引言
随着自动控制技术的不断提高和发展，各种机床对送料装置的要求越来越高，呈现出高精度化、高速度化、高柔性化、高自动化、高可靠性等特点。全自动生产线可以改善劳动条件和生产安全，提高生产效率，稳定产品质量，降低生产成本，企业生产过程中自动化程度的要求越来越高。在我国注塑行业蓬勃发展的大环境下，很多企业提出改进传统操作工序的需求，由于目前使用的旋臂式、气动式和单轴伺服注塑机机械手不能满足某注塑厂家的特定自动送料要求，因此设计了一种多轴的卧式注塑机全自动送料系统。
1 系统构成与工作原理
该全自动送料系统将卷绕在料盘上的料带剪成单个嵌片，通过机械手将嵌片送入卧式注塑机，并将注塑好的成品取出。系统结构包括: 导料槽、剪料机构、送料机构。该系统运动可以在在垂直的 X 轴、Y 轴、Z 轴三个方向自由运动，有 X1 轴、Y1 轴、X2 轴、Z 轴、Y2 轴5 个滑台，还有 1 个可以 90°旋转的手爪。滑台均采用伺服电机驱动丝杆的传动方式，每个滑台上有 3 个位置传感器( 上限传感器、零点传感器以及下限传感器) 。系统总体结构如图 1 所示。
1． 导料槽一 2． 导料槽二 3． 剪料机构 4． X1 轴滑台
5． 取料机构 6． 接料盘 7． Y1 轴滑台 8． X2 轴滑台
9． Y2 轴滑台 10． Z 轴滑台 11． 抓料手爪
图 1 卧式注塑机全自动送料系统总体结构
料带送入导料槽后，在导料电机和齿轮将料带送到剪料盘中剪料; 剪料完成后，取料盘运动到剪料盘上方，在气缸作用下利用真空将料片吸住; 取料盘在伺服电机和升降气缸作用下将料片精确放置在嵌片接料盘上，嵌片接料盘真空发生，将料片吸住以免掉落; 料片放置后，接料盘将料片送至设定的工位，此时，嵌片接料盘上的真空破坏，抓料手爪上的真空吸盘产生真空，将四片料片吸住，并送到设定的工位，抓料手爪上有 8个真空吸盘，前 4 个是成品抓料吸盘，后 4 个是嵌片抓料吸盘，到达工位后送料真空吸盘支架翻转 90°，从水平状态翻转到竖直状态。抓料手爪如图 2 所示。
1． 成品抓料盘 2． 嵌片抓料盘 3． 翻转电机
图 2 抓料手爪
2 电气控制系统设计
整个系统由 3 台 PLC( 6ES7 226-2AD23-0XB8) 、8台伺服电机及伺服电机控制器、2 台步进电机、电磁阀和真空阀等设备组成。电气控制系统结构如图3 所示。
图 3 电气控制系统结构图
2.1 PLC 的端口分配
PLC 之间通过 PPI 总线的方式进行联系，其中 1个 PLC 与触摸屏连接，另外 2 个 PLC 内部的信息先与该 PLC 交换，再进入触摸屏。系统主要输入信号有:启停控制信号 9 个，位置检测信号 25 个，共 34 个; 主要输出信号有: 脉冲输出信号 12 个，电磁阀控制信号9 个，电机控制信号 6 个，共 27 个。输入输出信号的具体作用和地址分配如表 1 所示。
表 1 PLC 的主要 I/O 分配表
2.2 PLC 控制程序
1) 系统控制流程
初始时，按下复位按钮 SB3，使机械手位于原位工作点，然后按下启动按钮 SB2，整个送料系统的工作过程如下: 导料槽导料、剪料盘一次剪切两片嵌片、取料盘吸取两片嵌片、接料盘上放置两嵌片，并向前移动一步、重复剪切、吸取两嵌片，并放置于接料盘上、接料盘一次运送四片嵌片、抓料盘吸料、抓料盘翻转 90°、成品抓料盘将注塑工位的成品取出、嵌片抓料盘将嵌片送到注塑工位、机械手退出注塑机，抓料盘翻转至水平、夹爪松开，成品落入接料框中。取料盘吸料时，为了避免料片因振动而脱落，X1 轴取料气缸先行剪料气缸后行。如果没有停止信号，送料系统机械手按照以上过程循环操作。在任何时候按下停止按钮 SB1，机械手将完成当前工作周期后停止工作。
按照上述控制要求，该送料系统的 PLC 控制流程如图 4 所示。卧式注塑机全自动送料系统具有多轴运动过程，按照机械手动作的先后顺序进行控制，因此采用顺序控制设计法进行程序编写。
图 4 PLC 控制流程图
2) 伺服电机控制
电机采用 APM-SA01ACN 伺服电机，控制器型号为 L7SA002A，与步进电机相比，交流伺服电机在控制精度、共振抑制功能、过载能力、控制性能等方面都有其显著的优点，交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
该伺服系统根据与上位控制器的 Interface 方式不同，可以使用多样化的结构: 位置运行系统、速度运行系统以及扭矩运行系统。在这里我们采用速度运行系统模式，目的就是让伺服电机根据控制要求最快速的进行动作响应，速度控制是一个反馈控制系统，组成速度控制回路，即速度环，该控制模式优点为伺服响应快且易于精确控制，其控制原理如图 5 所示。
图5 速度运行模式原理图
