手機(jī)電池包裝機(jī)控制部分設(shè)計(jì)-機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 線圖設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī) 電 氣一體化。 （ 2）實(shí)現(xiàn) PLC 控制程序的實(shí)現(xiàn)，包括系統(tǒng)氣動(dòng) PLC 程序，包括氣缸貼標(biāo)動(dòng)作的控制。 5 第 2 章 貼標(biāo)機(jī)的功能分析和總體設(shè)計(jì) 2． 1 手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī)的功能分析 根據(jù)貼標(biāo)工藝和要求，本論文設(shè)計(jì)手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī)必須滿足以下設(shè)計(jì)功能要求： （ 1）將標(biāo)簽精確的貼在手機(jī)電池上。要實(shí)現(xiàn)這一功能必須對(duì)電池抽屜盒進(jìn)給量進(jìn)行精確定位控制。需要設(shè)計(jì)一個(gè)精確的位置伺服系統(tǒng)，要求手機(jī)電池在上升位移量過(guò)程中無(wú)位置靜差、無(wú)超調(diào)或者小超調(diào)、響應(yīng)速度快和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能好。 （ 2）要求所有動(dòng)作自動(dòng) 運(yùn)行，無(wú)須人工參與，通過(guò)控制系統(tǒng)完成所有動(dòng)作協(xié)調(diào)和連續(xù)執(zhí)行。 （ 3）有良好的人機(jī)交互式界面，通過(guò)上位機(jī)的監(jiān)控界面可以對(duì)設(shè)備的良好的操作，如對(duì)通過(guò)計(jì)算機(jī)可以對(duì)設(shè)備的單步和連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)這一功能就必須對(duì) PLC 的位編程，如輸出點(diǎn)、中間繼電器點(diǎn)和定時(shí)器點(diǎn)可在在上位機(jī)的人機(jī)交互式界面進(jìn)行操作。通過(guò)上位機(jī) RS232 串口通信來(lái)對(duì)可編程控制器內(nèi)部輸入、輸出點(diǎn)、定時(shí)器和中間繼電器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的整體架構(gòu) 本文設(shè)計(jì)的手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī)的控制系統(tǒng)主要是自動(dòng)貼標(biāo)系統(tǒng)的控制，該系統(tǒng)涉及計(jì)算機(jī)、通信、機(jī)械、人工智能等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的理論知識(shí)。根據(jù)上一節(jié)貼標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)功能要求，擬采用工控機(jī)用來(lái)作為上位機(jī)，以三菱的 FX2N32MRE/UL系列 PLC 作為下位機(jī)。手機(jī)電池自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案框圖如圖 所示： 6 圖 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案框圖 由圖 分析可以得出， PLC 控制系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的下位機(jī)，主要負(fù)責(zé)標(biāo)簽貼標(biāo)動(dòng)作控制，如：氣動(dòng)電磁閥的控制貼標(biāo)、吸附標(biāo)簽、氣動(dòng)機(jī)械手搬送電池、電池搬送系統(tǒng)位置伺服步進(jìn)電機(jī)的精確定位控制。 手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī)的原理及工作過(guò)程 原理：工作過(guò) 程的開(kāi)始是電池在傳送帶上以一個(gè)不變的速度向貼標(biāo)機(jī)進(jìn)給。機(jī)械上的固定裝置將電池之間分開(kāi)一個(gè)固定的距離，并推動(dòng)箱子沿傳送帶的方向前進(jìn)，貼標(biāo)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)貼標(biāo)輪，和一個(gè)卷軸。驅(qū)動(dòng)輪間歇性地拖動(dòng)標(biāo)簽帶運(yùn)動(dòng)，標(biāo)簽帶從卷軸中被拉出，同時(shí)經(jīng)過(guò)貼標(biāo)輪貼標(biāo)輪會(huì)將標(biāo)簽帶壓在電池上。在卷軸上采用了開(kāi)環(huán)的位移控制，用來(lái)保持標(biāo)簽帶的張力因?yàn)闃?biāo)簽在標(biāo)簽帶上是彼此緊密相連的，所以標(biāo)簽帶必須不斷起停。 標(biāo)簽是在貼標(biāo)輪與電池移動(dòng)速度相同的情況下被貼在電池上的。當(dāng)傳送帶到達(dá)了某個(gè)特定的位置時(shí)，標(biāo)簽帶驅(qū)動(dòng)輪會(huì)加速到與傳送帶匹配 的速度，貼上標(biāo)簽后，再減速到停止。 由于標(biāo)簽帶有可能會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，所以它上面有登記標(biāo)志，用來(lái)保證每一張標(biāo)簽都被正確地放置。登記標(biāo)志通過(guò)一個(gè)傳感器來(lái)讀取，在標(biāo)簽帶減速階段，驅(qū)動(dòng)輪會(huì)從新調(diào)整位置以修正標(biāo)簽帶上的任何位置錯(cuò)誤。 工作過(guò)程： 步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)卷料軸、出料盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)出料盤(pán)與卷料盤(pán)的拉力，標(biāo)簽在剝標(biāo)板處剝離，由光電檢測(cè)頭確認(rèn)剝離位置，并發(fā)出停止指令，此時(shí)，送料馬達(dá)帶動(dòng)吸標(biāo)裝置前移，吸標(biāo)板吸住標(biāo)簽，吹氣裝置開(kāi)始工作，標(biāo)簽隨馬達(dá)前移至限定位置，左糾偏氣缸及前糾偏氣缸同時(shí)推出。形成九十度的直角，對(duì)吸標(biāo)板上的標(biāo)簽進(jìn)行 精確校正，出標(biāo)工序完成。 推料氣缸推動(dòng)電池至電池豎截面限位位置，前糾正氣缸推出，對(duì)電池進(jìn)行精 7 密定位，移載馬達(dá)帶動(dòng)第一吸頭至電池定位位置，下移并吸住電池，前糾正氣缸退出，第一吸頭提起電池移至標(biāo)簽位置并落下，頂滾位抬起 ，手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī) .