基于有限狀態(tài)機(jī)模型的全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聞 霞，任 雯，賴森財(cái)，曾顯杰

（1.三明學(xué)院裝備智能控制福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明 365004；2.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004；3.三明恒順印刷機(jī)械有限公司，福建 三明 365001）

燙印機(jī)作為一種重要的印刷加工設(shè)備，可以完成獨(dú)特的燙印工藝，被廣泛應(yīng)用于高端禮品包裝、現(xiàn)代家居和建筑裝潢材料等的表面裝飾品印刷［1-2］。傳統(tǒng)燙印機(jī)的自動(dòng)化水平和信息化水平較低，主要表現(xiàn)在：需人工借助夾具配合完成整個(gè)燙印流程，半自動(dòng)化的操作模式導(dǎo)致工作效率低；主流控制系統(tǒng)人機(jī)界面多采用薄膜輕觸面板，具有人機(jī)交互性差（顯示單調(diào)、信息量小及無法進(jìn)行復(fù)雜參數(shù)配置等）的固有缺陷［3］。此外，現(xiàn)有燙印機(jī)的生產(chǎn)模式多為特色定制化小批量模式，燙印工藝流程復(fù)雜多樣，邏輯動(dòng)作靈活多變，這給基于PLC（programmable logic controller，可編程控制器）的傳統(tǒng)固定路徑順序指令編程模式帶來了挑戰(zhàn)［4-5］，即需要工程師根據(jù)工藝變換在較短工期內(nèi)對(duì)燙印動(dòng)作時(shí)序控制算法進(jìn)行頻繁更新，導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間無法保證，而未經(jīng)優(yōu)化的算法容易造成氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作發(fā)生干涉、交叉等故障，致使控制系統(tǒng)可靠性降低。近年來，有限狀態(tài)機(jī)（finite state machine，F(xiàn)SM）模型憑借能夠有效支持復(fù)雜邏輯動(dòng)態(tài)行為建模的優(yōu)勢(shì)，成為工控領(lǐng)域硬件與控制算法設(shè)計(jì)的一類具有廣闊應(yīng)用前景的圖形化設(shè)計(jì)工具［6-7］。例如：文獻(xiàn)［8］對(duì)微制造數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)有限狀態(tài)機(jī)建模進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［9］基于對(duì)動(dòng)氣缸動(dòng)態(tài)特性的仿真分析，利用Stateflow實(shí)現(xiàn)了貼片晶振封裝基座移載裝置動(dòng)作時(shí)序的規(guī)劃并構(gòu)建了有限狀態(tài)機(jī)模型。此外，有限狀態(tài)機(jī)模型還在智能鍋爐控制器設(shè)計(jì)［10］、交會(huì)對(duì)接飛行任務(wù)規(guī)劃［11］、彎管機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［12］和電機(jī)霍爾傳感器故障診斷與補(bǔ)償［13］等方面進(jìn)行了探索性應(yīng)用。

基于上述分析，筆者利用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)全自動(dòng)燙印機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以三菱新一代FX3GE系列PLC和T5L智能觸摸屏為核心，搭建全自動(dòng)燙印機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，并提出基于有限狀態(tài)機(jī)模型的全自動(dòng)燙印機(jī)控制程序設(shè)計(jì)方法，旨在為小批量、多品種、個(gè)性化燙印生產(chǎn)［14］提供有效的方法。

