自动化包装生产线装箱控制系统的设计

自动化包装生产线装箱控制系统的设计摘要该自动化包装生产线的装箱控制系统采用“PLC+HMI”的上、下位机控制模式，以HMI作为上位机，实现对系统运行状态的可视化监控；以PLC作为下位机，实现对系统的精准位置控制。为了进一步提高自动化包装生产线的装箱效率，采用伺服反复示教的方法，记录夹爪不同的等待、抓取、横移、旋转及放料位置，最终通过对比得到，在一个工作周期内，较优装箱路径下钢瓶自动装箱的平均时间约为13.9s，相较于传统装箱路径下缩短了时间，并且运行更加稳定、可靠，可以在智能工厂中广泛运用。关键词：装箱控制系统；PLC；HMI；伺服反复示教

目录TOC\o"1-3"\h\u28640引言 引言随着人们生活水平的提高和自动化生产的需要，企业对装箱控制系统的要求也越来越高[1]，产品装箱逐步从手工装箱发展为半自动、自动装箱[2]。在自动装箱控制系统中，传统的控制方式具有结构复杂、体积大、维修繁琐、不方便扩展等缺陷，不能满足实时监控和可视化的需求[3]。鉴于PLC抗干扰能力强、运行稳定，触摸屏具有图形化显示功能，能够实时监控现场数据的变化[4]。因而提出了采用PLC和触摸屏相结合的控制方式来解决浙江某企业钢瓶自动化包装生产线上装箱控制的问题。将自动化包装生产线的“开箱、喷码、装箱过程”作为研究对象，并根据工作要求，开箱机折叠纸箱并下料至输送带；颜色识别传感器对钢瓶进行分类，再通过喷码机对钢瓶喷码[5]；纸箱侧的相机对纸箱所选取的特征部分进行示教对比，筛选出不合格的纸箱[6]；最后，完成自动化包装生产线的钢瓶装箱工作[7]。整个过程具有承载能力强、工作节拍可调且运动定位精度高等优点，可替代人工开箱、喷码、装箱工作[8]，做到在满足自动控制要求的基础上，实现实时监控和可视化运行，从而为企业节省人力成本[9]。1装箱控制系统的总体结构本文主要研究自动化包装生产线的装箱控制系统，该系统主要由横梁、减速机、抓手系统（夹爪、气缸）、传动系统（滚珠丝杠）以及伺服系统等几个部分组成，能够实现两个升降及横移伺服电机的三轴联动。装箱控制系统的整体结构如下图1所示。图1装箱控制系统的整体结构1.电气控制柜2.横移伺服电机3.纸箱输送板链4.变频电机5.坦克链6.装箱控制系统机架7.滚珠丝杠8.升降伺服电机19.升降伺服电机210.钢瓶11.1#夹爪12.2#夹爪13.3#夹爪14.4#夹爪15.导轨2装箱控制系统的硬件设计2.1装箱控制系统的介绍该装箱控制系统是以PLC控制器和伺服电机为核心，并搭配工控机，触摸屏，变频器，变频电机，电磁阀，气缸，伺服电机驱动器，伺服电机，升降轴1、2及横移轴的丝杆组件，夹爪等机构构成，装箱控制系统的集成框图如下所示。图2装箱控制系统的集成框图2.2装箱控制系统的参数设定针对装箱控制系统的参数设定，主要集中于伺服驱动器部分。伺服驱动器选用松下MinasA6系列，速度波动率小，具有超程限制、伺服报警、定位完成等功能[10]，可满足装箱控制系统的要求[11]。伺服控制模式选用位置控制，指令脉冲输入方式设定为“脉冲数量+脉冲方向”。因装箱过程中要求移动速度高，加、减速度大，故在升降轴1、2处增设了减速机。通用计算公式：当Pr0.08参数为0时：脉冲当量=螺距/（减速比*伺服每转一周的驱动脉冲数）针对该装箱控制系统，将升降轴1、2及横移轴的设定值pr0.08=2500。其中升降轴1、2及横移轴的丝杆导程为10mm，升降轴1、2上的减速比为10：1。通过计算可以得到：升降轴1的脉冲当量=10/（2500*10）=0.004mm/plus升降轴2的脉冲当量=10/（2500*10）=0.004mm/plus横移轴的脉冲当量=10/2500=0.04mm/plus3装箱控制系统的软件设计3.1装箱控制系统的模块化设计根据装箱控制系统的工艺要求，采用KVSTUDIO编程软件进行编程，在对PLC程序设计时，由于单元模块间的各个工序与系统对接信号较多，控制过程较为复杂，故需要先划分各个子模块，从而将上述动作有序地组合并模块化，主要包含：装箱控制系统的初始化、原点复归、伺服示教、伺服运动等[12]。将程序划分为手动和自动两种运行模式：在手动模式下支持动作编辑、系统设置及各个工序的参数设定，自动模式下支持装箱控制系统的正常工作。