祖 龍 起， 田 甜， 蔣 洋， 劉 正 浩

（大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

在竹制或木制筷子上烙上各種精美的圖案，就使得原本價(jià)格低廉的普通筷子身價(jià)倍增，不僅提升了這種筷子的價(jià)格，而且還可以作為一種工藝品具有收藏價(jià)值。目前國內(nèi)能生產(chǎn)這種筷子的生產(chǎn)廠家并不多，傳統(tǒng)的筷子烙印機(jī)的運(yùn)動(dòng)是用類似于沖床樣式的簡單機(jī)械來實(shí)現(xiàn)的，完全人工送料即基本依靠人工手拿筷子在一個(gè)固定模具上一支支的給筷子烙印，這種方式生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)行噪音大，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本加大。如果使用伺服系統(tǒng)［1］來控制筷子精確達(dá)到烙印模具［2］位置，即筷子的精確定位，就可以一次烙印多支筷子，再加上PLC 對機(jī)械手的自動(dòng)控制，生產(chǎn)效率就會大幅度提高。本文介紹一種由筷子包裝機(jī)改進(jìn)的筷子烙印機(jī)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要采用了三菱公司生產(chǎn)的FX2N PLC 作為中央控制系統(tǒng)，采用了日本三洋公司生產(chǎn)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)精確送料，一個(gè)用于筷子烙印的精確定位控制。同時(shí)本控制系統(tǒng)采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，能夠有效地監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況、顯示生產(chǎn)效率及修改系統(tǒng)參數(shù)。這種筷子烙印機(jī)一次可以同時(shí)對六根筷子烙印，大大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕了工人的工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了筷子烙印過程的自動(dòng)化。

1 筷子烙印機(jī)的工藝簡介

筷子烙印機(jī)由筷子分料機(jī)構(gòu)（將成堆的筷子分開送至齒狀傳送帶槽位中）、筷子送料機(jī)構(gòu)（一個(gè)由伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)筷子前進(jìn)循環(huán)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳送機(jī)械帶）、筷子定位機(jī)構(gòu)（一種由汽缸驅(qū)動(dòng)完成上下前后運(yùn)動(dòng)的固定筷子的夾具）、機(jī)械手烙印機(jī)構(gòu)（也是由汽缸驅(qū)動(dòng)烙印模具上下運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)）等四部分機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。其中筷子定位和送料是同步進(jìn)行的，由光電檢測和齒狀傳送帶槽位對筷子送料的原始位置（原點(diǎn)）和烙印位置進(jìn)行檢測，經(jīng)PLC 脈沖控制單元計(jì)算后，控制伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)筷子前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳送帶傳送至烙印位置上，然后由固定筷子的夾具（汽缸驅(qū)動(dòng)）機(jī)構(gòu)將筷子夾緊，之后由汽缸驅(qū)動(dòng)烙印模具上下運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手完成筷子烙印動(dòng)作，筷子烙印機(jī)械手上帶有6個(gè)模具，因此一次可以同時(shí)對6根筷子進(jìn)行烙印形成成品，筷子烙印機(jī)械手退出以后，齒狀傳送帶又開始下一次送料循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其工藝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 筷子烙印機(jī)工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of chopsticks imprint machine technology

2 系統(tǒng)組成

筷子烙印機(jī)系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備部分、PLC 控制系統(tǒng)部 分［3］、伺 服 馬 達(dá) 部 分［4］、人 機(jī) 界 面（觸 摸屏）［5］組成?，F(xiàn)場設(shè)備主要包括：筷子分料機(jī)構(gòu)、筷子送料機(jī)構(gòu)、筷子定位機(jī)構(gòu)、機(jī)械手烙印機(jī)構(gòu)。PLC控制系統(tǒng)包括：FX2N-24MT PLC 控制器、FX2N-1PG 脈沖控制單元、氣動(dòng)電磁閥、驅(qū)動(dòng)繼電器。伺服控制部分包括：伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服馬達(dá)。

