精裱紙盒盒蓋與固定板自動裝配控制系統(tǒng)開發(fā)

王純賢，許爍* ，胡明月，駱臣勇

（1.合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)，安徽 宣城242000；2.安徽華藝印刷包裝有限公司，安徽 宣城 242074）

0 引言

精裱紙盒是食品、飲料、酒類、醫(yī)藥、電子等行業(yè)產(chǎn)品配套的重要包裝產(chǎn)品，其形狀和結(jié)構(gòu)根據(jù)所包裝的產(chǎn)品和工藝設(shè)計表現(xiàn)為各種形態(tài)[1-3]。圖1是某印刷包裝企業(yè)生產(chǎn)的酒類精裱紙盒的結(jié)構(gòu)，其中盒蓋和瓶體固定板需要通過粘接劑裝配到一起。以往生產(chǎn)中采用手工裝配，操作人員需要手工取出盒蓋，將粘接劑涂抹在盒蓋特定位置，然后將瓶體固定板粘接到盒蓋上的指定位置。由于是人工操作，因此勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、成本高，嚴(yán)重制約著企業(yè)的生產(chǎn)產(chǎn)能，為此我們設(shè)計開發(fā)了自動化裝配設(shè)備。

盒蓋與瓶體固定板自動裝配系統(tǒng)為精裱紙盒柔性生產(chǎn)線的一個獨立的工作站，工作過程中一方面要自動完成盒蓋下料、間歇式輸送、取膠點膠、固定板取料以及壓配、成品輸送等動作，同時也需要與精裱紙盒柔性生產(chǎn)線的其它自動工作站配合，實現(xiàn)整個生產(chǎn)線的自動化生產(chǎn)。因此，本文采用分層控制結(jié)構(gòu)，頂層采用組態(tài)軟件實現(xiàn)對整個生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)控制，工作站層采用PLC實現(xiàn)自動工作站的自身控制，兩者通過網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和設(shè)備的協(xié)調(diào)運行。

圖1 盒蓋與瓶體固定板裝配結(jié)構(gòu)Fig.1 Assembly structure of refined carton's lid and retaining plate

1 自動裝配系統(tǒng)整體設(shè)計

盒蓋與瓶頂固定板自動裝配系統(tǒng)由機(jī)械主體、動力系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)三部分組成（圖2）。機(jī)械主體主要由盒蓋分料供料機(jī)構(gòu)、間歇式輸送機(jī)構(gòu)、取膠點膠機(jī)構(gòu)、固定板取料裝配機(jī)構(gòu)等組成。動力系統(tǒng)包括間歇式輸送機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)、取膠步進(jìn)電機(jī)、固定板取料步進(jìn)電機(jī)、傳送帶電機(jī)和多個氣缸組成。

圖2 盒蓋與瓶頂固定板自動裝配系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 The overall structure of the automatic assembly system for refined carton's lid and retaining plate

裝配系統(tǒng)工作時，首先完成盒蓋供料機(jī)構(gòu)下料動作，盒蓋料倉上固定安裝有縱向、橫向兩對氣缸，完成盒蓋的單片分離并落在間歇式送料機(jī)構(gòu)上。送料機(jī)構(gòu)將盒蓋送到點膠工位，取膠點膠機(jī)構(gòu)在膠水盒內(nèi)取膠后運動到指定位置，在盒蓋上進(jìn)行點膠，之后由輸送機(jī)構(gòu)移動到粘接裝配工位。瓶體固定板取料機(jī)構(gòu)，利用真空吸盤從固定板料倉中取出單片固定板，運動到指定位置，通過氣缸下壓，將固定板壓緊粘接到盒蓋上。裝配好的盒蓋和固定板由輸送機(jī)構(gòu)推送到傳送帶上。

2 自動裝配控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了保證盒蓋與瓶體固定板自動裝配系統(tǒng)在整個精裱紙盒柔性生產(chǎn)線中，與其他各個自動裝配工作站協(xié)調(diào)運行，控制系統(tǒng)采用分層控制方式[4]，上層采用PC機(jī)，中間層采用PLC及擴(kuò)展模塊，底層由各類現(xiàn)場I/O設(shè)備組成（圖3）[5]。具體功能為：

1）中央監(jiān)控管理層（上層）：PC機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理各個工作站，通過PLC進(jìn)行調(diào)度和協(xié)調(diào)控制；