1 全自動(dòng)燙印機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)組成

1.1 全自動(dòng)燙印工藝原理

為了實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)燙印，需要采用自動(dòng)化輔助機(jī)械手抓取上料、下料過程中的承印物。整個(gè)燙印流程如圖1所示。在工位1時(shí)，自動(dòng)化輔助機(jī)械手下降并進(jìn)行吸附取料，其左側(cè)吸盤吸附未印承印物，右側(cè)吸盤吸附已印承印物；完成吸附后自動(dòng)化輔助機(jī)械手先上升，由工位1右行至工位3后下降并開始放料，其左側(cè)吸盤將未印承印物放到承印滑臺(tái)上，右側(cè)吸盤將已印承印物放到右側(cè)自動(dòng)傳輸帶上；放料完成后自動(dòng)化輔助機(jī)械手上升，左行返回至工位1；與此同時(shí)，承印滑臺(tái)由工位0行至工位2，并對(duì)未印承印物實(shí)施燙印；完成燙印后，承印滑臺(tái)返回工位0，即完成一次燙印流程。

圖1 全自動(dòng)燙印流程Fig.1 Automatic hot stamping process

全自動(dòng)燙印工藝原理如圖2所示。具有圖案的燙印卷箔（燙金紙）在放料輥、前引導(dǎo)棍、后引導(dǎo)輥和收料輥的牽引作用下從固定在工位2上的未印承印物上方通過。當(dāng)燙印卷箔上的圖案到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，燙印卷箔停止?jié)L動(dòng)或邊燙邊卷，燙印膠輪執(zhí)行下降動(dòng)作并在壓力和溫度的作用下將圖案燙印至未印承印物上表面，達(dá)到燙印時(shí)間后燙印膠輪上移歸位，完成燙印。一般情況下，燙印卷箔采用電化鋁箔，受熱后在鋁層與電化鋁基膜剝離的同時(shí)將燙印圖案轉(zhuǎn)印到未印承印物上。燙印膠輪為橡膠軟質(zhì)，能夠滿足不規(guī)則、多樣化的印刷要求，加熱溫度通常為100～400℃。

圖2 全自動(dòng)燙印工藝原理Fig.2 Automatic hot stamping technology principle

1.2 全自動(dòng)燙印機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

基于三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)全自動(dòng)燙印機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由底座、支架、控制系統(tǒng)機(jī)柜、自動(dòng)傳送帶、上料機(jī)構(gòu)、下料機(jī)構(gòu)、自動(dòng)化輔助機(jī)械手、電眼固定裝置、觸摸屏罩殼、立柱、升降臂、調(diào)節(jié)手輪、張力輥、引導(dǎo)棍、放料輥、收料輥、承印滑臺(tái)、穿梭滑臺(tái)、穿梭絲杠、燙印膠輪、吸盤伺服電機(jī)（上料電機(jī)、下料電機(jī)、燙輪電機(jī)、卷箔電機(jī)、穿梭電機(jī)和張力電機(jī)）以及氣缸（吸盤氣缸、燙印氣缸和送印氣缸等）等組成。

2 全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

多臺(tái)全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線架構(gòu)如圖4所示，包括信息管理層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。

2.1 信息管理層設(shè)計(jì)

在信息管理層中，工程師站通過MCGS（monitor and control generated system，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)）組態(tài)軟件搭建上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，包括主監(jiān)控窗口屬性設(shè)置、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、用戶動(dòng)畫界面和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的組態(tài)等；管理員站通過ERP（enterprise resource planning，企業(yè)資源計(jì)劃）管理軟件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)報(bào)表和統(tǒng)計(jì)等功能；服務(wù)器通過企業(yè)局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)（Internet）云端的連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)頁瀏覽和遠(yuǎn)程控制。

圖3 全自動(dòng)燙印機(jī)的結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Structure composition of automatic hot stamping machine

2.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層設(shè)計(jì)

單臺(tái)全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層以PLC為主控制器，T5L智能觸摸屏為協(xié)控制器和人機(jī)交互界面，其電路原理圖如圖5所示。PLC通過RS485串行總線與T5L智能觸摸屏、伺服驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，通過光電傳感器感知工位信息，基于邏輯控制算法驅(qū)動(dòng)氣缸與伺服電機(jī)。燙印車間內(nèi)布置的多臺(tái)全自動(dòng)燙印機(jī)基于TCP/IP（transmission control protocol/internet protocol，傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議），通過PLC內(nèi)置的以太網(wǎng)通信接口與信息管理層通信。

