引言
隨著自動控制技術的不斷提高和發(fā)展，各種機床對送料裝置的要求越來越高，呈現(xiàn)出高精度化、高速度化、高柔性化、高自動化、高可靠性等特點。全自動生產(chǎn)線可以改善勞動條件和生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，企業(yè)生產(chǎn)過程中自動化程度的要求越來越高。在我國注塑行業(yè)蓬勃發(fā)展的大環(huán)境下，很多企業(yè)提出改進傳統(tǒng)操作工序的需求，由于目前使用的旋臂式、氣動式和單軸伺服注塑機機械手不能滿足某注塑廠家的特定自動送料要求，因此設計了一種多軸的臥式注塑機全自動送料系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)構成與工作原理
該全自動送料系統(tǒng)將卷繞在料盤上的料帶剪成單個嵌片，通過機械手將嵌片送入臥式注塑機，并將注塑好的成品取出。系統(tǒng)結構包括: 導料槽、剪料機構、送料機構。該系統(tǒng)運動可以在在垂直的 X 軸、Y 軸、Z 軸三個方向自由運動，有 X1 軸、Y1 軸、X2 軸、Z 軸、Y2 軸5 個滑臺，還有 1 個可以 90°旋轉的手爪�；_均采用伺服電機驅(qū)動絲桿的傳動方式，每個滑臺上有 3 個位置傳感器( 上限傳感器、零點傳感器以及下限傳感器) 。系統(tǒng)總體結構如圖 1 所示。
1． 導料槽一 2． 導料槽二 3． 剪料機構 4． X1 軸滑臺
5． 取料機構 6． 接料盤 7． Y1 軸滑臺 8． X2 軸滑臺
9． Y2 軸滑臺 10． Z 軸滑臺 11． 抓料手爪
圖 1 臥式注塑機全自動送料系統(tǒng)總體結構
料帶送入導料槽后，在導料電機和齒輪將料帶送到剪料盤中剪料; 剪料完成后，取料盤運動到剪料盤上方，在氣缸作用下利用真空將料片吸住; 取料盤在伺服電機和升降氣缸作用下將料片精確放置在嵌片接料盤上，嵌片接料盤真空發(fā)生，將料片吸住以免掉落; 料片放置后，接料盤將料片送至設定的工位，此時，嵌片接料盤上的真空破壞，抓料手爪上的真空吸盤產(chǎn)生真空，將四片料片吸住，并送到設定的工位，抓料手爪上有 8個真空吸盤，前 4 個是成品抓料吸盤，后 4 個是嵌片抓料吸盤，到達工位后送料真空吸盤支架翻轉 90°，從水平狀態(tài)翻轉到豎直狀態(tài)。抓料手爪如圖 2 所示。
1． 成品抓料盤 2． 嵌片抓料盤 3． 翻轉電機
圖 2 抓料手爪
2 電氣控制系統(tǒng)設計
整個系統(tǒng)由 3 臺 PLC( 6ES7 226-2AD23-0XB8) 、8臺伺服電機及伺服電機控制器、2 臺步進電機、電磁閥和真空閥等設備組成。電氣控制系統(tǒng)結構如圖3 所示。
圖 3 電氣控制系統(tǒng)結構圖
2.1 PLC 的端口分配
PLC 之間通過 PPI 總線的方式進行聯(lián)系，其中 1個 PLC 與觸摸屏連接，另外 2 個 PLC 內(nèi)部的信息先與該 PLC 交換，再進入觸摸屏。系統(tǒng)主要輸入信號有:啟�？刂菩盘� 9 個，位置檢測信號 25 個，共 34 個; 主要輸出信號有: 脈沖輸出信號 12 個，電磁閥控制信號9 個，電機控制信號 6 個，共 27 個。輸入輸出信號的具體作用和地址分配如表 1 所示。
表 1 PLC 的主要 I/O 分配表
2.2 PLC 控制程序
1) 系統(tǒng)控制流程