当系统正常工作时，PLC控制器先通过与伺服驱动器相连的脉冲I/O口向其发送脉冲信号，从而控制伺服电机的运行，并在人机交互界面中实时显示当前伺服电机的运行状态（运转速度和方向），该系统的软件平台是实现该功能的保障。3.1.1装箱控制系统的初始化装箱控制系统的初始化部分主要包含各软元件恢复到原位，异常状态检测以及伺服定位模块运行参数的设置，夹爪等待位、抓取位、横移位、旋转位、放料位以及当前位置的读取等。在电源接通后几秒钟内，伺服单元可能因初始动作不稳定而报警，故给出运动控制条件：先确认运动命令OFF，并将伺服使能ON，再分别设定各个运动指令。其中，升降轴1初始化子程序及其动作流程如下图3、4所示。图3升降轴1初始化子程序图4初始化动作流程图3.1.2装箱控制系统的原点复归装箱控制系统的原点复归方式采用原点传感器上升沿，设定复归的方向为CCW，存在起始位置为CW侧、CCW侧、在原点传感器范围内等几种情况。对于横移伺服电机来说，其CW侧指的是纸箱方向，CCW侧指的是钢瓶方向；对于升降伺服电机1、2来说，其CW侧指的是下方靠近钢瓶流水线方向，CCW侧指的是上方丝杠导轨固定支座方向。在每次断电重启后归零标志位会复位，故必须要在设备启动前进行复位，保证三个伺服电机的机械位置符合启动要求。在伺服电机返回原位时，受到机械干涉的影响，需要对各轴原点复归的顺序进行限定，必须先将升降伺服电机1、2升至安全位置，再将横移伺服电机复归回原点，防止出现碰撞钢瓶、设备损坏的现象。其中，以起始位置在CW侧为例，其动作流程如下图5所示。图5上升沿方式下的动作流程图伺服电机开始以2000Hz的速度起动，称为原点复归的起动速度；以500Hz/ms的速度加速，称为加速度；以500Hz/ms的速度减速，称为减速度；加速或减速到30000Hz,称为其运转速度。原点复归参数设定界面如下图6所示。图6原点复归参数设定ORG是原点复归指令，该指令是执行原点复归，并使机械位置与PLC内当前寄存器一致。其中，以升降轴1原点复归程序为例，升降轴1上的原点传感器输入信号，则原点复归动作完成。图7轴1原点复归程序3.1.3装箱控制系统的伺服示教示教前复位按钮将高速计数器的值、相关标志位和所用通道全部清零[13]。在示教过程中，根据装箱控制系统的实际使用要求，结合各点位的操作按钮完成对夹爪抓取路径的规划；接着，通过上位机控制升降轴1、2，横移轴上的伺服电机，从而带动夹爪点动运行到控制点位，包含夹爪等待位、抓取位、横移位、旋转位及放料位，并经过示教将各点位脉冲当前值保存到相应的、具有断电保存功能的数据寄存器中。示教完成后，夹爪先返回原位，再按照控制点位顺序运动，并完成指定的搬运动作，再进行复位操作，如此循环往复。其中，升降轴1伺服示教程序及其动作流程如下图8、9所示。图8轴1伺服示教程序3.1.4装箱控制系统的伺服运动装箱控制系统的伺服运动方式是在其高速输出端向伺服驱动器发出定位脉冲指令，其运动距离取决于发出的脉冲数量，运动速度取决于脉冲频率。对于伺服驱动器而言，会接收到伺服电机的脉冲编码器输出的位置脉冲反馈，构成一个半闭环的位置控制系统；对于控制器PLC而言，PLC发出的定位脉冲数与工作台的运动位置是严格对应的，PLC通过自身发出的定位脉冲数，间接测得工作台的当前位置。在本系统中，升降轴1、2控制夹爪的升降，横移轴控制夹爪在钢瓶及纸箱传送带间的行走，PSTRT是定位启动的专用指令，是向轴1点1、轴1点2、轴1点3、轴1点4，轴2点1、轴2点2、轴2点3、轴2点4，轴3点1、轴3点2、轴3点3等发送定位启动指令，从而完成输送钢瓶、抓取钢瓶到钢瓶装箱整个周期的全自动运行，也包含出现异常时的自动处理、箱少自动补箱等操作。其中，以升降轴1点1的定位启动程序为例，如下图10所示进行说明。图10轴1点1的定位启动程序在传统的钢瓶装箱路径下，一个工作周期内钢瓶装箱的动作流程如下：①1#夹爪、2#夹爪、3#夹爪、4#夹爪先在钢瓶上方的等待位处等待，直到传感器检测到四个钢瓶的到位信号，升降伺服电机1、2开始反转，控制夹爪垂直向下运动到抓取位后，夹爪夹紧钢瓶；②升降伺服电机1、2开始正转，控制夹爪垂直向上运动到旋转位；③升降伺服电机1、2停止运转，横移伺服电机开始正转，控制夹爪向纸箱侧运动直至纸箱正上方；④横移伺服电机停止运转，升降伺服电机1、2开始反转，控制夹爪向下运动并深入纸箱中，直至夹爪运动到装箱位，升降伺服电机1、2停止运转，夹爪松开；⑤升降伺服电机1、2正转，控制夹爪向上运动到纸箱上方与钢瓶等待位处于同一水平高度的位置，此时升降伺服电机1、2停止运转；横移伺服电机开始反转，控制夹爪运动到钢瓶正上方的等待位，装箱控制系统停止运行；⑥此时，钢瓶自动装箱的一个工作周期完成。