定義全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)中PLC的輸入信號(hào)名稱及對(duì)應(yīng)的變量符號(hào)，如表1所示。全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括完成送印動(dòng)作、機(jī)械手平移運(yùn)動(dòng)的氣缸，完成卷取燙印卷箔、張力控制、驅(qū)動(dòng)輸送帶、燙印輪穿梭和滾動(dòng)印刷的伺服電機(jī)以及燙印膠輪加熱裝置。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其功能如表2所示。

圖4 全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線架構(gòu)Fig.4 Fieldbus architecture of control system of automatic hot stamping machine

圖5 全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的電路原理圖Fig.5 Circuit schematic diagram of field equipment layer of control system of automatic hot stamping machine

表1 全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)中PLC的輸入信號(hào)Table 1 Input signal of PLC in the control system of automatic hot stamping machine

表2 全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其功能說明Table 2 Executive mechanism and its function description of control system of automatic hot stamping machine

3 全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 燙印動(dòng)作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖設(shè)計(jì)

為了便于分析，定義描述全自動(dòng)燙印機(jī)的有限狀態(tài)機(jī)為：

式中：S={S1，S2，…，Sn}為 n 個(gè)狀態(tài)的集合；A={A1，A2，…，An}為n個(gè)狀態(tài)動(dòng)作的集合 ；P={P1，P2，…，Pn}為n個(gè)狀態(tài)參數(shù)的集合 ；C={C1，C2，…，Cn}為n個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件的集合，其中Ci為第i個(gè)狀態(tài)向其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件集合。

上述4個(gè)集合的關(guān)系為：

為了便于分析和描述狀態(tài)的轉(zhuǎn)換流程，基于圖論思想和式（1）定義有向圖G：

將全自動(dòng)燙印機(jī)的狀態(tài)集合S抽象為有向圖的頂點(diǎn)，將狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件集合C抽象為有向圖的邊，則邊集合E定義為：

式中：ci，j表示狀態(tài) Si轉(zhuǎn)換為狀態(tài) Sj的條件，抽象為邊(Si，Sj)的權(quán)，ci，j=0表示條件不成立，ci，j=1表示條件成立，ci，j=-1表示條件不存在。

定義Si的m個(gè)鄰居頂點(diǎn)為：

在有向圖G中，全自動(dòng)燙印機(jī)狀態(tài)的流向與其工位密切相關(guān)。根據(jù)圖6所示的全自動(dòng)燙印機(jī)俯視圖和左視圖，可以清晰地觀察到燙印機(jī)各工位的分布情況。其中：運(yùn)料氣缸的行程（從A運(yùn)行至B）為400 mm，送印氣缸的行程（從B運(yùn)行至C）為300 mm，穿梭電機(jī)的行程（從C運(yùn)行至D）為150 mm，燙印氣缸的行程（從E運(yùn)行至F）為100 mm，吸盤氣缸的行程與燙印氣缸一致。

為了可靠、高速和有序地完成全自動(dòng)燙印工藝流程，采用基于變量配置驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法來設(shè)計(jì)燙印動(dòng)作的邏輯控制。

步驟1：設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖?；谌詣?dòng)燙印機(jī)的燙印原理和運(yùn)動(dòng)工位的分布、數(shù)量和邏輯關(guān)系，確定燙印動(dòng)作的數(shù)量、功能以及轉(zhuǎn)換為其他動(dòng)作的條件。將全自動(dòng)燙印機(jī)各燙印動(dòng)作間的邏輯關(guān)系抽象為狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，如圖7所示。

步驟2：規(guī)劃變量地址。在T5L智能屏的用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間規(guī)劃用于存儲(chǔ)燙印動(dòng)作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖信息的變量地址。

