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基于三菱PLC 的塑瓶車間吹瓶機(jī)設(shè)計(jì)
摘 要：本文主要論述以三菱公司所產(chǎn)FX-2N 系列PLC 為控制核心，結(jié)合各種光電及位置感應(yīng)式傳感器等元器件，結(jié)合FX-2N 系列PLC 簡(jiǎn)單易于操作人員操作，且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，論證并設(shè)計(jì)了此型輸液用塑瓶吹瓶機(jī)。同時(shí)也介紹了FX-2N 系列PLC 在吹瓶機(jī)交流伺服系統(tǒng)及位置控制中的應(yīng)用。首先根據(jù)工藝要求配置了吹瓶機(jī)及其交流伺服電機(jī)控制的硬件系統(tǒng)；然后按吹瓶機(jī)控制動(dòng)作要求，以位置控制方式為例重點(diǎn)闡述了吹瓶機(jī)交流伺服控制的程序設(shè)計(jì)。通過(guò)軟硬件的合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了吹瓶機(jī)的快速高精度跟蹤控制。
關(guān)鍵詞：梯形圖；機(jī)械手；指令語(yǔ)句；吹塑原理
引言在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至于危及生命。自從可編程控制器和機(jī)械手問(wèn)世以來(lái)，相應(yīng)的各種難題迎刃而解�？删幊绦蚩刂破�(PLC)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的通用自動(dòng)控制裝置,國(guó)際電工委員會(huì)的定義是：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)[1]。它采用可編程序的存儲(chǔ)器,用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算數(shù)運(yùn)算等操作的指令,并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出。PLC 具有穩(wěn)定可靠、價(jià)格便宜、功能齊全、應(yīng)用靈活方便、操作維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)[2]。廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，隨著PLC 價(jià)格的不斷下降，相對(duì)于其他控制器件，其本身具有的穩(wěn)定性高、功能齊全、應(yīng)用靈活、適用面廣等優(yōu)點(diǎn)就更為凸顯，特別是應(yīng)用在現(xiàn)代化工業(yè)化大生產(chǎn)中所帶來(lái)的高效率，高效益，高收益，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)更是明顯。
出現(xiàn)后便受到普遍重視，其應(yīng)用發(fā)展也十分迅速。原因在于與現(xiàn)有的各種工業(yè)自動(dòng)化控制方式相比，它有一系列受用戶歡迎的特點(diǎn)，主要是：可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、配套齊全、功能完善、適用性強(qiáng)、易學(xué)易用、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)量小、維護(hù)方便等[1.2]。
所設(shè)計(jì)的吹瓶機(jī)的工作原理及大體流程吹瓶機(jī)的設(shè)計(jì)原理吹塑機(jī)英語(yǔ)全稱BLOW MOULDING MACHINE，簡(jiǎn)稱BMM 。其基本工作原理為：向軟化的熱塑性的型坯中充氣，使其緊貼到封閉模具的冷卻表面，被吹脹的型坯凝固，形成中空塑料制品[4]。機(jī)器主要由機(jī)架、鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、上胚機(jī)、理胚機(jī)、進(jìn)胚機(jī)械手、加熱燈箱、吹瓶機(jī)構(gòu)及出瓶機(jī)械手組成。機(jī)器運(yùn)行由PLC 來(lái)控制。除鏈條由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，吹瓶機(jī)各控制動(dòng)作主要由氣缸來(lái)完成。根據(jù)工藝要求，機(jī)器運(yùn)行先開(kāi)啟伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈條進(jìn)位，從上胚到最后出瓶一個(gè)制造周期的全過(guò)程的動(dòng)作分為上胚、理胚、胚道、加熱、吹制及出瓶個(gè)階段。正常的生產(chǎn)是重復(fù)執(zhí)行這7 個(gè)階段的過(guò)程。伺服系統(tǒng)控制是吹瓶機(jī)控制的關(guān)鍵。本文以兩腔機(jī)（吹制模具為兩腔模具）為例介紹交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
