陳銳鴻

（華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，花都 510800）

0 引言

自動堆疊機(jī)（Automatic stacking machine，ASM）是將片狀的產(chǎn)品整齊地按數(shù)量堆疊在一起，然后送入包裝機(jī)的全自動堆疊設(shè)備?？梢酝瓿捎∷⑵?、紙片、宣傳單等片狀工件堆疊。它是生產(chǎn)線上重要的一個包裝環(huán)節(jié)，需要對產(chǎn)品進(jìn)行整齊按數(shù)量堆疊，由于生產(chǎn)，速度快，ASM需要堆疊動作。自動堆疊機(jī)的應(yīng)用范圍在于制造業(yè)的末端提高產(chǎn)品的堆疊自動化水平，減少勞動力和減輕操作者的勞動強(qiáng)度，提高堆疊的準(zhǔn)確性。在高速運(yùn)行的生產(chǎn)線上，高效率的堆疊機(jī)是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不可或缺的一環(huán)。本文所設(shè)計的堆疊機(jī)器可運(yùn)用于印刷、制藥、包裝等行業(yè)。其結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)，適用性廣[1]。

圖1 ASM機(jī)構(gòu)組成

1 系統(tǒng)組成與功能介紹

圖1為ASM系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)組成部分，主要組成部分包括：傳送帶、疊取托盤、工件擋板、升降接料臺、耙式推桿、氣動元件等[2]。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)的基本組成

ASM系統(tǒng)的主控器采用PLC控制，控制器采用三菱FX3UPLC，配置威綸通MT6071 iE觸摸屏，用于操作設(shè)備和顯示設(shè)備的計數(shù)及設(shè)備故障。系統(tǒng)將疊取、整送、升降三個伺服驅(qū)動器分別接入到PLC的Y0、Y1、Y2口，由PLC自帶的定位功能控制伺服電機(jī)。采用FX2NDA模塊作為變頻器的速度控制端，將速度轉(zhuǎn)換成模擬量輸出至變頻器，實(shí)現(xiàn)變頻器的調(diào)速[3]。表1是各個電氣硬件的選型。

機(jī)器使用一個急停按鈕，自動啟動和停止按鈕設(shè)計到人機(jī)界面中，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。傳感器按照表格接入到PLC的輸入端。選擇FX3UPLC可以控制三個伺服電機(jī)，通過三菱PLC自帶的定位模塊，能夠快速地進(jìn)行編程，配件成本較低。圖2為ASM控制系統(tǒng)原理圖。

表1 電氣硬件選型清單

圖2 控制原理圖

2.2 PLC程序的設(shè)計

系統(tǒng)選用了48點(diǎn)的三菱PLC，PLC有24個輸入點(diǎn)和24個輸出點(diǎn)，PLC的物理地址分配如表2所示。

3 PLC程序設(shè)計

堆疊機(jī)程序按功能分為：復(fù)位功能、自動功能、手動功能、系統(tǒng)報警、參數(shù)設(shè)置功能、計數(shù)功能。

3.1 復(fù)位

原點(diǎn)回歸是指取得三個伺服的機(jī)械原點(diǎn)，程序中采取三菱PLC的DZRN回歸機(jī)械原點(diǎn)指令，當(dāng)搜索到原點(diǎn)時，伺服的當(dāng)前脈沖計數(shù)清零。伺服回歸過原點(diǎn)的標(biāo)志置位，以此作為自動程序啟動的必要條件。升降伺服的回歸原點(diǎn)標(biāo)志為M151，疊取伺服的歸零標(biāo)志為M150，整送伺服的歸零標(biāo)志為M152，每次斷電重啟后，歸零標(biāo)志會復(fù)位，以此要求設(shè)置啟動前必須進(jìn)行復(fù)位操作。保證三個伺服的機(jī)械位置符合啟動要求。在伺服復(fù)位時，由于機(jī)械干涉，必須升降伺服下降至安全調(diào)試，將推桿先復(fù)位，方能進(jìn)行升降回歸原點(diǎn)，防止推桿在打開狀態(tài)下升降，撞到托盤，發(fā)生設(shè)備損壞。

為準(zhǔn)確地找到機(jī)械原點(diǎn)，保證每次的機(jī)械原點(diǎn)是一致的，因此，回原點(diǎn)的速度是一定的。在回歸原點(diǎn)時，需要將伺服向前移動一段距離，然后再以原點(diǎn)速度回歸原點(diǎn)，以此保證每次的原點(diǎn)位置都是一致的。