圖6 全自動(dòng)燙印機(jī)的俯視圖和左視圖Fig.6 Top and left view of automatic hot stamping machine

圖7 全自動(dòng)燙印機(jī)燙印動(dòng)作的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.7 State transition diagram of hot stamping action of automatic hot stamping machine

步驟3：配置鄰接鏈表。為了節(jié)省存儲(chǔ)空間，采用動(dòng)態(tài)鄰接鏈表的方式存儲(chǔ)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的信息，如圖8所示。同時(shí)，根據(jù)客戶定制化的燙印工藝，在運(yùn)行前動(dòng)態(tài)更新和配置鄰接鏈表，并同步更新PLC中的S型和R型數(shù)據(jù)元件。

3.2 智能觸摸屏的變量配置

根據(jù)基于變量配置驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法的3個(gè)步驟，對(duì)T5L智能觸摸屏進(jìn)行變量配置。

步驟1：基于多種燙印工藝，確定全自動(dòng)燙印機(jī)的工作模式，如表3所示。結(jié)合外部傳感器的輸入、輸出變量（表1和表2），定義全自動(dòng)燙印機(jī)的狀態(tài)信息，如表4所示。其中：Timer_i(i=1，2，…，4)表示4個(gè)定時(shí)器，布爾變量Ti表示到達(dá)定時(shí)時(shí)間標(biāo)志位；Count表示計(jì)數(shù)器，布爾變量Cx表示循環(huán)計(jì)數(shù)標(biāo)志位；Speed_1和Speed_2分別表示卷箔電機(jī)的高速和低速參數(shù)；Speed_3和Position_3分別表示穿梭電機(jī)的速度控制參數(shù)和位置控制參數(shù)，布爾變量L表示穿梭電機(jī)位置到達(dá)信號(hào)標(biāo)志位。

圖8 全自動(dòng)燙印機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖信息的動(dòng)態(tài)鄰接鏈表Fig.8 Dynamic adjacency list for state transition diagram information of automatic hot stamping machine

表3 全自動(dòng)燙印機(jī)的工作模式Table 3 Working mode of automatic hot stamping machine

步驟2：將T5L智能觸摸屏用戶數(shù)據(jù)空間中的0x0000至0x000F和0x1000至0x4FFF地址分別規(guī)劃為系統(tǒng)變量和曲線變量地址，采用地址范圍為0x5000至0xFFFF的空間來存儲(chǔ)全自動(dòng)燙印機(jī)的工作模式參數(shù)、狀態(tài)信息以及動(dòng)態(tài)鄰接鏈表。

步驟3：假定配置5個(gè)工作模式的參數(shù)值均為0，則全自動(dòng)燙印機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程如圖9所示。

4 基于Stateflow的動(dòng)作時(shí)序仿真分析

綜合考慮全自動(dòng)燙印機(jī)的燙印效率及其控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，設(shè)置送印氣缸的運(yùn)行速度v0=200mm/s，運(yùn)料氣缸的運(yùn)行速度v2=150mm/s，燙印氣缸和吸盤氣缸的運(yùn)行速度v5=200mm/s，穿梭電機(jī)的運(yùn)行速度v15=100mm/s。結(jié)合圖7，計(jì)算得到全自動(dòng)燙印機(jī)各氣缸和穿梭電機(jī)的行程和運(yùn)行時(shí)間，如表5所示。

基于Stateflow建立的全自動(dòng)燙印機(jī)燙印動(dòng)作的邏輯時(shí)序控制模型如圖10所示，該模型共有3層，其第1層狀態(tài)圖如圖11所示，包括緊急停車（estop）、正常停機(jī)（stop）、復(fù)位（reset）、暫停（pause）和自動(dòng)運(yùn)行（run）五個(gè)狀態(tài)。