控制要求吹瓶機(jī)的控制要求設(shè)計(jì)為自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)方式。但要求關(guān)機(jī)時(shí)可手動(dòng)閉合模具；開(kāi)機(jī)前要手動(dòng)打開(kāi)模具，運(yùn)轉(zhuǎn)初始化后自動(dòng)進(jìn)行。按下總啟動(dòng)按鈕打開(kāi)總氣閥供給氣缸操作空氣，在滿足下列聯(lián)鎖安 全條件并且伺服系統(tǒng)處于原點(diǎn)時(shí)按下伺服出瓶啟動(dòng)按鈕，伺服、冷卻風(fēng)機(jī)胚旋轉(zhuǎn)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)。
基于三菱PLC 的塑瓶車間吹瓶機(jī)的硬件選型主控元件選型在此設(shè)計(jì)中，由于機(jī)器總控制點(diǎn)數(shù)（I/O 點(diǎn)數(shù)）在80 左右，所以根據(jù)成本及需求的因素，選擇小型PLC 較為合適。而在小型PLC 中，三菱公司出品的FX2N 系列比較成熟，性價(jià)比也較好，而且操作較為簡(jiǎn)便。在三菱FX2 系列PLC 當(dāng)中，點(diǎn)數(shù)在80 左右的當(dāng)屬型，其總共有80 個(gè)I/O 端口，已滿足設(shè)計(jì)需求，無(wú)需設(shè)計(jì)擴(kuò)展模塊[3]。這樣既節(jié)省了成本，也降低了操作難度。故此設(shè)計(jì)選用三菱公司FX2-80MR 型PLC。
機(jī)器伺服電機(jī)的選型（1）公轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的選擇：
鑒于公轉(zhuǎn)伺服電機(jī)要求電機(jī)有較大的轉(zhuǎn)矩，所以功率要求較大，且轉(zhuǎn)速不需要太高[5]。
為了更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器主軸所要求的力矩轉(zhuǎn)速特性，此設(shè)計(jì)將采用富田電機(jī)公司的型變頻主軸電機(jī)。其性能參數(shù)為：基準(zhǔn)頻率：50HZ；基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速：
；連續(xù)額定功率：7.5kw 連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩：50nm。
�。�2）合模伺服電機(jī)的選擇：
合模伺服電機(jī)要求與公轉(zhuǎn)伺服電機(jī)很相似，也要有較大的轉(zhuǎn)矩，但功率不需很大，要求轉(zhuǎn)速基本與公轉(zhuǎn)電機(jī)大致相當(dāng)[5]， 故電機(jī)亦選擇富田電機(jī)VFNX 系列， 型號(hào)為。其性能參數(shù)為：基準(zhǔn)頻率：50HZ；基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速：1500r/min；連續(xù)額定功率：2.2kw 連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩：15nm。
�。�3）手指?jìng)?cè)移動(dòng)作伺服電機(jī)：
轉(zhuǎn)速要求為，手指能在0.5S 內(nèi)運(yùn)行2M，即運(yùn)行速度為4M/S。電機(jī)轉(zhuǎn)軸的直徑為10mm，加裝直徑20mm 的轉(zhuǎn)軸套，據(jù)此可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速如下：N=4m/s*60/3.14*0.02m≈根據(jù)這些要求，可選富田電機(jī)VFNX80L2-50-1.5-4 型號(hào)，其性能參數(shù)為：基準(zhǔn)頻率：50HZ；基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速：4000r/min；連續(xù)額定功率：1.5kw 連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩：16.2nm。
加熱道燈管的選型根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將選用廣州市新得銳豐光電科技有限公司生產(chǎn)的PHILIPS 13168Z/98 型吹瓶機(jī)專用燈管。性能參數(shù)為：額定功率：2000W；額定電壓：230V。
其它各控制傳感器件的選型根據(jù)設(shè)計(jì)具體需求，將選用傳感器件型號(hào)基于三菱PLC 的塑瓶車間吹瓶機(jī)的程序設(shè)計(jì)儲(chǔ)胚上胚機(jī)構(gòu)動(dòng)作要求及程序設(shè)計(jì)上胚電機(jī)驅(qū)動(dòng)上胚傳送帶，將瓶胚送至儲(chǔ)胚道，并將儲(chǔ)胚道蓄滿。同時(shí)上胚器公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)由機(jī)器公轉(zhuǎn)伺服電機(jī)鏈條及齒輪傳動(dòng)，與加熱段公轉(zhuǎn)夾具同步。要求當(dāng)儲(chǔ)胚道蓄至規(guī)定數(shù)量瓶胚時(shí)上胚電機(jī)停轉(zhuǎn)。由反射板光電傳感器延時(shí)5s 控制，此光電置于儲(chǔ)胚道中上部(無(wú)瓶胚遮擋時(shí)光電開(kāi)關(guān)打開(kāi))。上胚器上胚由控制開(kāi)關(guān)。當(dāng)燈管溫度達(dá)到要求溫度后開(kāi)始上胚，開(kāi)關(guān)為一電磁繼電器，置于上胚器上部，儲(chǔ)胚道下端，開(kāi)關(guān)由人工手動(dòng)控制（手動(dòng)打開(kāi)時(shí)間大體為燈箱燈管打開(kāi)1 分鐘后即可）。