S7-200CPU PLC 提供 2 个高速脉冲输出点( Q0． 0和 Q0． 1) ，可以分别工作在 PTO( 脉冲串输出) 和 PWM( 脉宽调制) 状态下，最大脉冲输出频率为 20 kHz，可以实现速度、位置和开环运动控制。根据控制要求，系统采用高速脉冲串输出 PTO 功能，PTO 功能可输出一定脉冲个数和占空比为 50%的方波信号。
图6 为高速脉冲输出方式的控制原理图，控制过程中，将伺服控制器工作定义在脉冲 + 方向模式下。PTO 输出方式没有专门的位置控制指令，只有一条脉冲串输出指令，而且在脉冲发送过程中不能停止，也不能修改参数，为解决上述问题，设置脉冲计数值等于10 或更小，并使脉冲发送指令 PLS 处于激活状态，这样就可以在任一脉冲串发送完之后修改脉冲周期。
图6 集电极输出( 24 V) 脉冲输入
3) 定位过程
定位过程是通过 S7-200 的 CPU 输出脉冲序列来实现，如图 7 所示。编程过程中使用到库中的定位模块，为了充分利用定位模块，轴上需设置 3 个限位开关: 参考点开关( 零点) 、正向计数限位开关( 上限) 、反向计数限位开关( 下限) 。机械手操作过程需要衡量其零参考点位置，编程中应用到定位模块库中的 Q0_x_Home，该模块是在预设方向启动寻找参考点。载物体沿着轴移动，直到到达限位开关( 上限或下限) 时，轴减速运动并开始从相反方向寻找参考点。参考点寻找完毕后，CPU 向伺服驱动器发送一个脉冲序列( 动力输出) 和定向信息( 电机旋转方向) 。
图7 定位过程示意图
伺服驱动器将信号转换成相应定子中取决于频率( 与速度成正比) 的三相电压，并提供给伺服电机，伺服电机通过编码器将速度控制的实际值返回给伺服驱动器。编码器信号以控制电源的 GND 为基础输出，将PLC 的 GND 端子与 CN1 的 GND 端子相连接，将 CN2所接收的伺服电机的编码器信号，根据所设置的分频器进行分频，以线驱动方式进行输出。编码器输出信号原理如图 8 所示。
图 8 编码器输出信号控制原理
3 气动系统设计
卧式注塑机全自动送料机械手的气动系统如图 9所示，气动系统包括 4 个气缸以及多个电磁阀，其中气缸作用如下: 驱动剪料刀具上下行运动，驱动 X1 轴上取料盘上下运动，驱动抓料盘夹爪的放松或夹紧，驱动成品抓料盘运动。剪料气缸、X1 轴取料气缸和成品抓料盘气缸采用双作用气缸，夹爪采用单作用气缸，均采用某公司的二位五通脉冲式电磁换向阀作为主控元件。为了使气缸运行速度比较平稳，提高机械手的稳定性及工作效率，在每一个独立的气动回路都配有单向节流阀。该全自动送料系统所气动回路的运动及先后顺序都由 PLC 来进行控制。
系统配备了 4 路真空发生器，真空发生器是用压缩空气产生真空度为 86. 7 kPa 的负压来吸取嵌片或成品; 配备了 8 个电磁阀，其中 3 个双电控作用电磁阀来控制双作用气缸，5 个单电控电磁阀来控制吸盘和单作用气缸。
4 人机界面设计
系统的人机界面采用 WECON LEVI777A-V 型号的电阻式触摸屏，支持 ＲS232/ＲS485/ＲS422，该触摸屏具有 2 个串口，支持 MPI 协议。触摸屏设计包括界面设计和设定变量，并将变量与 PLC 连接。界面设计包含输入/输出区域组态、指示灯组态、功能键组态和文本显示; 设定变量是将触摸屏的组态功能与 PLC 对应的 I/O 地址及存储单元之间相连接，实现手动操作过程中将手动设定的参数输入到 PLC 中，以及将 PLC的当前值输入到触摸屏并显示在界面中，便于观察机械手的运动状态。软件控制系统界面如图 10 所示。
1． 气罐 2． 过滤调压阀 3． 双电控作用的电磁阀 4． 单电控作用的电磁阀 5． 单向节流阀 6． X1 轴取料气缸 7． 剪料气缸
8． 夹爪夹紧气缸 9． 成品抓料盘气缸 10． 真空发生器 11． 取料盘吸盘 12． 接料盘吸盘 13． 嵌片抓料盘吸盘 14． 成品抓料盘吸盘
图 9 气动回路
图 10 X1 轴调试台界面
5 结论
卧式注塑机全自动送料系统是一个复杂的控制系统，主要体现在它控制 6 个单轴运动来完成一个需要6 个自由度机械手才能完成的一系列导料、剪料以及送料动作。设计的系统采用 PLC 控制，实现了全自动化送料，可以广泛应用于注塑送料取料。经试验调试，该系统的控制精度达到 0. 002 mm，可满足注塑机械手的实际应用需求。根据注塑机的注塑循环过程和相应的控制要求，设计了以 PLC 为核心的控制系统，通过试验证明，该控制系统具有快速、高效、高可靠性、抗干扰能力强等特点，实现了注塑机注塑全过程的自动控制。
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本文标题：基于 PLC 的卧式注塑机全自动送料系统
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