步進(jìn)式自動封口機(jī)控制系統(tǒng)的研制

摘? 要：步進(jìn)式自動封口機(jī)是一套12工位的封口設(shè)備，針對玻璃真空管封口工序而研制，由封口主機(jī)、供件輔機(jī)和出件輔機(jī)以及控制系統(tǒng)所組成，整套設(shè)備只需上管和下管兩名工人操作即可完成。文章敘述了自動封口機(jī)控制系統(tǒng)的研制過程，主要包括封口機(jī)結(jié)構(gòu)、控制要求，控制方案、PLC以及外圍硬件的選擇等內(nèi)容，其中工件內(nèi)外管的同步旋轉(zhuǎn)和退火燈頭的定位采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，并選用觸摸屏作設(shè)備監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：封口機(jī);硬件;PLC;步進(jìn)電機(jī);觸摸屏

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）06-0050-05

Development of Control System of Stepping Automatic Sealing Machine

ZHANG Shengyun

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou? 253034， China）

Abstract： The stepping automatic sealing machine is a set of 12 station sealing equipment， which is developed for the sealing process of glass vacuum tube. It is composed of sealing host， feeding auxiliary machine， outgoing auxiliary machine and control system. The whole set of equipment can be completed by only two workers perform on and off the tube. This paper describes the development process of the control system of the automatic sealing machine， mainly including the structure of the sealing machine， control requirements， control scheme， PLC and the selection of peripheral hardware. The synchronous rotation of the inner and outer tubes of the workpiece and the positioning of the annealing lamp cap use the stepping motor as the driving motor， and the touch screen as the equipment monitoring.

Keywords： sealing machine; hardware; PLC; stepping motor; touch screen

0? 引? 言

步進(jìn)式自動封口機(jī)是，玻璃真空管是太陽能集熱器的核心部件，用量巨大，由于人工封口的速度慢、成本高、封接質(zhì)量不穩(wěn)定等因素，研制一臺高產(chǎn)能、高效率、高質(zhì)量的自動封口設(shè)備非常必要。

目前真空管生產(chǎn)過程的燈工接尾管、封口和排氣、封離等工序，其中燈工接尾管、排氣、封離等都陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，只有封口工序大多采用單體封口機(jī)封口，靠人工操作，對封口工人的技術(shù)要求較高，經(jīng)常因操作技藝和封接手法差異影響到管口形狀和封接質(zhì)量，且用工量大，生產(chǎn)效率低，已成為真空管生產(chǎn)線全自動生產(chǎn)的瓶頸問題。自動封口機(jī)的研制不僅能取代人工封口實(shí)現(xiàn)真空管封口工序的自動化，而且還為玻璃真空管的全自動生產(chǎn)創(chuàng)造了可能。

步進(jìn)式封口機(jī)是一套12工位的自動封口設(shè)備，它取代了單體封口機(jī)的手工作業(yè)模式，封口過程實(shí)現(xiàn)了自動化，其間只需上管和下管兩名操作工人的簡單勞作即可。自動封口機(jī)控制系統(tǒng)的試制成功，為玻璃真空管整條生產(chǎn)線的全自動生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

1? 封口機(jī)構(gòu)成及控制要求

1.1? 封口機(jī)構(gòu)成

步進(jìn)式封口機(jī)是一套12工位的自動封口設(shè)備，由一臺主機(jī)和兩臺輔機(jī)及控制系統(tǒng)構(gòu)成。

主機(jī)：實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)外管同心、同步旋轉(zhuǎn)完成封口機(jī)封口后退火，由機(jī)架，同步旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，封口和退火機(jī)構(gòu)，進(jìn)管系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)，控制系統(tǒng)構(gòu)成。封口主機(jī)上部裝有12支可轉(zhuǎn)動支撐底座，封口模具驅(qū)動裝置，機(jī)械手轉(zhuǎn)動軸裝置，氣缸驅(qū)動機(jī)體進(jìn)退。

供件輔機(jī)：將人工裝擺的12支未封口管移送至主機(jī)后返回初始位置，由機(jī)架、工件支撐座、傳輸和升降機(jī)構(gòu)組成。

出件輔機(jī)：將主機(jī)封好口的工件移送到下件位置，人工下管后準(zhǔn)備下一循環(huán)，機(jī)構(gòu)同供件輔機(jī)同軌道相向運(yùn)行。

控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)封口機(jī)自動運(yùn)行控制及本技術(shù)要求提出的輸送、位置、旋轉(zhuǎn)、加熱、封口等控制。

