建華，張正亞，周斯加，李峰平

(溫州大學(xué)機電工程學(xué)院浙江省激光加工機器人重點實驗室，浙江溫州 325035)

基于PLC的塑料盆自動修邊機控制系統(tǒng)設(shè)計

(溫州大學(xué)機電工程學(xué)院浙江省激光加工機器人重點實驗室，浙江溫州 325035)

為解決塑料盆生產(chǎn)過程中修邊工序存在的不足，本文給出了一種基于PLC的塑料盆自動修邊機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，編制了PLC控制軟件，包含觸摸屏控制系統(tǒng)以及配套的PLC程序設(shè)計．樣機制成后，實驗表明，該自動修邊機對塑料盆的修邊效果良好．

PLC；修邊機；塑料盆；氣動控制

在工業(yè)模型制品生產(chǎn)過程中，壓模的縫隙上易形成一層流失膠，使得模型制品在邊緣產(chǎn)生“膠邊”，雖然“膠邊”問題在前期不是很明顯，但隨著模具的磨損，“膠邊”現(xiàn)象會逐漸顯現(xiàn)出來．塑料盆在生產(chǎn)中產(chǎn)生的“膠邊”，嚴(yán)重影響了其美觀以及銷售額度[1-2]．走訪很多企業(yè)后發(fā)現(xiàn)，目前市場上塑料生產(chǎn)企業(yè)對于該問題的處理方法大致分為兩種：一種是采用人工刀片處理，另一種就是不予處理．人工修邊耗時費力，效率低下，目前關(guān)于自動化修邊工藝的研究又很少[3]，因此，該問題一直困擾著塑料生產(chǎn)企業(yè)，迫切需要尋求一種自動化解決方案．本文研發(fā)的塑料自動化修邊機能很好地解決以上問題，特別是對大型塑料盆生產(chǎn)企業(yè)而言，效果更加顯著，可以有效降低勞動強度、提高生產(chǎn)效率、性價比高，適用于多類塑料制品修邊生產(chǎn)企業(yè)，具有廣闊的市場前景．

1 自動修邊機主體結(jié)構(gòu)

自動修邊機主體結(jié)構(gòu)（如圖1所示）由定位模塊機構(gòu)、送刀模塊機構(gòu)、移跺模塊機構(gòu)構(gòu)成．其中，定位模塊機構(gòu)包含托舉氣缸、步進電機、真空吸盤、空心圓筒等元件．送刀模塊機構(gòu)包含元件有升降氣缸、直線導(dǎo)軌、步進電機、絲杠等．移跺模塊機構(gòu)包含元件有無桿氣缸、抓取氣缸、真空吸盤等．修邊機結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示．

2 基于PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件的選型

系統(tǒng)PLC機選用三菱FX1N-40MT-001型，為晶體管型，共24點輸入、16點輸出，可進行高速運算．觸摸屏選用MCGS TPC1061Ti型．步進電機選用57BYG250C型，力距1.8 N·m．驅(qū)動器選用THB7128型，輸入電壓9–32V，輸出電流0.5–3.0A，最大脈沖細(xì)分25 600步/轉(zhuǎn)．限位開關(guān)選用HV-155-1C25型，氣缸磁性開關(guān)選用SMC D-A93，紅外傳感器選用E18-D80NK型．

圖1 修邊機主體結(jié)構(gòu)

圖2 修邊機結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 修邊控制系統(tǒng)工作原理

修邊機控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、定位模塊、送刀模塊、移跺模塊組成．為了實現(xiàn)各模塊的功能要求，本文將MCGS組態(tài)軟件作為上位機的監(jiān)控軟件，PLC為現(xiàn)場控制器，各限位開關(guān)、傳感器信號通過PLC送入上位機實現(xiàn)對修邊運行過程的監(jiān)測[4]．上位機將控制信號送入PLC中，各模塊功能機構(gòu)按程序要求動作，進而實現(xiàn)對修邊過程的控制[5-6]．基于PLC的修邊機電控系統(tǒng)工作原理圖如圖3．

圖3 基于PLC的修邊機電控系統(tǒng)工作原理圖

2.3 氣動系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)修邊機氣動控制功能要求，需要4個執(zhí)行氣缸，均采用雙作用氣缸，各氣缸均使用單電控二位五通電磁閥控制．真空吸盤6個，每組3個串聯(lián)，一組用于塑料盆吸緊，一組用于塑料盆的移跺，用于移跺的吸盤組帶有彈簧，可以實現(xiàn)柔性抓取，每組用一個二位三通電磁閥控制[7-9]．修邊機氣路控制回路如圖4所示．

