電池極片自動分選機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

黃躍娟 華昊潞 于家寶

【摘 要】本文中使用了伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、負(fù)吸式吸盤、稱重傳感器等原件為主要執(zhí)行元件，PLC為核心控制元件實現(xiàn)了電池極片的自動稱重分選，降低人工成本，提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品誤差。

【關(guān)鍵詞】伺服電機(jī);PLC;負(fù)吸式吸盤;伺服驅(qū)動器

1、引言

電池極片是電池的重要組成部分，電池極片的產(chǎn)品質(zhì)量會對電池的使用效果及使用壽命產(chǎn)生重要影響，因此，確保電池極片質(zhì)量優(yōu)越是電池生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)之一，同種型號規(guī)格的電池，其電池極片的形狀、重量各參數(shù)均要保證在一個較小的范圍內(nèi)，稱重分選是保證電池極片質(zhì)量最常用也是最有效技術(shù)手段之一，現(xiàn)今的稱重分選工作過程主要是使用電子稱稱量電池極片的質(zhì)量，再以人工讀取質(zhì)量信息，根據(jù)所稱量的質(zhì)量信息對電池極片實行人工篩選，此方法需投入大量人員，增加了工作成本，且人工篩選效率偏低，篩選過程中易受人為因素的影響造成誤差，篩選精度較低。因此本文設(shè)計了電池極片自動分選機(jī)PLC控制系統(tǒng)。

2、設(shè)計方案

目前大部分的分選機(jī)構(gòu)對速度的要求比較高。但是速度的提高是令企業(yè)也為之，提高速度就意味這增加機(jī)械手的數(shù)量，但是企業(yè)的生產(chǎn)流水線，不可能單獨(dú)配置更多的機(jī)械手。因為機(jī)械手在整個系統(tǒng)之中相對比較大，位置不好選擇，還有最重要的一項就是造價非常的高昂，企業(yè)雖然提高了生產(chǎn)的速率，但是挺高好幾倍的元件成本，對于企業(yè)來說得不償失。我們在設(shè)計電池極片自動分選機(jī)采用相對廉價的負(fù)吸式吸盤代替機(jī)械手，實現(xiàn)了成本低，分選速度快，性能穩(wěn)定可靠，操作方便實用的新型電池極片自動分選機(jī)。采用負(fù)吸式吸盤的電池極片稱重分選機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上分為電池極片稱重區(qū)、電池極片物料區(qū)和電池極片相應(yīng)重量區(qū)，由96個負(fù)吸式吸盤組成這么多的吸盤，其價格確實很實惠。而且還能對流水線上的配置節(jié)省空間。其放置的位置可以與電池極片相對應(yīng)。這樣就夠成了抓取機(jī)構(gòu)。方便物料的抓取與放置。完成電池極片托盤由物料區(qū)到稱重區(qū)再到電池極片相應(yīng)的重量收集區(qū)的完整過程。

采用負(fù)吸式吸盤的電池極片分選機(jī)的工作步驟如下：

步驟1：傳送帶將電池極片傳送到進(jìn)料區(qū)然后有負(fù)吸式吸盤抓取電池極片至電池極片稱重區(qū)，預(yù)分類電池的電池極片接觸到吸盤表面。

步驟2：PLC根據(jù)電池極片重量的檢測結(jié)果和設(shè)定的分類方法，控制電池上方的吸盤式將電池極片吸起。

步驟3：伺服電機(jī)將不同重量的電池極片運(yùn)送到相應(yīng)的區(qū)域，放下電池極片，吸盤復(fù)位。

步驟4：回歸原點(diǎn)等待下一輪動作。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計

在主電路中包含兩個大的部分，一部分是縱軸電路，主要負(fù)責(zé)控制的是負(fù)吸式吸盤的上行動作與下行動作。第二部分是橫軸電路，主要負(fù)責(zé)控制的是負(fù)吸式吸盤的橫軸移動與原點(diǎn)回歸。縱軸電路的核心器件是變頻器與三項電動機(jī)。橫軸電路的核心器件是伺服驅(qū)動器與伺服電機(jī)。變頻器與伺服驅(qū)動器均是由PLC進(jìn)行控制使其相互之間的動作互不沖突，互不干擾。

縱軸電路用的是臺達(dá)VFD-E變頻器控制電機(jī)上行與下行運(yùn)動，因為使用的是負(fù)吸式吸盤所以可在吸盤上安裝接觸式開關(guān)用以保證當(dāng)吸盤完全吸附電池極片后改變變頻器動作，運(yùn)行狀態(tài)由下行狀態(tài)變?yōu)樯闲袪顟B(tài)，當(dāng)負(fù)吸式吸盤上行到上限位開關(guān)時時，觸發(fā)上限位開關(guān)，變頻器改變其頻率，調(diào)整頻率為零。在橫軸將吸盤送到相應(yīng)的分選位置后重復(fù)以上動作。

臺達(dá)VFD-E系列變頻器內(nèi)置PLC控制功能，可取代小型單片機(jī)控制器、計數(shù)器及定時器等且提供多樣化的現(xiàn)場總線類型，歐系的設(shè)計及并排安裝又可加掛導(dǎo)軌背板，小巧的體積大大的節(jié)約了控制柜的空間，內(nèi)建的濾波器完全符合CE/UL標(biāo)志，適用于對功能要求低的機(jī)床行業(yè)。

