基于PLC的伺服定位控制系统在筷子烙印机上的应用

1、基于PLC的伺服定位控制系统在筷子烙印机上的应用祖龙起，田甜（大连工业大学信息科学与工程学院 ，辽宁 大连 116034）摘要：介绍一种由伺服马达、PLC、触摸屏等设备来解决筷子烙印机的精确定位方法，运用在新研制的筷子烙印机上，实现筷子烙印的精确定位、自动烙印，提高了生产效率，降低了生产成本。关键词：筷子烙印机；伺服控制；PLC；精确定位；中图分类号：TP 274 文献标识码： A A application of sero motor Location system And PLC control used in Chopsticks Brand Machine Zu Long-qi Tia

2、n-tian(School of information Science & Engineering ,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,china)Abstract:This article main discuss the PLC,toach screen (PT),sero motor Location system and PLC control system used in Chopsticks Brand Machine On New Devolpment。Realize Automation Accurate Loca

3、tion In Chopsticks Brand Processsing。IncreaseEfficiency，Reduce Cost。Key words: Chopsticks Brand Machine; PLC;sero motor; sero motor Location system;引言在竹制或木制筷子上烙上各种精美的图案，就使得原本价格低廉的普通筷子身价倍增，不仅提升了这种筷子的价格，而且还可以作为一种工艺品具有了收藏价值。目前国内能生产这种筷子的生产厂家并不多，传统的筷子烙印机的运动是用类似于冲床样式的简单机械来实现的，完全人工送料即基本依靠人工手拿筷子在一个固定模具上一支支的

4、给筷子烙印，这种方式生产效率低，工人劳动强度大，运行噪音大，从而导致生产成本加大。如果使用伺服系统来控制筷子精确达到烙印模具位置，即被烙印筷子的精确定位，就可以一次烙印多支筷子，再加上PLC对机械手的自动控制，生产效率就会有大幅度提高。本文介绍一种由筷子包装机基础上改进的筷子烙印机控制系统的研制，本控制系统采用三菱公司的Fx2N PLC作为中央控制系统，采用日本山洋伺服驱动系统实现精确送料，一个用于筷子烙印的精确定位控制。同时本控制系统采用触摸屏实现人机对话，能够有效的监控设备的运行状况、显示生产产量及修改系统参数。这种筷子烙印机一次可以同时对六根筷子烙印，大大的提高了劳动生产率，减轻了工人的

5、工作强度，实现了筷子烙印过程的自动化。1. 筷子烙印机的工艺简介筷子烙印机由筷子分料机构(将成堆的筷子分开送至齿状传送带槽位中)、筷子送料机构（一个由伺服马达驱动带动筷子前进循环往复旋转运动的传送机械带）、筷子定位机构（一种由汽缸驱动完成上下前后运动的固定筷子的夹具）、机械手烙印机构（也是由汽缸驱动烙印模具上下运动的机械结构）等四部分机械结构组成。其中筷子定位和送料是同步进行的，由光电检测和齿状传送带槽位对筷子送料的原始位置（原点）和烙印位置进行检测，经PLC脉冲控制单元计算后，控制伺服马达驱动筷子前进运动的机械传送带传送至烙印位置上，然后由固定筷子的夹具（汽缸驱动）机构将筷子夹紧，之后由汽缸

6、驱动烙印模具上下运动的机械手完成筷子烙印动作，筷子烙印机械手上带有6个模具，因此一次可以同时对6根筷子进行烙印形成成品，筷子烙印机械手退出以后，齿状传送带又开始下一次送料循环往复运动。其工艺结构示意图如图1所示。图1 筷子烙印机工艺示意图2.系统组成筷子烙印机系统由现场设备部分、PLC控制系统部分、伺服马达部分、人机界面(触摸屏)组成。现场设备主要包括：筷子分料机构(将成堆的筷子分开一根一根的传送带槽位中)，、筷子送料机构（一个由伺服马达驱动带动筷子前进往复旋转运动的传送机械带）、筷子定位机构（一种由汽缸驱动完成上下前后运动的固定筷子的夹具）、机械手烙印机构（也是由汽缸驱动烙印模具上下运动的机