令 I/O 端口地址安排如下：
�。簷C(jī)器總啟動(dòng)開(kāi)關(guān) Y0：公轉(zhuǎn)伺服電機(jī)：上胚反射板光電開(kāi)關(guān) Y1：上胚電機(jī)驅(qū)動(dòng)：上胚器上胚控制開(kāi)關(guān) Y2：上胚控制器此段 PLC 控制梯形如圖4-1：
公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及加熱燈箱組設(shè)計(jì)要求公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)夾具，即公轉(zhuǎn)頭共500 個(gè)。公轉(zhuǎn)速度為0.3m/s。加熱燈箱組共12 組，每組共根燈管上下排列�？筛鶕�(jù)瓶胚即所造成品規(guī)格不同，可選擇打開(kāi)其中的4—6 根加熱燈管，燈管開(kāi)關(guān)控制為手動(dòng)控制。每個(gè)公轉(zhuǎn)夾具可自轉(zhuǎn)，由公轉(zhuǎn)鏈條結(jié)合公轉(zhuǎn)導(dǎo)軌壁實(shí)現(xiàn)，以使瓶胚加熱過(guò)程受熱均勻。為防止公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及即熱機(jī)構(gòu)骨架過(guò)熱，由車間統(tǒng)一提供的冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行骨架降溫。在完成加熱及取胚后絕不允許由漏取的瓶胚，若有則機(jī)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
令 I/O 端口地址安排如下：
�。悍缆┡叻瓷浒骞怆婇_(kāi)關(guān) M0：機(jī)器停轉(zhuǎn)輔助繼電器：燈管總開(kāi)關(guān)：第一排燈管開(kāi)關(guān) Y28：第一排燈管：第二排燈管開(kāi)關(guān) Y29：第二排燈管：第三排燈管開(kāi)關(guān) Y30：第三排燈管：第四排燈管開(kāi)關(guān) Y31：第四排燈管：第五排燈管開(kāi)關(guān) Y32：第五排燈管：第六排燈管開(kāi)關(guān) Y33：第六排燈管：機(jī)器故障急停按鈕模具動(dòng)作及吹瓶過(guò)程要求及程序設(shè)計(jì)模具為兩腔式，并可根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格改換相應(yīng)模具。底模在上，底模由氣缸實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，底模氣缸有兩限位感應(yīng)式傳感器控制其動(dòng)作。兩腔式模具內(nèi)中空，通以冷凍水以冷卻瓶壁成型，并防止模具過(guò)熱損壞，冷凍水亦由車間統(tǒng)一供給。模具開(kāi)合動(dòng)作通過(guò)大螺桿式機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，并由模具伺服電機(jī)控制螺桿的正反旋轉(zhuǎn)。螺桿部有兩限位感應(yīng)式傳感器，以控制模具的開(kāi)合程度。吹氣方式為瓶口朝下向上吹瓶方式，益于成瓶均勻。吹氣站共10 個(gè)吹氣頭，每個(gè)吹氣頭中心由便于吹瓶成型的拉伸桿，由拉伸氣缸控制動(dòng)作。亦有兩限位器，吹氣動(dòng)作由電磁閥控制高壓氣完成，高壓氣由車間統(tǒng)一供給，氣壓為5 倍大氣壓。在取送胚手指送至吹氣站處有一光電傳感器，用于監(jiān)測(cè)取送胚手指是否已將軟化瓶胚送至吹氣站，并報(bào)送至PLC 主板，決定是否進(jìn)行吹瓶動(dòng)作。要求關(guān)機(jī)時(shí)完成最后一次吹瓶動(dòng)作后要能手動(dòng)合模及下底模，開(kāi)機(jī)前要手動(dòng)開(kāi)模，上底模。模具原點(diǎn)位置狀態(tài)：模具開(kāi)、底模上、拉伸桿下。吹瓶過(guò)程大體動(dòng)作流程：軟化瓶胚送至吹氣站激發(fā)光電，延時(shí)0.5S 動(dòng)作；底模下，激發(fā)氣缸下位傳感器；模具合，激發(fā)大螺桿下位傳感器；拉伸桿上至底模處；吹氣站吹氣，吹氣時(shí)間0.5S；拉伸桿下；模具開(kāi)；底模下。
令 I/O 端口地址安排如下：
