海綿與膠件準確粘結由多人人工完成。由于人工操作隨機性大，造成產品質量存在隱患，次品、不良品隨時產生。而國內耳機制造企業與設備制造商對該制造過程自動化操作的設備較少，這勢必造成耳機生產質量、數量難以滿足要求。國內耳機生產廠家在很多工序方面的自動化水平還比較低,這樣嚴重影響了整個產品的質量和生產效率[1]。因此，為解決上述問題筆者率先提出了一種以PLC為控制核心的耳機專用自動粘合機控制系統。

1 設備工藝流程和工作原理

耳機的關鍵裝配部件膠件來料為注塑成型，海綿是經過專用沖床沖壓成型出來的。按照設計方案，自動粘合機(圖1)能實現自動送料、自動涂膠、自動粘合、自動卸料。根據耳機生產要求和工藝要求，該設備主要包含3個部分：膠件送料部分、海綿送料部分和工作臺部分。

自動粘合機的主要工藝流程為：膠件、海綿人工放料→推料裝置推送料→放料到工作臺→工作臺旋轉→膠件自動涂膠→海綿與膠件的粘合→卸料。

圖1 自動粘合機

設備工作原理為：人工一次性將一定量的海綿、膠件放入裝料芯軸，此時位于芯軸下方的貫通式伺服電機推送物料上升一個位置，吸嘴吸取推上來的膠件，放到工作臺對應位置，工作臺旋轉到涂膠工位，對膠件自動涂膠。涂膠時，海綿送料部分同時動作。位于海綿送料部分的機械手抓取海綿并等待涂膠完畢，工作臺旋轉到該工位準確將海綿送到工作臺上與膠件配合(海綿推送機構類似于膠件部分)，此時，位于該工位上方的氣缸動作，將海綿與膠件壓好。最后，工作臺旋轉到卸料工位，相應的機構動作，完成自動卸料。整機動作流程如圖2所示。

圖2 整機動作流程

2 粘合機控制系統設計

2.1設計要求

根據設計目的和粘合機的工作原理，控制系統應滿足以下要求：

a. 為保證控制系統運行的安全性，電氣系統應有開機初始化、自診斷和急停保護裝置。

b. 為保證控制系統的可靠性和易維護性，應采用氣缸、電機為動力源，具備觸摸屏人機界面。

c. 針對操作、調試要求，需要有手動、自動兩種工作模式。

d. 為了調試與生產，出膠量、涂膠速度、送料速度及工作臺旋轉時間等參數應可調。

e. 為保證加工質量和管理，應具有實時監控與自動原點檢測功能。

2.2總體設計

自動粘合機控制系統由上位機觸摸屏、下位機可編程控制器PLC組成。PLC輸入有數字量和模擬量，數字量輸入端連接手動/自動開關、開機/停機按鈕、伺服電機信號及限位開關信號等；模擬量輸入采用A/D模塊，連接傳感器。PLC輸出也有數字量和模擬量，數字量輸出連接伺服系統、電磁閥及交流接觸器等，模擬量輸出采用D/A模塊，與變頻器、電阻絲等連接[2]。系統通過PLC編程控制電磁閥、接觸器的動作，以實現工作臺定位與旋轉、滑動模組x、y向的運動、氣缸動作及涂膠系統動作等一系列功能。

2.3硬件選型

根據動作流程與控制系統要求，控制系統用到的輸入有31個，輸出有21個。考慮到成本和余量[3]，筆者選用三菱FX3U-64MT型PLC，它具有32個輸入，滿足控制系統要求。另外采用3個特殊功能模塊，其中一個是模擬量輸入模塊FX2N-4AD，此模塊是將傳感器的位置信號轉換為電信號(1～5V，4～20mA)[4]發送至PLC處理。另外兩個是脈沖量輸入模塊FX3U-1PG，用來分別實現對工作臺、送料與抓料的準確定位。人機界面選用威綸通TK6070ip系列觸摸屏。PLC與上位機之間采用RS-232C協議進行通信,要對PLC進行通信設置,將DM6645的值設為“1000”，即RS-232C通信方式。該串行通信可順利完成參數設定與狀態監控功能[5]。粘合機控制系統框圖如圖3所示。