7、械结构）。PLC控制系统包括：Fx2N-24MT PLC控制器、FX2N-1PG脉冲控制单元、气动电磁阀、驱动继电器；伺服控制部分包括：伺服驱动器及伺服马达。筷子送料机构按照一定的速度带动被烙印的筷子，把筷子准确的送入烙印的位置上，是控制的关键所在，筷子间的间隔距离是由传送带上的档格分开的，而六个模具间的间距与传送带上的档格间距是相等的，因此必须要保证筷子被送入烙印膜时位置的准确性，但长时间连续运转可能会因为机械损耗导致偏差，因此送料轴也需要定位信号检测进行实时纠偏，检测定位信号采用了红外光电传感器作为原点信号检测，与送料机构主轴同步参数实时跟随，从而保证其运动控制与模具位置相一致。3控制系统

8、硬件系统设计本控制系统的硬件包括：接触器、控制电源、PLC、脉冲模块、伺服驱动器、伺服驱动马达等。对于筷子烙印机，采用三菱公司的FX2N-IPG是一款非常经济合适的运动控制器，配合三菱公司的整套系统产品，构成一套完善的控制系统。其控制系统组成如图2所示。 图2 控制系统组成示意图 3.1 人机界面。考虑到经济实用，人机界面采用三菱公司的GOT930触摸屏，在触摸屏上可以进行速度、产量。运行监视操作和运行参数记录，触摸屏是系统的操作员站，人机对话简单方便、系统组态便于修改和扩充，并且触摸屏具有可以长期稳定运行的优点。触摸屏与CPU的通信协议采用RS232口连接。3.2 PLC选型。三菱FX2N系

9、列是Fx系列PLC家族中较常用的系列。由于该系列PLC具备如下特点：io最大可支持256点、程序执行更快、全面增强通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足各种需要的大量特殊功能和网络模块。考虑到此自动机生产1组筷子产品的设计周期时间为12秒，故外围控制电路的动作次数频繁，所以选用晶体管输出类型的PLC。本系统选用FX2N-32MT PLC。本控制系统PLC的地址分配如表1所示。 表1 I/O地址分配表输 入输 出输入信号名称输入点地址元件名称、代号输出点地址伺服脉冲输入X000夹紧油缸推动电磁铁Y001系统单速定位启动按钮X001夹紧油缸拉动电磁铁Y002Y002夹具汽缸手动上升按钮X002刀

10、架纵向动作电磁铁YC3Y010手动/自动转换开关X003夹具汽缸上升Y011系统停X004夹具汽爪夹紧（左）Y012烙印汽缸手动下降按钮X005夹具汽爪夹紧（右）Y014筷子原点信号X006 烙印汽缸上升  夹具汽爪夹紧按钮X007 烙印汽缸下降 Y015 夹具汽缸下降到位信号X011   夹具汽缸上升到位信号X012   烙印汽缸上升到位信号X013   烙印汽缸下降到位信号X014   3.3 脉冲控制模块：本控

11、制系统脉冲发生单元采用三菱FX2N-1PG特殊定位模块。FX2N-IPG脉冲发生单元可以完成一个独立轴的简单定位，通过该单元向伺服驱动放大器提供指定数量的脉冲(最大5M PPS)来实现的。脉冲发生单元作为一个特殊的控制单元始终起作用，在PLC编程中使用FROMTO指令，并占用8点输入或输出与PLC进行数据传输。一个PLC可以连接高达8个脉冲发生单元，从而实现8个独立的操作。脉冲发生单元与伺服驱动单元的连接关系如图3所示。图中，FX2N-1PG模块的输出端有5个连接终端端子与伺服驱动单元相连接。其中FP端为使伺服马达正转的脉冲列输出端，RP端为使伺服马达反转的脉冲列输出端，VIN端子为与伺服共用