�。罕O(jiān)測(cè)送胚光電開(kāi)關(guān)：底模氣缸上位感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y9：底模氣缸上電磁閥：底模氣缸下位感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y10：底模氣缸下電磁閥：大螺桿上位感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y11：合模伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)：大螺桿下位感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y12：開(kāi)模伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)：拉伸桿上位感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y13：拉伸桿上電磁閥：拉伸桿下位感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y14：拉伸桿下電磁閥取送瓶動(dòng)作過(guò)程要求及程序設(shè)計(jì)取瓶手指原點(diǎn)位置在吹氣站位置，具體動(dòng)作為：前進(jìn)取瓶→上移→側(cè)移至取瓶中間站→下移放瓶→后退→回至原點(diǎn)位置。因瓶為向上吹氣法，故取出的瓶子為倒立的，所以要設(shè)計(jì)一中間站，再由翻轉(zhuǎn)送瓶手指取至成品傳送帶處。翻轉(zhuǎn)送瓶手指原點(diǎn)位置在取瓶中間站處，狀態(tài)為正，手指開(kāi)。與取送胚及取瓶手指有所不同。后兩者為前叉式手指，而前者為開(kāi)合式夾形手指，由氣缸實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，主要為了便于放瓶至傳送帶，且較后兩者氣缸動(dòng)作要快，具體動(dòng)作為：原點(diǎn)→前進(jìn)→手指合→翻轉(zhuǎn)左位→后退至傳送帶→手指開(kāi)→翻轉(zhuǎn)右位（其中翻轉(zhuǎn)通過(guò)氣缸實(shí)現(xiàn)）令I(lǐng)/O 端口地址安排如下：
�。喝∑壳斑M(jìn)位置感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y16：取瓶前進(jìn)氣缸電磁閥：取瓶后退位置感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y17：取瓶后退氣缸電磁閥：取瓶上移位置感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y18：取瓶上移氣缸電磁閥：取瓶下移位置感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y19：取瓶下移氣缸電磁閥：取瓶側(cè)移至中間站位置感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y20：取瓶側(cè)移至中間站電磁閥：取瓶側(cè)移至吹氣站位置感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y21：取瓶側(cè)移至吹氣站電磁閥：送瓶前進(jìn)位置感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y22：送瓶前進(jìn)氣缸電磁閥：送瓶后退位置感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y23：送瓶后退氣缸電磁閥：送瓶手指合位置感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y24：送瓶手指合氣缸電磁閥：送瓶手指開(kāi)位置感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y25：送瓶手指開(kāi)氣缸電磁閥：翻轉(zhuǎn)手指左位感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y26：翻轉(zhuǎn)手指左位氣缸電磁閥：翻轉(zhuǎn)手指右位感應(yīng)開(kāi)關(guān) Y27：翻轉(zhuǎn)手指右位氣缸電磁閥結(jié)束語(yǔ)系列PLC 具有豐富的編程指令，小型化、高速度合高性能是其特點(diǎn)。其運(yùn)算速度高：0.08us/指令，內(nèi)置8000 步RAM 存儲(chǔ)器輔助繼電器3072 點(diǎn)[3]。通過(guò)對(duì)硬件合軟件的合理設(shè)計(jì)，用較為廉價(jià)的FX2N 系列PLC 作為核心控制部件過(guò)程的吹瓶機(jī)交流伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了吹瓶機(jī)的動(dòng)作的協(xié)調(diào)控制。合理的程序使機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)，定位、進(jìn)位等動(dòng)作滿足工藝要求。特別應(yīng) 指出的是通過(guò)靈活、巧妙的運(yùn)用PLC 的指令系統(tǒng)，可使機(jī)器實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，大大節(jié)省時(shí)間，調(diào)高工作效率，保證單位時(shí)間合格品的產(chǎn)量，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。
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