初始時，按下復位按鈕 SB3，使機械手位于原位工作點，然后按下啟動按鈕 SB2，整個送料系統(tǒng)的工作過程如下: 導料槽導料、剪料盤一次剪切兩片嵌片、取料盤吸取兩片嵌片、接料盤上放置兩嵌片，并向前移動一步、重復剪切、吸取兩嵌片，并放置于接料盤上、接料盤一次運送四片嵌片、抓料盤吸料、抓料盤翻轉 90°、成品抓料盤將注塑工位的成品取出、嵌片抓料盤將嵌片送到注塑工位、機械手退出注塑機，抓料盤翻轉至水平、夾爪松開，成品落入接料框中。取料盤吸料時，為了避免料片因振動而脫落，X1 軸取料氣缸先行剪料氣缸后行。如果沒有停止信號，送料系統(tǒng)機械手按照以上過程循環(huán)操作。在任何時候按下停止按鈕 SB1，機械手將完成當前工作周期后停止工作。
按照上述控制要求，該送料系統(tǒng)的 PLC 控制流程如圖 4 所示。臥式注塑機全自動送料系統(tǒng)具有多軸運動過程，按照機械手動作的先后順序進行控制，因此采用順序控制設計法進行程序編寫。
圖 4 PLC 控制流程圖
2) 伺服電機控制
電機采用 APM-SA01ACN 伺服電機，控制器型號為 L7SA002A，與步進電機相比，交流伺服電機在控制精度、共振抑制功能、過載能力、控制性能等方面都有其顯著的優(yōu)點，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
該伺服系統(tǒng)根據(jù)與上位控制器的 Interface 方式不同，可以使用多樣化的結構: 位置運行系統(tǒng)、速度運行系統(tǒng)以及扭矩運行系統(tǒng)。在這里我們采用速度運行系統(tǒng)模式，目的就是讓伺服電機根據(jù)控制要求最快速的進行動作響應，速度控制是一個反饋控制系統(tǒng)，組成速度控制回路，即速度環(huán)，該控制模式優(yōu)點為伺服響應快且易于精確控制，其控制原理如圖 5 所示。
圖5 速度運行模式原理圖
S7-200CPU PLC 提供 2 個高速脈沖輸出點( Q0． 0和 Q0． 1) ，可以分別工作在 PTO( 脈沖串輸出) 和 PWM( 脈寬調(diào)制) 狀態(tài)下，最大脈沖輸出頻率為 20 kHz，可以實現(xiàn)速度、位置和開環(huán)運動控制。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)采用高速脈沖串輸出 PTO 功能，PTO 功能可輸出一定脈沖個數(shù)和占空比為 50%的方波信號。
圖6 為高速脈沖輸出方式的控制原理圖，控制過程中，將伺服控制器工作定義在脈沖 + 方向模式下。PTO 輸出方式?jīng)]有專門的位置控制指令，只有一條脈沖串輸出指令，而且在脈沖發(fā)送過程中不能停止，也不能修改參數(shù)，為解決上述問題，設置脈沖計數(shù)值等于10 或更小，并使脈沖發(fā)送指令 PLS 處于激活狀態(tài)，這樣就可以在任一脈沖串發(fā)送完之后修改脈沖周期。
圖6 集電極輸出( 24 V) 脈沖輸入
3) 定位過程
定位過程是通過 S7-200 的 CPU 輸出脈沖序列來實現(xiàn)，如圖 7 所示。編程過程中使用到庫中的定位模塊，為了充分利用定位模塊，軸上需設置 3 個限位開關: 參考點開關( 零點) 、正向計數(shù)限位開關( 上限) 、反向計數(shù)限位開關( 下限) 。機械手操作過程需要衡量其零參考點位置，編程中應用到定位模塊庫中的 Q0_x_Home，該模塊是在預設方向啟動尋找參考點。載物體沿著軸移動，直到到達限位開關( 上限或下限) 時，軸減速運動并開始從相反方向?qū)ふ覅⒖键c。參考點尋找完畢后，CPU 向伺服驅(qū)動器發(fā)送一個脈沖序列( 動力輸出) 和定向信息( 電機旋轉方向) 。
圖7 定位過程示意圖