圖1為封口主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中以6工位示意。

1.2? 封口機(jī)工藝過程

供管輔機(jī)人工上管12支—按下啟動按鈕—供管機(jī)輸送到封口主機(jī)—12支管子平落在封口機(jī)轉(zhuǎn)動軸—供管機(jī)自動返回—機(jī)械手固定內(nèi)管、外管—內(nèi)外管同步旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)火加熱，封口模具封口，降溫退火—停止轉(zhuǎn)動，機(jī)械手退出—退火時(shí)出管輔機(jī)進(jìn)至主封口機(jī)下—退火停，輔機(jī)上托盤上升，移出管子—進(jìn)入下一循環(huán)。

1.3? 封口機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)要求

（1）工件加熱過程中要求內(nèi)外管同步旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速可調(diào)。B2E4DCE8-F4BA-4326-AEF4-D3D14658842B

（2）燈頭移動要求定位控制，定位精度0.1 mm，可重復(fù)定位，且位置可調(diào)。

（3）供管輔機(jī)與出管輔機(jī)要求正反兩方向運(yùn)行，速度可調(diào)，減速制動停車，定位精度2 mm。托架要求可托起和落下，即可逆運(yùn)行，且有行程限制?；ユi關(guān)系：出管輔機(jī)沒有退出，供管輔機(jī)不能進(jìn)入，防止撞車。

（4）供管輔機(jī)人工裝管，按鈕啟動輔機(jī)運(yùn)行，互鎖關(guān)系：定位板不移開輔機(jī)不能運(yùn)行或一鍵開關(guān)延時(shí)運(yùn)行。

（5）工件機(jī)械手與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)互鎖關(guān)系：機(jī)械手未固定好工件，工件不能轉(zhuǎn)動，不能點(diǎn)火，封口后工件停止轉(zhuǎn)動后機(jī)械手才能退出，同時(shí)機(jī)械手沒有退出，出件輔機(jī)不能動作。

2? 控制方案的確定

根據(jù)以上控制要求，內(nèi)外管旋轉(zhuǎn)要求“工件加熱過程中內(nèi)外管同步旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速可調(diào)”，綜合比較交流異步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)三種調(diào)速系統(tǒng)的性能以及性價(jià)比，最終選擇步進(jìn)電機(jī)配步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動;燈頭移動要求“定位控制，定位精度0.1 mm，可重復(fù)定位，且位置可調(diào)”，比較步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)兩種系統(tǒng)在定位方面的性能、性價(jià)比以及步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)的“間隙補(bǔ)償”功能，燈頭移動也選用步進(jìn)電機(jī)配步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動;供管輔機(jī)與出管輔機(jī)要求“正反兩方向運(yùn)行，速度可調(diào)，減速制動停車，定位精度2 mm”，輸送機(jī)構(gòu)選用三相籠型異步電動機(jī)配變頻器驅(qū)動，用接近開關(guān)配合位置控制;兩輔機(jī)的托架要求“可托起和落下，且有行程限制”，選用三相籠型交流異步電動機(jī)驅(qū)動配交流接觸器控制，并配制動裝置。主機(jī)上的機(jī)械手、封口模具、機(jī)頭、機(jī)尾以及托架的移動都采用氣缸驅(qū)動，用電磁閥控制。融封和退火采用電磁閥控制。

核心控制采用PLC完成，一臺PLC控制封口機(jī)從上管、輸送、封口再到輸送、出管的整個(gè)生產(chǎn)過程。利用觸摸屏作為機(jī)界面監(jiān)控封口機(jī)生產(chǎn)過程以及參數(shù)設(shè)置。

封口機(jī)控制系統(tǒng)方案如圖2所示。

3? PLC及外圍元器件的選取

3.1? 工件旋轉(zhuǎn)電機(jī)及驅(qū)動器

封口機(jī)內(nèi)外管旋轉(zhuǎn)電機(jī)選擇Kinco步進(jìn)電機(jī)，型號為2S130Y-063R8，40 nm，7.0 A，1.8°/STEP。2S130Y-063R8是Kinco130法蘭系列兩相步進(jìn)電機(jī)，保持轉(zhuǎn)矩為40 N·m，相電流最高為7.0 A，轉(zhuǎn)子慣量為48.4 Kg · cm2，電機(jī)軸徑為19毫米，步距角為1.8°±5%。最大徑向負(fù)載為220 N，最大軸向負(fù)載為60 N。電機(jī)矩頻特性如圖3所示。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器選用Kinco，型號2M2280。從電機(jī)矩頻特性圖中可以看出在2M2280N的驅(qū)動下，電機(jī)的矩頻特性較好。2M2280N可直接接入單相220 V交流電網(wǎng)，可驅(qū)動130系列步進(jìn)電機(jī)，有過壓保護(hù)功能和欠壓保護(hù)功能，如果電壓高于395伏，就會開啟過壓保護(hù)，如果電壓小于200伏就會開啟欠壓保護(hù)。2M2280N具有驅(qū)動器試運(yùn)行功能、相位記憶功能、自動半流功能和微步濾波功能，可以減少電機(jī)運(yùn)動瞬變，使電機(jī)運(yùn)行更加平滑。2M2280N有12檔細(xì)分，本設(shè)備選擇8細(xì)分驅(qū)動2S130Y-063R8電機(jī)。2M2280N驅(qū)動器實(shí)物圖如圖4所示。