筷子送料機(jī)構(gòu)按照一定的速度帶動(dòng)被烙印的筷子，把筷子準(zhǔn)確的送入烙印的位置上，是控制的關(guān)鍵所在，筷子間的間隔距離是由傳送帶上的檔格分開的，而6個(gè)模具間的間距與傳送帶上的檔格間距是相等的，因此必須要保證筷子被送入烙印膜時(shí)位置的準(zhǔn)確性，但長時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可能會因?yàn)闄C(jī)械損耗導(dǎo)致偏差，因此送料軸也需要定位信號檢測進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏。檢測定位信號采用了紅外光電傳感器作為原點(diǎn)信號檢測，與送料機(jī)構(gòu)主軸同步參數(shù)實(shí)時(shí)跟隨，從而保證其運(yùn)動(dòng)控制與模具位置相一致。

3 控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的硬件包括：控制電源、脈沖模塊、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、接觸器等。對于筷子烙印機(jī)，采用三菱公司生產(chǎn)的FX2NIPG 運(yùn)動(dòng)控制器是非常經(jīng)濟(jì)合適的，配合三菱公司的整套系統(tǒng)產(chǎn)品，構(gòu)成一套完善的控制系統(tǒng)。

3.1 人機(jī)界面

考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)用，人機(jī)界面采用三菱公司生產(chǎn)的GOT930觸摸屏。通過觸摸屏可以進(jìn)行修改系統(tǒng)參數(shù)，查看筷子烙印的生產(chǎn)效率；同時(shí)監(jiān)視所有氣缸和傳感器的運(yùn)行狀態(tài)。觸摸屏與CPU的通信協(xié)議采用RS232口連接。

3.2 PLC選型

由于筷子烙印機(jī)在自動(dòng)生產(chǎn)過程中要求每次循環(huán)時(shí)間為5s，即一次烙印6 根筷子的時(shí)間為5s，故外圍控制電路的動(dòng)作次數(shù)比較頻繁，因此需要選用晶體管輸出類型的PLC。本系統(tǒng)選用的是三菱公司生產(chǎn)的FX2N-32MT 型PLC。本控制系統(tǒng)PLC的地址分配如表1所示。

3.3 脈沖控制模塊

本控制系統(tǒng)脈沖發(fā)生單元采用的是三菱公司生產(chǎn)的FX2N-1PG 特殊定位模塊。FX2N-IPG脈沖發(fā)生單元是通過向伺服驅(qū)動(dòng)放大器提供指定數(shù)量的脈沖（最大5 M／s）來實(shí)現(xiàn)一個(gè)獨(dú)立軸的精確定位的。在PLC 編程中使用FROM／TO 指令，來設(shè)置FX2N-1PG 脈沖發(fā)生單位中的參數(shù)。脈沖發(fā)生單元與伺服驅(qū)動(dòng)單元的連接關(guān)系如圖2所示。圖中，F(xiàn)X2N-1PG 模塊的輸出端有5個(gè)連接終端端子與伺服驅(qū)動(dòng)單元相連接。其中FP端為使伺服馬達(dá)正轉(zhuǎn)的脈沖列輸出端，RP 端為使伺服馬達(dá)反轉(zhuǎn)的脈沖列輸出端，VIN 端子為與伺服共用的電源。COM 端子為與伺服共用的電源接地端。本設(shè)備的零點(diǎn)定位信號采用PLC 的端子進(jìn)行控制，因此FX2N-1PG 模塊中的PG0端子未用。

表1 I／O 地址分配表Tab.1 I／O address allocation table

圖2 PLC脈沖輸出單元與伺服驅(qū)動(dòng)單元連接Fig.2 PLC pulse output unit connected with the servo drive unit

3.4 伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服驅(qū)動(dòng)器采用最早進(jìn)入中國的日本三洋公司生產(chǎn)的SANMOTION R 系列RS1A03AA 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它具有響應(yīng)速度快、精度高、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。而且具有實(shí)時(shí)自動(dòng)增益調(diào)整功能，參數(shù)設(shè)置共有多達(dá)13組幾百個(gè)參數(shù)設(shè)置方法。速度響應(yīng)頻率達(dá)1 000 Hz，位置指令脈沖最大頻率可達(dá)每秒5 M 脈沖，具有位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、全閉環(huán)控制4種控制模式。本控制系統(tǒng)采用定位控制模式。