圖4 修邊機氣路控制回路

在塑料盆被釋放自由下落堆垛的過程中，由于吸盤中真空不能被充分快速破壞[10]，導(dǎo)致盆不能及時被釋放，使得堆垛的整齊效果受到影響，故氣路中還需加上吹氣功能，如圖4中虛線框內(nèi)所示．具體方法是從二位三通電磁閥的工作口2進氣，電磁閥的工作口1與真空發(fā)生器的進氣口相連，電磁閥工作口3接到單向閥的進氣口，單向閥的出氣口與吸盤組B的進氣口連通．

2.4 電氣設(shè)計指標(biāo)及功能實現(xiàn)

1）設(shè)備工作電源電壓：220×(1±10%)V，(50±1)Hz，設(shè)備的絕緣電阻≥5 MΩ．

2）設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍：1 600–2 000個/8小時（產(chǎn)品規(guī)格在25–50 cm的情況下）．

3）修邊范圍：直徑在25–50 cm的塑料盆．

4）設(shè)備可實現(xiàn)下列功能：操作系統(tǒng)斷電保存數(shù)據(jù)、顯示送到電機的行程、電機的轉(zhuǎn)速、加工的時間、生產(chǎn)的數(shù)量、生產(chǎn)節(jié)拍以及當(dāng)設(shè)備故障時設(shè)備自動停止運行．

2.5 基于PLC的電控系統(tǒng)設(shè)計

修邊機控制系統(tǒng)是由多個元件協(xié)同工作完成，其中包括電磁閥、步進電機驅(qū)動器、PLC、二位三通閥、二位五通閥．系統(tǒng)電控設(shè)計原理圖如圖5所示，其PLC I/O分布如圖6所示，包含21個輸入點和9個輸出點．

本設(shè)計采用EPLAN電氣專用設(shè)計軟件設(shè)計，其實際接線如圖7所示．

圖5 系統(tǒng)電控設(shè)計原理圖

圖6 PLC I/O分布圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)程序流程

塑料盆修邊機的每一步動作輸出都是建立在上一個動作結(jié)果的基礎(chǔ)上，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密[11-12]．系統(tǒng)的程序連續(xù)運行流程圖如圖8所示．

圖7 實際布線圖

圖8 程序連續(xù)運行流程圖

手動程序所需的輸入按鍵均設(shè)計在觸摸屏上，具體只需要在PLC程序中設(shè)計將輔助寄存器的通斷狀態(tài)與相應(yīng)動作的執(zhí)行與否對應(yīng)起來，再在組態(tài)軟件中將虛擬按鍵動作與輔助寄存器通斷狀態(tài)聯(lián)系起來，即可方便地通過控制觸摸屏上對應(yīng)的組態(tài)元件操作來實現(xiàn)各個執(zhí)行元件的動作．

3.2 人機交互界面設(shè)計

MCGS作為上位機具備更加高效、快捷的自動化控制功能[13]．由于實時數(shù)據(jù)庫的存在，MCGS中系統(tǒng)各個部分及其各種功能性構(gòu)件可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為界面設(shè)計中參數(shù)相互調(diào)用提供了方便．本文應(yīng)用MCGS組態(tài)軟件，設(shè)計了修邊機控制系統(tǒng)操作界面[14]，如圖9所示．

圖9 塑料盆修邊機主頁面

該系統(tǒng)主要分主頁面、生產(chǎn)參數(shù)、運行參數(shù)、時序設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控、故障顯示、手動調(diào)試等七幅界面．運行參數(shù)中送刀電機的行程、轉(zhuǎn)速可根據(jù)生產(chǎn)參數(shù)中塑料盆的邊沿直徑、高度、厚度、底面直徑等參數(shù)算出，實現(xiàn)對不同規(guī)格塑料盆的參數(shù)化修邊操作[15]．同時，各界面具有輸入、調(diào)整數(shù)據(jù)或顯示數(shù)據(jù)的功能，賦予修邊機良好的交互性．該系統(tǒng)的運行參數(shù)界面如圖10所示．

圖10 運行參數(shù)界面

3.3 修邊效果

圖11所示為塑料盆在修邊前和修邊后的對比情況，結(jié)果顯示塑料盆經(jīng)過修邊后，邊沿光滑，無明顯飛邊，達(dá)到了預(yù)期的效果．

3.4 實驗論證

修邊效果如圖（11）所示．根據(jù)實際調(diào)查（臺州范圍內(nèi)），生產(chǎn)塑料盆的廠家，新員工每個塑料盆修邊的作業(yè)時間約為1分鐘，熟練的工人操作也要30–45秒鐘，一天的工作時長為8小時．在同等時間里，一個人可照看2臺修邊機，每臺修邊機對一個塑料盆修邊的作業(yè)時間為30秒．每人每天產(chǎn)量數(shù)據(jù)如下：