若按传统的钢瓶装箱路径，重复上述动作数次，并记录一个工作周期内钢瓶自动装箱的时间，从而计算出在传统的钢瓶装箱路径下，完成上述一个工作周期所需要的平均时间。为了进一步提高自动化包装生产线的装箱效率，通过伺服反复示教的方法，多次记录夹爪不同的等待、抓取、横移、旋转及放料位置，最终确定了一个较优的钢瓶装箱路径。在该较优的钢瓶装箱路径下，升降伺服电机1、2对应点位的脉冲量分别如下：钢瓶上方等待位的目标坐标为250628PLS，钢瓶抓取位的目标坐标为286000PLS，钢瓶横移位的目标坐标为188647PLS，钢瓶可旋转安全位的目标坐标为77617PLS，放料位的目标坐标为384000PLS；横移伺服电机对应点位的脉冲量分别如下：纸箱线上方放置点的目标坐标为-154639PLS，钢瓶线上方放置点的目标坐标为-1905PLS。同时记录在该路径下，一个工作周期钢瓶自动装箱时间的实验数据，如下表1所示。表1一个工作周期钢瓶自动装箱时间将表格中上述8个实验数据绘制出如下图所示的图像，如下图11所示。图11一个工作周期钢瓶自动装箱时间根据上述实验数据可以得出，在较优的钢瓶装箱路径下，完成一个工作周期所需的平均时间约为13.9s，相较于传统的钢瓶装箱路径，进一步缩短了装箱时间，并且该系统可以在1分钟内完成16个钢瓶入箱的工作任务，满足了自动化生产线的节拍。3.2装箱控制系统的可视化监控触摸屏主要用于对整个装箱控制系统运行过程的可视化监控，分为手动和自动运行，其中手动运行用于调试、复位或检修操作，自动运行用于正常生产[14]。该系统主要包含系统控制、参数设置、I/O监控、诊断报警等功能[15]，并需要在UtilityManager软件上添加相应的画面，放置状态切换开关、位状态指示灯、显示框、以及文本框等控件[16]；然后对其进行相应的编辑设计和属性设置；最后将编辑好的画面进行离线仿真，来确保每个控件可以正常切换使用，以便实时显示夹爪的运行状态、位置坐标等数据信息。若系统出现故障，人机交互界面上会显示相应的报警提示。以手动、自动及参数设置界面为例，其HMI离线仿真界面如下图12所示。图12HMI离线仿真界面4装箱控制系统的实验测试装箱控制系统的软、硬件设计完毕后，再结合总体电路接线图完成伺服部分以及其他电气部件的接线。通电后，首先对伺服驱动器进行参数配置，将伺服参数传入伺服驱动器中，再通过工控机分别将PLC程序和HMI界面下载到控制器PLC和触摸屏上，实现PLC与HMI间的通讯；然后在PLC控制器上完成参数设定，将升降伺服电机1、2起动速度的脉冲输出量设定为100000Hz，加减速度设定为350Hz/ms；横移伺服电机起动速度的脉冲输出量设定为85000Hz，加减速度设定为400Hz/ms，并设定升降伺服电机1、2及横移伺服电机的正、负限位和原点位置。根据自动化生产线的加工顺序在触摸屏上进行动作编辑，对每个I/O点和PLC程序模块进行调试。在调试过程中，其操作指令由HMI发出，从而控制升降伺服电机1、2，横移伺服电机以及夹爪的夹紧、松开状态。通过伺服反复示教获得夹爪等待位、抓取位、横移位、旋转位及放料位等位置点的信息后，并保存各位置点在示教过程中的脉冲数据信息。其中，在自动运行状态下的参数设置界面中，各关键点坐标位置信息如下图13所示。图13示教过程中关键点坐标经过一段时间的生产使用，装箱控制系统可以很好地实现三轴联动、手动运行、自动运行等功能，较好地完成装箱工作；并且采用伺服反复示教的方法来改变各控制点位的脉冲量，在保证生产线不间断运行的同时，可以进一步提高自动化包装生产线的钢瓶装箱效率，从而提高生产效益。结语根据自动化包装生产线的工作要求，对其装箱控制系统进行设计，并采用“PLC+HMI”的上、下位机控制模式，以HMI作为上位机，实现对系统运行状态的可视化监控,以PLC作为下位机，实现对系统的精准位置控制。实验表明，该装箱控制系统不仅能够高速、高精度控制夹爪运行，还能实时监控夹爪的运行状态，实现16个钢瓶/min的装箱速度，满足设计要求和实际应用，为自动化包装生产线提供了解决方案，可以在智能工厂中得到广泛运用。

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