3.2? 退火燈頭移動電機(jī)及驅(qū)動器

退火燈頭移動電機(jī)選用Kinco步進(jìn)電機(jī)，型號為2S86Q-030B8，8.5NM，6.0A，1.8°/STEP。2S56Q-02054同樣為兩相細(xì)分型電機(jī)，它的步距角為1.8°±5%，相電流為3.0 A，保持扭矩為0.9 nm，阻尼扭矩為0.04 nm，相電阻為0.65%±10%，軸向負(fù)載15 N，徑向負(fù)載75 N。

2S56Q-02054需要兩相細(xì)分型驅(qū)動器驅(qū)動，退火燈頭移動電機(jī)驅(qū)動器選用步科型號2M860。2M860驅(qū)動器供電電壓在直流24 V到80 V之間，輸出相電流為2.5 A到6.0 A，控制信號輸入電流為6到16 mA，冷卻方式為自然風(fēng)冷，重量0.7 kg，具有過壓、過流、錯(cuò)相、輸出短路保護(hù)功能。2M860型號的電機(jī)驅(qū)動器最大供電電壓可達(dá)到220 V，提供給電機(jī)更好的高速啟動功能。2M860驅(qū)動器中含有細(xì)分選擇開關(guān)，選擇8細(xì)分來驅(qū)動電機(jī)。2M860驅(qū)動器實(shí)物圖如圖5所示。

3.3? 供管、出管輔機(jī)傳輸電機(jī)及變頻器

選用帶電磁制動的三相異步電動機(jī)YEJ801-4，0.55 kW，1.9 A，制動線圈勵(lì)磁電壓99 V。變頻器選用CHZIRI（紫日）變頻器，型號ZVF9V-G0015T4，功率1.5 kW，3 PH，3.7 A。

3.4? 供管、出管輔機(jī)托架電機(jī)及接觸器

上管托架及下管托架升降采用帶電磁制動的三相交流異步電動機(jī)，電機(jī)型號：Y2EJ71M2-4，0.37 kW。交流接觸器：選用施耐德交流接觸器，LC1-DO9M7C-LADN01C AC220，采用施耐德斷路器C65N-D2A 3P，作電機(jī)保護(hù)。

3.5? PLC及擴(kuò)展模塊

首先，通過性能對比選擇性價(jià)比更好的PLC。經(jīng)對比西門子S7-200SMART系列、三菱FX3U系列以及歐姆龍CP1H三款PLC，西門子S7-200SMART及三菱FX3U系列PLC，其基本模塊只有一軸脈沖輸出，只能控制1臺步進(jìn)電機(jī)，若控制3臺，必須再選定位模塊，而歐姆龍CP1H系列PLC其基本模塊具有四軸脈沖輸出，可以控制4臺步進(jìn)電機(jī)，更符合控制要求。所以選用歐姆龍CP1H系列PLC，型號確定為CP1H-X40DT-D。

歐姆龍 CP1H-X40DT-D的電壓電源為直流24 V供電，輸入繼電器24點(diǎn)，輸出繼電器16點(diǎn)，消耗功率50 W以下，擁有標(biāo)配4軸的脈沖輸入功能，可實(shí)現(xiàn)4軸脈沖輸出，可高精度定位控制，高速計(jì)數(shù)器功能，可以一臺實(shí)現(xiàn)多軸控制，最多有8點(diǎn)的中斷輸入控制，另置串行通信功能，RS232C和RS485可任意選擇，標(biāo)配USB外設(shè)端口。本設(shè)備CP1H-X40DT-D通過串口通信線RS232C與人機(jī)界面連接。B2E4DCE8-F4BA-4326-AEF4-D3D14658842B

其次，選擇PLC擴(kuò)展模塊。

所用控制按鈕、各種位置檢測開關(guān)、傳輸用控制開關(guān)等總計(jì)輸入點(diǎn)數(shù)52點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、變頻器、所有氣缸用電磁閥、指示燈等總計(jì)輸出點(diǎn)數(shù)46點(diǎn)。

CP1H-X40DT-D型 PLC基本模塊有輸入24點(diǎn)，輸出16點(diǎn);需增加擴(kuò)展模塊CPM1A-40EDR，1塊，輸入24點(diǎn)，輸出16點(diǎn);擴(kuò)展模塊CPM1A-20EDR1，1塊，輸入12點(diǎn)，輸出8點(diǎn);擴(kuò)展模塊CPM1A-8ET，2塊，每塊輸出8點(diǎn)。總計(jì)輸入60點(diǎn)，冗余8點(diǎn);輸出56點(diǎn)，冗余10點(diǎn)。