表2 PLC I/O地址表

3.2 手動功能

堆疊機(jī)的控制對象主要是三個伺服、兩個氣缸、一個變頻器。ASM運(yùn)行的精度要求高，需要對各個對象的手動功能進(jìn)行嚴(yán)格的條件限制，防止出現(xiàn)意外，切換到手動模式后，系統(tǒng)可以控制各個單元的手動動作。

手動功能有進(jìn)料輸送帶的啟動、整送出料、疊取出料、升降臺控制、產(chǎn)品擋板控制、推料桿的控制。手動是在手動模式下，對單個執(zhí)行單元進(jìn)行控制，手動與自動必須要自鎖，自動模式下不能進(jìn)行手動操作。手動模式下，自動不能啟動。圖3是疊取伺服的手動控制設(shè)計。

圖3 疊取伺服手動控制程序

3.3 緊急停止功能

緊急停止是在設(shè)備出現(xiàn)故障或者人工干涉的情況下緊急停止設(shè)備的運(yùn)行，以保障設(shè)備和操作人員的安全的功能。緊急停止分為人工操作緊急停止和系統(tǒng)故障急停，人工操作的急停包括安全門打開、急停按鈕按下，系統(tǒng)故障急停包括變頻器過載、伺服故障、傳感器故障、氣壓報警。在設(shè)備運(yùn)行前，須將原有的故障清除方能再次啟動，如果設(shè)備運(yùn)行中了故障，則系統(tǒng)必須立即停機(jī)，并接受故障的排除。ASM系統(tǒng)的急停使用M601作為條件，M601觸發(fā)，則系統(tǒng)立刻停機(jī)。

3.4 堆疊自動程序

ASM系統(tǒng)要求堆疊每個產(chǎn)品的周期小于1S，因此需要快速地完成堆疊，在每堆的交接時，需要快速的整送出來，并返回到疊取的初始條件。為方便不同產(chǎn)品的堆疊，系統(tǒng)將參數(shù)設(shè)置成可調(diào)，速度及位置皆可在觸摸屏上設(shè)置，并根據(jù)產(chǎn)品編號保存參數(shù)，方便以后的調(diào)用。自動啟動后，傳送帶根據(jù)設(shè)置的速度啟動運(yùn)行，產(chǎn)品通過傳送皮帶將工件往前送。在堆疊程序中，使用的是絕對坐標(biāo)指令，將固定的位置通過DDRVA指令發(fā)送出去。

在生產(chǎn)線上的片狀工件生產(chǎn)完成后由傳送帶傳輸過來，現(xiàn)有的生產(chǎn)車間很多都是人工將工件分揀和計數(shù)，并堆疊在一起，然后進(jìn)行包裝。ASM的工作流程如下：產(chǎn)品的傳送帶①對接上游生產(chǎn)線，將工件引入到堆疊機(jī)。皮帶的傳送速度需要與上一工位的生產(chǎn)速度一致，根據(jù)工件的不同，傳送帶運(yùn)行速度可調(diào)。當(dāng)傳送帶向前移動，工件到達(dá)到料傳感器⑦后，疊取伺服電機(jī)⑨啟動，將工件向前托送出來，達(dá)到工件的距離時，托盤停止，延時后撕開擋板⑤，托盤回撤原點(diǎn)。工件掉到升降臺上，同時升降臺下降工件的厚度，而托盤回撤到原點(diǎn)，然后前往預(yù)接料位置，擋板關(guān)閉。重復(fù)以上動作，當(dāng)工件達(dá)到設(shè)定的計數(shù)后，升降伺服電機(jī)下降至推桿③打開的安全高度，并打開推桿，整送伺服電機(jī)啟動，將工件快速送出，送出后，推桿縮回，升降臺上升到接料位置，整送的動作要求在產(chǎn)品的一個生產(chǎn)周期內(nèi)完成。