3.4.1 RS1A03AA交流伺服驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)設(shè)置Group1（基本控制）：

05（FFGN）=20，用于設(shè)置位置控制時(shí)的前饋補(bǔ)償增益。

Group8（控制系統(tǒng)）：

11（PCPTYP）=02，位置指令脈沖使用的是符號和脈沖列；

12（PCPPOL）=00，位置指令脈沖在上升沿時(shí)計(jì)數(shù)；

14（PCPMUL）=8，伺服驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖是其輸入脈沖的8倍；

15（GER1）=8／1，位置指令脈沖的電子齒輪比設(shè)置為8／1。

3.4.2 電子齒輪功能

電子齒輪功能可以用來任意設(shè)置每單位指令脈沖對應(yīng)的電機(jī)速度和位移量（脈沖當(dāng)量），當(dāng)上位控制器的脈沖發(fā)生能力（最高可輸出頻率）不足以獲得所需速度時(shí)，可以使用電子齒輪功能中的指令脈沖倍頻參數(shù)，其中指令脈沖倍頻為輸入指令脈沖和電子齒輪比的乘積。

由于傳送帶上兩根筷子之間的距離為10mm，因此系統(tǒng)就要求設(shè)計(jì)為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，傳送帶移動(dòng)10 mm。其中伺服電機(jī)每接受一個(gè)脈沖傳送帶移動(dòng)0.01mm，伺服馬達(dá)外配的減速齒輪的減速比為8∶1，因此電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)f 的計(jì)算公式為

4 系統(tǒng)軟件

4.1 設(shè)計(jì)思想

軟件的總體設(shè)計(jì)思想：通過觸摸屏點(diǎn)動(dòng)控制設(shè)置烙印機(jī)的原點(diǎn)位置，不論傳送帶處于任何位置必須先返回到原始檢測位置（原點(diǎn)位置的光電開關(guān)），PLC 通過對原點(diǎn)位置檢測確認(rèn)以后，發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶移動(dòng)到烙印模位置之后停下來，然后再由PLC發(fā)出指令控制汽動(dòng)加熱后的烙模上下運(yùn)動(dòng)對筷子進(jìn)行烙印?？曜颖焕佑〉牟课粌H有5 mm，因此傳送筷子精確到達(dá)烙印模位置就是設(shè)備控制的關(guān)鍵，這樣原點(diǎn)位置的設(shè)置及調(diào)整就非常重要?？紤]到這一點(diǎn)，程序設(shè)計(jì)時(shí)，既可以通過觸摸屏進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整原點(diǎn)，又可以自動(dòng)尋找原點(diǎn)程序。所設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖3所示。

4.2 程序編制

4.2.1 PLC程序編制

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flow chart

軟件設(shè)計(jì)程序包括兩部分：觸摸屏組態(tài)程序和PLC控制程序。其中觸摸屏組態(tài)程序主要負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，PLC 控制程序的主要任務(wù)就是要控制伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶使筷子精確定位。采用FX2N-1PG 脈沖發(fā)生單元產(chǎn)生的正轉(zhuǎn)脈沖進(jìn)行當(dāng)前值增加計(jì)算，并將其計(jì)算值保存至C235計(jì)數(shù)器中，在編程中使用FROM／TO 指令，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶將筷子停放在到烙模模具位置，從而實(shí)現(xiàn)筷子精確定位。但計(jì)數(shù)必須從原點(diǎn)開始，因此上電和初始運(yùn)行時(shí)，必須執(zhí)行原點(diǎn)回歸，將機(jī)械動(dòng)作的原點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)事先寫入。PLC控制程序除包含伺服馬達(dá)控制程序外，還包括汽缸控制程序和保護(hù)控制程序。其中伺服馬達(dá)的控制程序是本控制系統(tǒng)的核心，編程時(shí)首先要對FX2N-1PG 單元內(nèi)部的緩沖存儲器（BFM）的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后在程序中用指令FROM／TO實(shí)現(xiàn)，使之完成FX2N-1PG 與PLC 之間的數(shù)據(jù)交換。FX2N-1PG 模塊內(nèi)部緩沖存儲區(qū)（BFM）［6］的部分參數(shù)定義及設(shè)置值如表2所示。