12、的电源。COM端子为与伺服共用的电源地端。本设备的零点定位操作位信号采用PLC的端子进行控制，因此FX2N-1PG模块中的PG0端子未用。3.4伺服驱动器：伺服驱动器采用最早进入中国的日本三洋公司的SANMOTION R系列RS1A03AA交流伺服驱动系统。它具有响应速度快、精度高、体积小，价格低等优点。而且具有实时自动增益调整功能，参数设置共有多达13组几百个参数设置方法。速度响应频率达1000Hz，位置指令脉冲最大频率可达5M脉冲/秒，具有位置控制、速度控制、转矩控制、全闭环控制4种控制模式。本控制系统采用定位控制模式。 图3 PLC脉冲输出单元与伺服驱动单元连接 RS1A03AA交流伺服

13、驱动器的参数设置:第一组Group0(自动调整模式设定)参数设置：00(调整模式选择)=00（自动调整） 01(自动调整特性设定)=00（通用定位控制） 02(调整响应速率设定)=5（标准速率设定） 03(参数自动保存设定)=00（参数自动保存）10(自动滤波器调整的转矩指令值)=50（标准设定值）20(自动抑振频率调整的转矩指令值)=25（标准设定值）21(自动抑振频率调整时的摩擦转矩补偿量)=5（标准设定值）第二组Group1(基本控制)参数设置：01(位置指令滤波器)=0.0（滤波器无效） 02(位置控制器的比例增益)=30（标准设定值） 03(位置控制器的积分常数)=1000（比例控制

14、）05(前馈补偿增益)=20第八组Group8(控制系统)参数设置：00（输入极性位置、速度、转矩指令）=00（位置、速度、转矩均为正向即PC+_VC+_TC+）11(指令脉冲输入选择)=02 (符号+脉冲序列有效)12(指令脉冲输入极性)=00(脉冲上升沿有效)15（电子齿轮标准设置值)=1/1（此处设为1/4）(2)电子齿轮功能用途：电子齿轮功能可以用来任意的设置每单位指令脉冲对应的电机速度和位移量(脉冲当量)当上位控制器的脉冲发生能力(最高可输出频率)不足以获得所需速度时，可以用电子齿轮功能(指令脉冲倍频)来对指令脉冲作×m倍频。用法：当编码器采用2000P/R，伺服马达采用4

15、800RPM时，需编码器脉冲为2000P/R*4倍=8000（P/R），即此时电机每转一圈所需的脉冲数为8000。应用：本控制系统中两根筷子的间距为10mm，系统设计要求为电机转一圈传送带移动10mm，伺服电机每接受一个脉冲传送带移动001mm。伺服马达外配的减速齿轮的减速比为1：8。电机转一圈所需脉冲数f=10001×8=8000，所以设置f2=8000。4.系统软件4.1 设计思想根据控制要求软件的总体设计思想：通过触摸屏点动控制设置烙印机的原点位置，不论传送带处于任何位置必须先返回到原始检测位置(原点位置的光电开关)，PLC通过对原点位置检测确认以后，发出相应的脉冲信号，控制伺

16、服电机带动传送带移动到烙印模位置之后停下来，然后再由PLC发出指令控制汽动加热后的烙模上下运动对筷子进行烙印的。由于筷子被烙印的部位仅有5mm宽度，因此传送带传送筷子精确到达烙印模位置就是设备的控制关键。因此原点位置设置及调整(或进或退)就非常关键了。考虑到这一点，程序设计时，既有手动调整原点，又有自动寻找原点程序。所设计的软件流程图如图4所示。图4 软件流程图4.2程序编制 PLC程序编制软件设计程序包括两部分：触摸屏监视、操作记录画面组态和PLC控制程序。触摸屏组态程序主要负责系统状态监控和发出控制命令，PLC控制程序的主要任务就是要控制伺服电机带动传送带使筷子精确定位。定位是整个系统的关