3.5 系統(tǒng)報警功能

系統(tǒng)的報警分為變頻器故障報警、氣缸超時報警、伺服故障報警和進(jìn)料報警等。報警時，系統(tǒng)停機(jī)，且蜂鳴器響。

4 機(jī)器關(guān)鍵技術(shù)介紹

4.1 模擬量控制變頻器速度方法

變頻器的速度調(diào)節(jié)使用FX2NDA模擬量模塊，電機(jī)在50Hz的額定轉(zhuǎn)速是1300r/min，需要通過計算將速度轉(zhuǎn)換成模擬量輸出到變頻器。

ASM交流電機(jī)的減速比是1:9，帶輪直徑是100mm，電機(jī)在額定頻率50Hz的運(yùn)行下，轉(zhuǎn)速為1300r/min，則50Hz頻率下電機(jī)21.67轉(zhuǎn)每秒，則50Hz頻率時皮帶的速度為21.67×3.14159×100/9=756.3mm/s，由此選出1Hz頻率時皮帶的速度為15.13mm/s。

假如需要設(shè)定的皮帶速度為V，則需要運(yùn)行的頻率為V/15.13Hz。當(dāng)模擬量輸出10V時，它的頻率為50Hz，由于頻率與模擬量輸出電壓成正比，推算得出當(dāng)皮帶速度為V時需要輸出的電壓值V/15.13×10/50，再通過模擬量輸出10V時，它的模擬量為4095，換算出當(dāng)設(shè)定速度為V時，需要輸出的模擬量為4095×V/15.13/50，將此模擬量通過PLC發(fā)送到FX2NDA，可以使用變頻器的速度調(diào)節(jié)。

4.2 伺服位移精確控制方法

PLC通過脈沖發(fā)送端發(fā)送脈沖到伺服驅(qū)動器，由于Fx3UPLC自帶的脈沖發(fā)送端口最高頻率是100kHz，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)傳動比確定速度和位移[4]。在控制時需要將速度和位移轉(zhuǎn)換為脈沖發(fā)送到伺服驅(qū)動器。轉(zhuǎn)換的比例可以計算得出或者從執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端反推得出。

例如：伺服電機(jī)的編碼器分辨率是2500ppr，電子齒輪比設(shè)為5:1，在編號器的型號和電子齒輪比固定的情況下，位移與脈沖比可以使用兩種方法得出。一是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動比計算得出。另一種方法是在已設(shè)定電子齒輪比的情況下，由PLC發(fā)送10000個脈沖，通過測量控制對象的位移計算出位移與脈沖之比。在機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況下，可以采用這種方法測量得出。

4.3 參數(shù)設(shè)置及參數(shù)保存

產(chǎn)品不同，它的參數(shù)也不盡相同，系統(tǒng)將參數(shù)存儲至PLC的數(shù)據(jù)寄存器里面，如圖4所示。需要時只要輸入程序代碼，則可自動調(diào)出程序的參數(shù)，使用DMOV指令將數(shù)據(jù)保存和調(diào)用。

圖4 參數(shù)編輯界面一

5 結(jié)束語

自動堆疊機(jī)是基于三菱FX3UPLC和威綸通觸摸屏技術(shù)為核心的自動化設(shè)備，設(shè)備可堆疊多種產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣。設(shè)備各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)緊湊，自動化程度高，經(jīng)過生產(chǎn)運(yùn)行，功能穩(wěn)定。解決了生產(chǎn)線末端產(chǎn)品的歸整難題，有效地減少了勞動力投入，提高了生產(chǎn)的效率[5]。設(shè)備投入應(yīng)用后，運(yùn)行穩(wěn)定，堆疊質(zhì)量高。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都符合客戶的要求，實(shí)現(xiàn)了堆疊的自動化，同時該設(shè)備可以對接后續(xù)的自動打包機(jī)等設(shè)備，它的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著[6]。

[1]李湘?zhèn)?劉尉.基于PLC控制的全自動在線清洗系統(tǒng)的設(shè)計[J].食品與機(jī)械,2015,31(06):120-123.

[2]關(guān)明,周希倫,等.基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2012,34(7):120-121.

[3]莊文密,周瑜,等.基于PLC的工業(yè)卷邊機(jī)智能上下料機(jī)械手設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2017,39(7):138-141.

[4]顏嘉男.伺服電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010:177-179.

[5]黃曉冉,董小雷.基于PLC上藥機(jī)械手的設(shè)計與研究[J].制造業(yè)自動化,2015,(10):107-109.

[6]劉文芳.基于PLC及觸摸屏技術(shù)的CIP清洗控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2011(3):143-144,212.