2）系統(tǒng)控制核心層（中間層）：PLC及其擴(kuò)展模塊與上層通信，向底層發(fā)送執(zhí)行指令；

3）現(xiàn)場運行操作層（底層）：接受PLC指令，完成現(xiàn)場I/O設(shè)備的執(zhí)行和數(shù)據(jù)采集。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the control system structure

上位PC機(jī)采用組態(tài)軟件組態(tài)王（Kingview6.5），通過Ethernet網(wǎng)絡(luò)通訊方式與精裱紙盒生產(chǎn)線各個工作站的PLC控制器相連接[6]，通過對PLC控制器的內(nèi)存單元內(nèi)容進(jìn)行讀取，并且以畫面的形式將生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)顯示出來，從而達(dá)到實時監(jiān)控的目的，同時對PLC控制器內(nèi)存單元的寫入，對各個生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行修改，對生產(chǎn)線各個工作站的運行進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，完成控制任務(wù)，另外根據(jù)對各個工作站的數(shù)據(jù)采集，完成報警、工作情況報表等信息的記錄以及查詢工作[7]。通過觸摸屏，完成生產(chǎn)過程中工作站PLC的設(shè)置參數(shù)調(diào)整和設(shè)置。PLC控制器接收上位機(jī)發(fā)送的控制信號、現(xiàn)場接近開關(guān)與傳感器反饋過來的現(xiàn)成設(shè)備狀態(tài)信息，完成邏輯控制任務(wù)，并發(fā)出控制命令控制電磁閥與步進(jìn)驅(qū)動器等現(xiàn)場I/O設(shè)備[8]。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC的選型設(shè)計

PLC一般是根據(jù)輸入輸出點數(shù)進(jìn)行選型的[9]，由于盒蓋和固定板自動裝配系統(tǒng)控制對象較多，有10個傳感器，3個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，12個電磁閥，以及報警器和啟停開關(guān)等，共有13個輸入點和19個輸出點，同時要求PLC至少有三個高速脈沖輸出端口以便與步進(jìn)驅(qū)動器相連接,因此選擇臺達(dá)PLC DVP-12SA2及擴(kuò)展模塊DVP-32XP200T。

臺達(dá)PLC主機(jī)通過I/O模組連接口與擴(kuò)展模塊直接相連，擴(kuò)展模塊上的輸入、輸出地址分別從X20、Y20開始，PLC中X0-X7、擴(kuò)展模塊中X0-X4(對應(yīng)程序地址X20-X24)依次與開關(guān)以及傳感器相連[10]，PLC中Y0-Y2分別與三個步進(jìn)驅(qū)動器的脈沖信號負(fù)端口相連，擴(kuò)展模塊中Y0-Y2（對應(yīng)程序地址Y20-Y22）分別與個步進(jìn)驅(qū)動器的脈沖方向信號負(fù)端口相連，擴(kuò)展模塊中Y3-Y17(對應(yīng)程序地址Y23-Y37）依次與各電磁閥及報警指示燈相連。表1是PLC及擴(kuò)展模塊的I/O端口分配，圖3為PLC及擴(kuò)展模塊外部接線圖。

表1 PLC及擴(kuò)展模塊I/O端口分配表Tab.1 PLC and extension module I/O ports allocation table

3.2 PLC程序的開發(fā)

控制系統(tǒng)中PLC程序主要包括公共部分程序、自動運行程序、監(jiān)控程序以及手動控制程序。自動運行和手動控制程序，可通過觸摸屏進(jìn)行切換，自動運行程序用于控制工作站各機(jī)構(gòu)按照盒蓋裝配體生產(chǎn)工藝進(jìn)行動作，手動控制程序用于設(shè)備的安裝調(diào)試和檢修。根據(jù)控制要求，在系統(tǒng)啟動之后，首先運行公共部分的初始化程序，初始化程序主要是對系統(tǒng)的一些參數(shù)賦初值，使各參數(shù)恢復(fù)到初始運行狀態(tài)。

圖4 PLC及擴(kuò)展模塊外部接線圖Fig.4 The external wiring diagram of PLC and extension module

PLC自動生產(chǎn)程序的編寫首先進(jìn)行程序流程圖的設(shè)計，然后根據(jù)程序流程圖進(jìn)行控制程序的編制[11]。根據(jù)盒蓋與固定板的自動裝配過程，PLC的自動運行模式控制流程圖如圖5所示。