橫軸電路以伺服驅(qū)動器為核心動作元件，它具有定位精度高，安全可靠，超調(diào)性好等特點(diǎn)。充分滿足了設(shè)計控制要求，實現(xiàn)相應(yīng)動作。其與縱軸臺達(dá)VFD-E變頻器之間為互鎖關(guān)系，在稱重數(shù)據(jù)傳送到可編程控制器后判斷電池極片極片應(yīng)安放區(qū)域，可編程控制器發(fā)出指令信號控制伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器控制伺服電機(jī)做出相應(yīng)動作，實現(xiàn)精確定位，準(zhǔn)確放置電池極片后回歸物料區(qū)，等待下一動作循環(huán)。

根據(jù)設(shè)計要求與實際情況選用的PLC型號為臺達(dá)28SV其具有運(yùn)動控制功能和高速脈沖輸出：4點(diǎn)200kHz支持4點(diǎn)200kHz硬件高速計數(shù)器增加了多種運(yùn)動控制指令，以達(dá)到高速精準(zhǔn)定位控制功能，能有效應(yīng)用在貼標(biāo)機(jī)、包裝機(jī)、印刷機(jī)等設(shè)備上的直線/圓弧插補(bǔ)運(yùn)動控制功能，外部輸入中斷提升為16個中斷輸入，完整的程序保護(hù)功能程序自動備份功能，電池沒電程序也不會消失第二份備份功能，可儲存第二份程序與數(shù)據(jù)多達(dá)4重的PLC密碼保護(hù)。

現(xiàn)有的電池極片稱重系統(tǒng)的主控機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)械多為使用皮帶進(jìn)行傳動，使用時間久了皮帶會松動打滑，影響機(jī)械的工作效率且安全性會大大的降低。在使用可編程控制器控制后我們可以使用限位開關(guān)與觸發(fā)開關(guān)進(jìn)行位置控制。應(yīng)用稱重傳感器對電池極片進(jìn)行稱重，傳感器的信號傳遞給可編程控制器，PLC會對電池極片重量信息進(jìn)行分析比較對伺服驅(qū)動器發(fā)出指令進(jìn)行控制，同時可以控制變頻器的運(yùn)動狀態(tài)。監(jiān)控二者的運(yùn)動軌跡以組態(tài)的形式反應(yīng)給使用者。

在這系統(tǒng)中使用了少量的限位開關(guān)，在橫軸的兩端各安裝有一個限位開關(guān)在橫軸兩端使用限位開關(guān)其主要目的是防止伺服電機(jī)的跑脫。在原點(diǎn)前也安有限位開關(guān)。原點(diǎn)前限位開關(guān)的作用是伺服電機(jī)在執(zhí)行原點(diǎn)回歸指令時的減速開關(guān)，因為伺服電機(jī)在做原點(diǎn)回歸動作時是高速運(yùn)動，即將到達(dá)原點(diǎn)位置時是需要減速的，所以添加了限位開關(guān)充當(dāng)減速開關(guān)，在變頻器縱軸上的限位開關(guān)作用是控制變頻器的上行限位。使用觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)按鍵控制PLC運(yùn)行，減少了因傳統(tǒng)按鍵老化或連接錯誤而產(chǎn)生的事故。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)控制要求、硬件設(shè)計、元件選型。控制大體流程為開始后系統(tǒng)初始化，伺服電機(jī)回歸原點(diǎn)因為在上次停機(jī)時伺服電機(jī)的停機(jī)位置不確定所以需要原點(diǎn)回歸。在原點(diǎn)回歸后縱軸負(fù)吸式吸盤下降從物料區(qū)抓取物料然后上升，上升到上限位時停止運(yùn)動，伺服電機(jī)橫移到稱重區(qū)上方停止運(yùn)動，變頻器控制吸盤下降然后放下物料，進(jìn)行物料稱重，重量信息通過變送器傳遞給可編程控制器，變送器與可編程控制器之間的通信協(xié)議為MODBUS方式協(xié)議，使用的鏈接線纜為RS-485串行通信線。在數(shù)據(jù)傳入到可編程控制器后在可編程控制器中進(jìn)行比較然后控制吸盤下降抓取物料，伺服橫移到與物料重量相對應(yīng)的重量區(qū)。變頻器下降放下物料后控制吸盤上升，伺服回歸物料區(qū)上方重復(fù)流程。

5、結(jié)論

在本文中首次使用了伺服驅(qū)動器并使用了質(zhì)量傳感器。通信方式使用的是RS-485串行通信這種通信方式存在很多問題，雖然其抗噪聲干擾性好并不適用于電磁環(huán)境較復(fù)雜的工廠環(huán)境。同時應(yīng)用的是臺達(dá)ASDA-A2系列伺服驅(qū)動器提高了分選時的定位準(zhǔn)確性，變頻器的使用即達(dá)到了設(shè)計要求又降低了成本。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王兆義.可編程序控制器教程[M].第三版.機(jī)械工業(yè)出版社，2014

（作者單位：哈爾濱華德學(xué)院 機(jī)器人工程學(xué)院）