表2 FX2N-1PG 模塊內(nèi)部緩沖存儲區(qū)（BFM）的參數(shù)定義Tab.2 Parameters of FX2N-1PG module internal buffer storage area（BFM）

4.2.1.1 定位控制

定位控制采用計(jì)數(shù)方法。計(jì)數(shù)采用加計(jì)數(shù)，通過觸摸屏寫進(jìn)D100，然后再傳入C235，首先要啟動(dòng)計(jì)數(shù)器C235接收伺服電機(jī)的脈沖數(shù)，設(shè)置適當(dāng)?shù)拿}沖輸出頻率，根據(jù)脈沖數(shù)來比較設(shè)定值與當(dāng)前值，通過比較結(jié)果計(jì)算出IPG 模塊的輸出脈沖參數(shù)，然后確定輸出電機(jī)的停止位置。定位控制程序如圖4所示。

圖4 定位控制程序Fig.4 Positioning control program

4.2.1.2 確定原點(diǎn)

筷子定位的準(zhǔn)確度取決于原點(diǎn)位置，因此本設(shè)計(jì)中以光電傳感器檢測筷子輸送帶中第一根筷子料槽中是否有筷子為筷子原點(diǎn)標(biāo)志。也可以通過觸摸屏來完成。程序如圖5所示。

圖5 確定原點(diǎn)程序Fig.5 Determining the origin program

4.2.1.3 傳送帶行走、定位清零

本設(shè)備的工作原理是以光電傳感器檢測筷子輸送帶中第一根筷子料槽中是否有筷子為原點(diǎn)，從原點(diǎn)開始計(jì)算出第一根筷子料槽到達(dá)被烙印的位置所需的脈沖數(shù)，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶輸送至該位置后停止，然后完成烙印工作的。光電傳感器檢測筷子位置計(jì)算是從光電檢測傳感器位置開始的，伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶行走距離只需走過6根筷子間距即可，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)6根筷子之后，然后清零。

4.2.2 觸摸屏組態(tài)畫面

觸摸屏組態(tài)畫面包括系統(tǒng)運(yùn)行主畫面、汽缸控制畫面、送料伺服控制畫面、筷子計(jì)數(shù)畫面、報(bào)警畫面和系統(tǒng)I／O 表畫面。各控制畫面的控制按鈕都帶有各對應(yīng)控制對象的狀態(tài)指示，能夠真實(shí)反映各被控對象的運(yùn)行狀態(tài)。I／O 表畫面組態(tài)有各開關(guān)量信號的狀態(tài)指示燈，能夠真實(shí)反映開關(guān)量信號的輸入輸出狀態(tài)，能夠監(jiān)測生產(chǎn)量，對設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)起到十分重要的作用。

5 結(jié)束語

根據(jù)上述的思路和方法，由PLC控制伺服馬達(dá)實(shí)現(xiàn)的筷子烙印機(jī)已在浙江金水雙槍竹木筷子有限公司的生產(chǎn)線上投入運(yùn)行。應(yīng)用表明采用該控制方案投資少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，現(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定可靠，代替了原來的簡易的人工烙印設(shè)備，提高了工效，由原來的一次由烙模加工一根筷子提高到一次加工6根筷子，降低了生產(chǎn)成本；精度高，可靠性好，工作效率高；減少了機(jī)械結(jié)構(gòu)，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，省去機(jī)械凸輪，易于維修，同時(shí)減少工作噪音；使用觸摸屏操作使操作方式人性化，使用方便，操作簡單，即便出現(xiàn)故障只要簡單處理就可繼續(xù)運(yùn)行，是目前同類設(shè)備中技術(shù)最先進(jìn)的生產(chǎn)機(jī)械。

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