如圖10所示，輸入事件“E_on”“E_off”分別模擬全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)的開機(jī)按鍵（啟動(dòng)電源）和關(guān)機(jī)按鍵（關(guān)閉電源）；“E_estop”“E_stop”“E_reset”“E_pause”“E_run”分別模擬全自動(dòng)燙印機(jī)控制系統(tǒng)中T5L智能觸摸屏上的按鍵，用于控制圖11所示的5個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。采用Simulink庫(kù)中的Constant模塊來模擬PLC輸入變量X3至X15的狀態(tài)，在run狀態(tài)模塊中設(shè)置工作模式M0至M5的值。如圖11所示，燙印動(dòng)作邏輯時(shí)序控制模型第1層中的5個(gè)狀態(tài)采用內(nèi)部轉(zhuǎn)換模式，不僅能夠降低Stateflow框圖的復(fù)雜程度和提高Stateflow的執(zhí)行效率，還能夠使生成的代碼變簡(jiǎn)短。

燙印動(dòng)作邏輯時(shí)序控制模型的第2層和第3層狀態(tài)圖的原理如圖7所示。其中，第2層面向功能設(shè)計(jì)，包括6個(gè)功能模塊：初始化、印前定位、自動(dòng)上料/下料、燙印/穿梭、印后定位和循環(huán)設(shè)置。第3層是對(duì)第2層中6個(gè)功能模塊進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化，例如自動(dòng)上料/下料模塊包括S4至S10這7個(gè)狀態(tài)。

設(shè)置全自動(dòng)燙印機(jī)的5個(gè)工作模式的參數(shù)值均為1，利用基于Stateflow搭建的燙印動(dòng)作邏輯時(shí)序控制模型進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖12所示。

5 結(jié) 論

1）采用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了全自動(dòng)燙印機(jī)的結(jié)構(gòu)，通過合理布局工位1和工位3，使得自動(dòng)上料和下料動(dòng)作同步執(zhí)行，并與燙印機(jī)構(gòu)、傳送帶配合動(dòng)作，不僅可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)全自動(dòng)燙印過程，還可以搭建多機(jī)自動(dòng)多工位燙印流水線。通過設(shè)置工作模式M5的參數(shù)值，可以根據(jù)燙印工藝選擇半自動(dòng)/全自動(dòng)模式。

表4 全自動(dòng)燙印機(jī)的狀態(tài)信息Table 4 Status information of automatic hot stamping machine

圖9 全自動(dòng)燙印機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程Fig.9 State transition process of automatic hot stamping machine during actual operation

表5 全自動(dòng)燙印機(jī)各氣缸和穿梭電機(jī)的行程和運(yùn)行時(shí)間Table 5 Stroke and running time of each cylinder and shuttle motor of automatic hot stamping machine

圖10 全自動(dòng)燙印機(jī)燙印動(dòng)作邏輯時(shí)序控制模型Fig.10 Logical sequential control model of hot stamping action of automatic hot stamping machine

2）采用T5L智能觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)薄膜輕觸面板，提升了人機(jī)交互體驗(yàn)?；谟邢逘顟B(tài)機(jī)模型的全自動(dòng)燙印機(jī)控制程序開發(fā)模式與傳統(tǒng)指令編程模式相比，在提高觸摸屏顯示與觸摸功能以及內(nèi)嵌鄰接鏈表配置與開發(fā)效率的同時(shí)，通過串口透?jìng)髂Ｊ酵脚渲肞LC的存儲(chǔ)元件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)變量配置。

3）基于有限狀態(tài)機(jī)模型，運(yùn)用Stateflow搭建了全自動(dòng)燙印機(jī)的燙印機(jī)動(dòng)作邏輯時(shí)序控制模型，并通過仿真驗(yàn)證了氣缸與伺服電機(jī)時(shí)序的正確性，可保證其動(dòng)作不會(huì)干涉和交叉，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

圖12 全自動(dòng)燙印機(jī)燙印動(dòng)作邏輯時(shí)序仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of logic sequence of hot stamping action of automatic hot stamping machine