17、键，应用可编程控制器完成定位的方法很多，可供选择的指令也很丰富，这里，我们采用三菱可编程控制器FX2N-1PG脉冲发生单元产生的正转脉冲进行当前值增加计算，并将其保存至C235计数器中，在编程中使用FROMTO指令，驱动伺服驱动到烙模模位置，从而实现筷子精确定位。但计数必须从原点开始，因此上电和初始运行时，必须执行原点回归，将机械动作的原点位置的数据事先写入。PLC控制控制程序除伺服马达控制程序外，还包括汽缸控制程序和保护控制程序。其中伺服马达的控制程序是本控制系统的核心，它的控制是通过脉冲发生单元FX2N-IPG控制的。编程时首先要对FX2N-IPG单元内部的缓冲存储器(BFM)的参数进行设

18、置，然后在程序中用指令FROMTO实现，使之完成Fx2N-1PG与PLC之间的数据交换。Fx2N-1PG模块内部缓冲存储区(BFM)的部分参数定义如表2所示。表2 Fx2N-1PG模块内部缓冲存储区(BFM)的参数定义BMF地址编号位定义(读/写)高十六位低十六位B15B14B13B12B11B10B9B8B7B6B5B4B3B2B1B0#0脉冲速率（马达旋转一圈所需要的脉冲数）132767PLS/REV 初始值：2000 PLS/REV#2#1进给速率（马达旋转一圈机械位移量）1999999（1um/R）初始值：1000 PLS/REV#3STOP输入模式STOP输入极性计数开始定时DOG输

19、入极性原位返回方向旋转方向脉冲输出格式定位数据倍数马达系统单位#5#4最大速度 1010000Hz 初始值： 100000Hz #6基本速度 Vbia 01000Hz 初始值： 0Hz#8#7JOG速度（点动速度）VJOG 1010000Hz 初始值： 100000Hz#10#9原点返回速度（高速返回）VRT 1010000Hz 初始值： 50000Hz#11原点返回速度（爬行速度返回）VCT 1010000Hz 初始值： 1000Hz#12用于原点返回的0点信号数目N 032767 PLS 初始值： 10PLS #14#13原点位置 HP 0±999999 初始值： 0#15加/减

20、速时间（Vbia Vmax之间的时间） Ta 505000ms 初始值： 100 ms 4.2.1.1 IPG模块初始化设置程序控制程序在执行过程中，要对IPG模块进行初始化设置，包括模块参数、计数个数、烙印时间、汽爪夹紧初始值等参数的设置，参数程序如图5所示。图5 参数设置程序4.2.1.2定位控制 定位控制采用计数方法。计数采用加计数，通过触摸屏写进D100，然后再传入C235，首先要启动计数器C235接收伺服电机的脉冲数，设置适当的脉冲输出频率，根据脉冲数来比较设定值与当前值，通过比较结果计算出IPG模块的输出脉冲参数，然后确定输出电机的停止位置。定位控制程序如图6所示。 图6 定位控制程序4.2.1.3 确定原点筷子定位的准确度取决于原点位置。因此本设计中以光电传感器检测筷子输送带中第一根筷子料槽中是否有筷子为筷子原点。也可以通过触摸屏来完成。程序如图7所示。 图7 确定原点程序.4 传送带行走、定位清零程序如前已述，本设备的工作原理以光电传感器检测筷子输送带中第一根筷子料槽中是否有筷子为原点，从原点开始计算出第一根筷子料槽到达被烙印的位置所需的脉冲数，控制伺服电机带动传送带输送至该位置后停止，然后完成烙印工作的。光电传感器检测筷子位置计算是从光电检测传感器