伺服驅(qū)動器將信號轉換成相應定子中取決于頻率( 與速度成正比) 的三相電壓，并提供給伺服電機，伺服電機通過編碼器將速度控制的實際值返回給伺服驅(qū)動器。編碼器信號以控制電源的 GND 為基礎輸出，將PLC 的 GND 端子與 CN1 的 GND 端子相連接，將 CN2所接收的伺服電機的編碼器信號，根據(jù)所設置的分頻器進行分頻，以線驅(qū)動方式進行輸出。編碼器輸出信號原理如圖 8 所示。
圖 8 編碼器輸出信號控制原理
3 氣動系統(tǒng)設計
臥式注塑機全自動送料機械手的氣動系統(tǒng)如圖 9所示，氣動系統(tǒng)包括 4 個氣缸以及多個電磁閥，其中氣缸作用如下: 驅(qū)動剪料刀具上下行運動，驅(qū)動 X1 軸上取料盤上下運動，驅(qū)動抓料盤夾爪的放松或夾緊，驅(qū)動成品抓料盤運動。剪料氣缸、X1 軸取料氣缸和成品抓料盤氣缸采用雙作用氣缸，夾爪采用單作用氣缸，均采用某公司的二位五通脈沖式電磁換向閥作為主控元件。為了使氣缸運行速度比較平穩(wěn)，提高機械手的穩(wěn)定性及工作效率，在每一個獨立的氣動回路都配有單向節(jié)流閥。該全自動送料系統(tǒng)所氣動回路的運動及先后順序都由 PLC 來進行控制。
系統(tǒng)配備了 4 路真空發(fā)生器，真空發(fā)生器是用壓縮空氣產(chǎn)生真空度為 86. 7 kPa 的負壓來吸取嵌片或成品; 配備了 8 個電磁閥，其中 3 個雙電控作用電磁閥來控制雙作用氣缸，5 個單電控電磁閥來控制吸盤和單作用氣缸。
4 人機界面設計
系統(tǒng)的人機界面采用 WECON LEVI777A-V 型號的電阻式觸摸屏，支持 ＲS232/ＲS485/ＲS422，該觸摸屏具有 2 個串口，支持 MPI 協(xié)議。觸摸屏設計包括界面設計和設定變量，并將變量與 PLC 連接。界面設計包含輸入/輸出區(qū)域組態(tài)、指示燈組態(tài)、功能鍵組態(tài)和文本顯示; 設定變量是將觸摸屏的組態(tài)功能與 PLC 對應的 I/O 地址及存儲單元之間相連接，實現(xiàn)手動操作過程中將手動設定的參數(shù)輸入到 PLC 中，以及將 PLC的當前值輸入到觸摸屏并顯示在界面中，便于觀察機械手的運動狀態(tài)。軟件控制系統(tǒng)界面如圖 10 所示。
1． 氣罐 2． 過濾調(diào)壓閥 3． 雙電控作用的電磁閥 4． 單電控作用的電磁閥 5． 單向節(jié)流閥 6． X1 軸取料氣缸 7． 剪料氣缸
8． 夾爪夾緊氣缸 9． 成品抓料盤氣缸 10． 真空發(fā)生器 11． 取料盤吸盤 12． 接料盤吸盤 13． 嵌片抓料盤吸盤 14． 成品抓料盤吸盤
圖 9 氣動回路
圖 10 X1 軸調(diào)試臺界面
5 結論
臥式注塑機全自動送料系統(tǒng)是一個復雜的控制系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在它控制 6 個單軸運動來完成一個需要6 個自由度機械手才能完成的一系列導料、剪料以及送料動作。設計的系統(tǒng)采用 PLC 控制，實現(xiàn)了全自動化送料，可以廣泛應用于注塑送料取料。經(jīng)試驗調(diào)試，該系統(tǒng)的控制精度達到 0. 002 mm，可滿足注塑機械手的實際應用需求。根據(jù)注塑機的注塑循環(huán)過程和相應的控制要求，設計了以 PLC 為核心的控制系統(tǒng)，通過試驗證明，該控制系統(tǒng)具有快速、高效、高可靠性、抗干擾能力強等特點，實現(xiàn)了注塑機注塑全過程的自動控制。
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