3.6? 觸摸屏

工藝要求部分參數(shù)可以調(diào)整：如融封時(shí)間0～60 s;模具成型時(shí)，氣缸停頓時(shí)間0～2? s;退火時(shí)，退火時(shí)間0～120? s。燈頭移動位置，工件旋轉(zhuǎn)速度0～120 rps可調(diào)，同時(shí)整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可以監(jiān)控。故配置觸摸屏一塊，選用Kinco觸摸屏，型號 MT4300C。

Kinco MT4300C顯示尺寸為 5.6" TFT，存儲器為128 MB 閃存、64 MB內(nèi)存，程序下載方式可以為USB方式和RS232/RS485-2/RS485-4，COM1：RS232/RS485-2/RS485-4串口通信方式，顯示色彩65536彩色，MT4300C人機(jī)界面性能穩(wěn)定、安全可靠、屏幕分辨率極高，會使畫面看起來更加清晰美觀。

4? 封口機(jī)控制系統(tǒng)圖

由于篇幅有限，只介紹封口主機(jī)部分控制系統(tǒng)圖。

4.1? 封口主機(jī)控制系統(tǒng)主電路

因?yàn)榉饪跈C(jī)所有電磁閥、燈頭移動電機(jī)驅(qū)動器2M860、PLC以及觸摸屏的均需要24 V直流電源作工作電源，同時(shí)考慮他們各自工作的獨(dú)立性，從而分別配置AC220V/DC24V的開關(guān)電源模塊，將220 V交流電變?yōu)?4 V直流電源。

4.1.1? 斷路器

整套封口機(jī)配置一臺總電源開關(guān)短路器QF1，兩臺工件旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動器2M2280N工作電源采用單相220 V交流電，并且自身具備過載及短路保護(hù)，但考慮用電安全分別為其配置獨(dú)立的兩相斷路器，做電源隔離以及雙重保護(hù)之需要，通過ACL、CAN與兩相斷路器連接。同理，三個(gè)開關(guān)電源模塊也分別配置兩相斷路器方便隔離電源和雙重保護(hù)。

4.1.2? 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與電機(jī)的連接

三臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的A+、A-、B+、B-分別連接各自電機(jī)的四個(gè)端口A+、A-、B+、B-。

封口主機(jī)控制系統(tǒng)主電路如圖6所示。

4.2? 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與CP1H-X40DT-D型PLC的信號連接

4.2.1? 工件內(nèi)管電機(jī)驅(qū)動器2M2280N與PLC的信號連接

工件內(nèi)管電機(jī)驅(qū)動器2M2280N的PLS1+、DIR1+端口接+24 V電源，PLS1-接到PLC的輸出Q00端口，DIR1-接到PLC的輸出Q02端口。外管電機(jī)驅(qū)動器2M2280N的PLS2+、DIR2+端口接入+24 V電源，PLS2-接到PLC的輸出Q01端口，DIR2-接到PLC的輸出Q03端口。工件內(nèi)外管電機(jī)驅(qū)動器與PLC連接圖如圖7所示。

4.2.2? 燈頭移動電機(jī)驅(qū)動器2M860與PLC的信號連接

燈頭移動電機(jī)驅(qū)動器2M860的PLS3+、DIR3+端口接入+24 V電源，PLS3-接到PLC的輸出Q04端口，DIR3-接到PLC的輸出Q05端口。燈頭移動電機(jī)驅(qū)動器與PLC連接圖如圖8所示。

5? 結(jié)? 論

隨著后期程序設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試及試生產(chǎn)，步進(jìn)式自動封口機(jī)得以研制成功，并投入生產(chǎn)。其工作穩(wěn)定，用工少，效率高，產(chǎn)能高，單管成本得到下降，加上燈頭火焰的自動控制，封口總成本下降約30%。

另外，值得分享的一點(diǎn)是封口機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分除去PLC考慮4軸驅(qū)動要求選用歐姆龍的CP1H外，其余硬件全部選用國產(chǎn)品牌，并且經(jīng)過試制以及一段時(shí)間的試運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。從而也看出我們國家科技的發(fā)展與進(jìn)步，一些國產(chǎn)品牌的性能和質(zhì)量完全不遜于國外發(fā)達(dá)國家的知名品牌，也借此機(jī)會建議大家選用國產(chǎn)品牌。

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作者簡介：張勝云（1965—），女，漢族，河北深州人，高級工程師，本科，研究方向：工業(yè)控制、節(jié)能技術(shù)。

收稿日期：2022-02-15B2E4DCE8-F4BA-4326-AEF4-D3D14658842B