3.3 PLC與PC機(jī)的通訊

臺達(dá)DVP-SA2 型PLC自身具備Ethernet網(wǎng)絡(luò)通訊功能，打開PLC編程軟件WPLSoft，在菜單欄中選擇“設(shè)置”里的“通訊設(shè)置”，選擇“Ethernet”，并輸入上位PC機(jī)的IP地址和通訊端口號。同時在PC上打開組態(tài)王開發(fā)界面，選擇“設(shè)備”并點擊“新建”按鈕，在彈出的“設(shè)備配置向?qū)А敝羞x擇“PLC”-“臺達(dá)”-“X2000NET”-“以太網(wǎng)”，完后后點擊“下一步”，設(shè)置設(shè)備名稱以及設(shè)備地址（地址需要與PLC的IP地址相對應(yīng)）[12]。

經(jīng)過上述PLC控制器與觸摸屏的設(shè)置之后，當(dāng)啟動組態(tài)王工程時，組態(tài)王會自動與PLC連接進(jìn)行通訊[13-14]。

4 組態(tài)王界面開發(fā)

根據(jù)盒蓋與瓶體固定板自動裝配系統(tǒng)控制要求，組態(tài)王軟件主要建立了監(jiān)控界面、報警及時間、系統(tǒng)實時報表、系統(tǒng)歷史報表等畫面，工作狀況下，各獨立功能畫面為全屏顯示以避免出現(xiàn)誤操作的情況[15]。

1）組態(tài)王監(jiān)控界面圖6所示，在系統(tǒng)運行過程中通過與PLC通訊，將整個盒蓋與瓶體固定板自動裝配系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)狀態(tài)、機(jī)構(gòu)運行速度、開關(guān)以及傳感器信號、生產(chǎn)模式在界面上實時顯示出來。監(jiān)控畫面中的指示狀態(tài)圖素均通過動畫連接與PLC的內(nèi)部存儲器進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實際生產(chǎn)過程中PLC內(nèi)部存儲器內(nèi)容的改變，監(jiān)控畫面中的指示狀態(tài)圖素也隨之更改，從而達(dá)到實時監(jiān)控的效果。

圖5 自動運行模式控制流程圖Fig.5 The control flow chart of the automatic running mode

2）報警及事件界面如圖7所示，組態(tài)王軟件的運行系統(tǒng)中能夠?qū)δM量（如機(jī)構(gòu)運行速度）的報警閾值進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)?shù)陀谧钚≈岛透叱鲎畲笾堤崾緢缶⒃诮缑娴膱缶斜碇袑缶恢谩缶颉缶录惹闆r進(jìn)行顯示，同時在報警量恢復(fù)正常之后報警恢復(fù)并在報警列表中顯示。

3）系統(tǒng)實時報表和歷史數(shù)據(jù)報表在同一個界面顯示，如下圖8所示。實時數(shù)據(jù)報表反映系統(tǒng)當(dāng)前的生產(chǎn)情況，歷史數(shù)據(jù)報表能對長期的生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)計、分析，使管理人員能夠更加全面掌握和分析車間生產(chǎn)情況。為便于操作，在報表中均設(shè)置菜單欄，菜單欄設(shè)有列表項：日報表、月報表、年報表、報表查詢、打印預(yù)覽、打印、保存。

圖6 組態(tài)王監(jiān)控界面Fig.6 The monitoring interface of Kingview

圖7 組態(tài)王報警界面Fig.7 The alarming interface of Kingview

圖8 組態(tài)王生產(chǎn)線報表界面Fig.8 The statistical report interface of the production line

5 結(jié)束語

盒蓋與瓶頂固定板自動裝配控制系統(tǒng)采用組態(tài)軟件、PLC和現(xiàn)場I/O設(shè)備三層結(jié)構(gòu)，通過上位PC機(jī)與PLC通信，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)控制，通過PLC和I/O設(shè)備，實現(xiàn)了設(shè)備本身的邏輯控制。與傳統(tǒng)的繼電器或單獨PLC控制相比，所開發(fā)的自動裝配系統(tǒng)能夠與整個柔性生產(chǎn)線協(xié)調(diào)工作，同時方便管理人員實時掌握生產(chǎn)線上各工作站的工作情況。實際應(yīng)用表明,該自動裝配控制系統(tǒng)提高了裝配效率和質(zhì)量,運行可靠,同時為實現(xiàn)車間數(shù)字化制造奠定了基礎(chǔ)。

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