圖11 塑料盆修邊前后對比

機械作業(yè)的生產(chǎn)總量：T機=(8×60×60×2)/30=1 920個

手工作業(yè)的生產(chǎn)總量：T人=(8×60×60)/40=720個

數(shù)據(jù)對比：η=T機/T人=1 920/720=2.67

在同等作業(yè)時長下，手工修邊勞動強度大，人會出現(xiàn)極度疲勞，采用自動修邊機修邊，人工作業(yè)僅為送料形式，這樣不僅降低了人工作業(yè)的勞動強度，而且充分提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率．

4 結(jié) 語

本文對修邊機的主體結(jié)構(gòu)、氣動設(shè)計及PLC電氣控制設(shè)計進行了詳細(xì)闡述．本修邊機機械設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，機械加工成本低（多用標(biāo)準(zhǔn)化零件）；電氣控制采用PLC為控制主體，穩(wěn)定性高，在高頻工作條件下持續(xù)的壽命長；采用觸摸屏為人機交互界面，操作方便；修邊效果良好．采用本自動修邊機修邊，可降低人工作業(yè)的勞動強度，提高生產(chǎn)效率．本修邊機具有廣闊的市場前景．

[1] Kōh(huán)ler A, Grund P, 王啟生. 橡膠和塑料模型制品的機械修邊[J]. 橡膠參考資料, 1986(1): 43-48.

[2] 郭天軍. 熱成型塑料制品的修邊及二次加工[J]. 汽車工藝與材料, 1988(2): 20-22.

[3] 李峰平, 張正亞, 周斯加. 修邊機器人的夾緊機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及運動分析[J]. 中國機械工程, 2016(3): 387-390.

[4] 劉玥波. 基于MCGS組態(tài)軟件與PLC的輸送機保護系統(tǒng)[J]. 煤炭技術(shù), 2013(11): 228-229.

[5] 叢明, 劉冬, 杜宇, 等. PLC伺服控制在太陽能電池組件搬運機械手中的應(yīng)用[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù), 2011(9): 66-69.

[6] 于復(fù)生, 徐升明, 杜桂林, 等. 基于S7-200 PLC的散熱片自動化裝配的控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù), 2014(11): 107-109.

[7] 胡志剛. 基于S7-200 PLC的氣動機械手控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機械工程師, 2014(3): 120-121.

[8] 盧文輝. 真空式密封件切唇修邊機的研制[J]. 潤滑與密封, 2000(2): 55-57.

[9] 盧文輝. 真空式密封件切唇機的真空回路設(shè)計[J]. 機床與液壓, 1999(6): 49-50.

[10] 范增良. 剛性真空吸盤拾取性能的研究[D]. 無錫: 江南大學(xué)機械工程學(xué)院, 2012: 39-43.

[11] 張宏強, 賈存良, 薛婷. 基于PLC的掘進機電控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 工礦自動化, 2009(11): 106-108.

[12] 劉玉瓊. 基于PLC的礦山選料控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 煤炭技術(shù), 2014(33): 61-64.

[13] 袁秀英. 組態(tài)控制技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007: 145-156

[14] 胡良龍, 胡志超, 高剛?cè)A, 等. 基于PLC的種子包衣機自動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2007(8): 140-144.

[15] 談理, 龔德利. 參數(shù)化控制系統(tǒng)的研制[J]. 自動化儀表, 2005, 26(5): 20-22.

The Design of Control System for Automatic Trimming Robot of Plastic Washbasin Based on PLC

Gang Jianhua, ZHANG Zhengya, ZHOU Sijia, LI Fengping
(Zhejiang Provincial Key Laboratory of Laser Processing Robot, College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

This paper probes into a design scheme for the automatic trimming robot electric control system of plastic washbasin based on PLC. To solve the defective trimming processing in the production process, the control software is compiled including touch screen control system and the matched PLC programming. It is indicated through the prototype testing that the automatic trimming robot works well on the deburring effect of plastic basins.

PLC (Programmable Logic Controller); Trimming Robot; Plastic Washbasin; Pneumatic Control

TP273

A

1674-3563(2016)04-0054-08

10.3875/j.issn.1674-3563.2016.04.009 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：王一芳)

2016-03-27

國家國際科技合作計劃項目(0S2012ZR0038)；國家自然科學(xué)基金項目(71101112)

冮建華(1991- )，男，四川雅安人，碩士研究生，研究方向：光機電信息一體化及其系統(tǒng)可靠性技術(shù)．? 通訊作者，lfp@wzu.edu.cn