圖3 粘合機控制系統框圖

2.4I/O地址分配

控制系統的I/O地址分配見表1。

表1 I/O地址分配

2.5主電路

粘合機控制系統主電路中主要有5個電機、PLC模塊接口等,其中工作臺伺服電機M1,用來為回轉工作臺提供90°分度回轉；M2～M5為4個推送物料貫通式直線伺服電機,用來將物料一個個推送到預定位置以便于抓取。每個電機支路上安裝有熱繼電器,對電機起到過載保護作用[6]。在主電路中設有熔斷器(FU6)以保護電路,并設有空氣開關(QS)。PLC由外部提供110V電壓進行工作。主電路如圖4所示。

圖4 粘合機控制系統主電路

2.6軟件設計

2.6.1程序設計

根據控制系統要求，軟件設計包括手動工作模式與自動工作模式。手動工作模式主要方是便運行前調試，通過觸摸屏上不同的按鈕實現不同的操作。而自動工作模式是設備的主要工作方式，也是該設計的重點。在自動模式下,設備以數字量和模擬量作為轉移信號，按預定的程序流程進行。筆者采用順序控制設計方法，即按照生產的工藝流程預先規定的順序，在各個輸入信號的作用下，根據內部狀態和時間順序，在工作過程中各個執行機構自動有序地進行動作[7]。該設計方法可以減少設計時間，而且方便仿真與調試。運用順序控制設計方法時，應根據控制系統程序流程，畫出順序功能圖，再根據順序功能圖畫出梯形圖。該控制系統程序采用步進梯形指令進行編程，這是目前比較流行和簡單易懂的編程方法，編程人員可以方便地進行維護[8]。粘合機控制系統程序流程如圖5所示。

為了保證各動作的順序性，系統在軟件設計上采用了前后動作互鎖功能，使得前后動作嚴格按照工作節拍運行。

圖5 粘合機控制系統程序流程

2.6.2觸摸屏界面設計

采用維綸通的TK6070ip系列HMI觸摸屏，該屏能夠直觀地顯示PLC、單片機和PC機上的數據信息，并支持與大多數PLC直接通信。PLC傳輸數據不需要運行其他任何特殊程序即可快速、有效地實現現場數據的采集、處理、監控和輸出。

人機界面的開發基于EB8000組態軟件，該軟件支持離線模擬和在線模擬功能，極大地方便了程序的調試[9]。觸摸屏界面由初始頁面、模式選擇頁面、參數設置和開機原點檢測頁面組成。該系統觸摸屏主頁面如圖6所示。

圖6 觸摸屏主界面

3 結束語

筆者提出的自動粘合機將多道工序動作在一臺設備上完成，實現了耳機關鍵零部件的自動化送料與加工功能。通過理論分析和現場調試，證明該設備的粘合精度和效率能夠滿足設計和生產要求，運行穩定可靠，自動化程度高，大幅提高了耳機的生產效率與質量。目前，該設備已投入企業生產線，幫助企業實現部分自動化改造。

[1] 郭慧斌.滴膠粘合機的設計與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[2] 王成福.PLC控制系統設計與調試[M].北京：人民郵電出版社，2010:34～35.

[3] 管文博，孫以澤，孟婥，等.基于PLC和組態王的纖維改性控制系統[J].化工自動化及儀表，2013，40(12)：1466～1469.

[4] 孟凡芹，朱煥勤，耿光輝.PLC控制油封供油裝置的研制[J].化工機械,2011，38(2)：220～221.

[5] 許菱，勞揚健，王金諾.基于PLC的堆垛機控制系統設計[J].組合機床與自動化加工技術，2005，(1)：72～73.

[6] 荀群德,楊超君，王宏睿，等.基于PLC的六工位組合機床的控制系統設計[J].組合機床與自動化加工技術,2009,(7)：53～55.

[7] 李金成.三菱FX2NPLC功能指令應用詳解[M].北京：電子工業出版社，2011.

[8] 謝曉燕，滕榮華.基于PLC的打包機控制系統設計[J].制造業自動化，2012，34(19)：144～145.

[9] 何益，胡姍姍，劉增強.基于PLC和WinCC的化工精餾塔控制系統設計[J].化工自動化及儀表，2011，38(6)：711～712.

PLC-basedControlSystemforMulti-stationFusingMachine

SHI Ping-yi,JIANG Li-li,YU Hui

(CollegeofMechanicalEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China)

In order to reduce labor cost, improve assembly accuracy and efficiency as well as eradicate poor bonding, a control system for multi-station fusing machine which integrating PLC and AC servo system and man-machine interface was proposed. Practical application and debugging in-situ prove this system’s level of automation and operating efficiency.

control system for fusing machine, PLC, multi-station, headset

TH865

A

1000-3932(2016)05-0533-04

2016-04-15(修改稿)