粘附標(biāo)簽的電池隨第一吸頭后移，至頂滾位滾壓，趕出氣泡并抬起后移至側(cè)滾位，吸標(biāo)裝置回至原點(diǎn)，并準(zhǔn)備下一流程，側(cè)滾前出，第一吸頭下壓，使側(cè)面標(biāo)簽隨側(cè)滾滾動(dòng)定位，側(cè)位夾緊氣缸夾緊電池，側(cè)滾后退，第一吸頭放下電池，提起，移至下一工作位置，側(cè)滾前推，滾壓電池側(cè)面標(biāo)簽，后移，第二吸頭前移至側(cè) 滾位，下移并吸住電池，側(cè)位夾松開(kāi)，第二吸頭提起電池至雙側(cè)滾位，雙側(cè)滾同步前出，第二吸頭下落，電池通過(guò)雙側(cè)滾的平衡張力完成電池雙肩部位的貼標(biāo)，同時(shí)下移至前后夾緊位，前后夾夾緊電池，雙側(cè)滾后退，第二吸頭放下電池抬起，雙側(cè)滾按設(shè)定程序前滾 后退 后滾 后退，完成標(biāo)簽結(jié)合處貼標(biāo)，第二吸頭前移至下一工作位，第三吸頭前移至雙側(cè)滾位，下落并吸起電池，前后夾松開(kāi)，第三吸頭抬起并后移至出料口放下電池，貼標(biāo)工序完成。 本章小 結(jié) 本章根據(jù)貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)工藝與要求，對(duì)貼標(biāo)機(jī)的功能進(jìn)行了分析；并根據(jù)貼標(biāo)功能和要求對(duì)貼標(biāo)機(jī)進(jìn)行了 整體方案設(shè)計(jì)，對(duì)貼標(biāo)系統(tǒng)機(jī)械動(dòng)作控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 8 第 3 章 貼標(biāo)機(jī)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，上位機(jī)貼標(biāo)的管理信息控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和下位機(jī) PLC 貼標(biāo)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)電氣控制柜的元器件進(jìn)行布局。 下位機(jī)控制系統(tǒng)的選型 PLC 技術(shù)的簡(jiǎn)介 可編程控制器（ Programmable Controller）是早期應(yīng)用于開(kāi)關(guān)量控制，因此也稱為 PLC(Programmable Logical Controller)即可編程邏輯控 制器，現(xiàn)代的可編程邏輯控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，高集成度的新型工業(yè)裝置，是計(jì)算機(jī)與工業(yè)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)品。自 PLC 問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展，以及稱為工業(yè)控制類產(chǎn)品。它不僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，還具有數(shù)字運(yùn)算、模擬調(diào)節(jié)、監(jiān)控、記錄、計(jì)算機(jī)接口、數(shù)據(jù)傳輸功能，而且還能進(jìn)行中斷控制、智能控制、過(guò)程控制、遠(yuǎn)程控制、向上能與上位機(jī)進(jìn)行通訊，向下能直接控制生產(chǎn)設(shè)備，可以通過(guò)下級(jí) PLC 直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀需求以外，還有許多有點(diǎn)。它能夠較好的解決工業(yè)控制普遍關(guān)心的 可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、靈活、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。 可編程控制器采用計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要包括 CPU、存取器、輸入輸出模塊、通訊接口及模塊、編程器和電源 6 個(gè)部分。如圖 3－ 4 所示， PLC 內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。外部的各種開(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)，傳感器檢測(cè)的各種信號(hào)均為 PLC 輸入量，它們經(jīng)過(guò) PLC 的外部輸入到內(nèi)部寄存器， PLC 做各種邏輯運(yùn)算或其他運(yùn)算處理送到 PLC 的輸出端，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供各種控制。 9 圖 PLC 的機(jī)構(gòu)示意圖 可編程控制器的選型 市場(chǎng)上可供選擇的 PLC 種 類繁多，各種型號(hào)的 PLC 也有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)合也不大相同。因此在設(shè)計(jì)之初，選擇一款符合手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)工藝和要求的可編程控制器顯得十分重要。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，本控制系統(tǒng)的下位機(jī)采用的是日本三菱公司的 FX2N32MRE/UL 系列 PLC 作為下位機(jī)控制，它是一款可視化的 PLC，屬于中小型可編程序控制器，可用于簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合，也可用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于它具有極強(qiáng)的通信功能，即使在大型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。 FX2N32MRE/UL 系列 PLC 系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架是由成系統(tǒng)的 CPU 模塊和豐富的擴(kuò)展模塊組成。它能夠滿足各種設(shè)備的自動(dòng)化控制需求。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的上業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如 :沖壓機(jī)床、印刷機(jī)械、中央空調(diào)、電梯控制、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等等。 FX 系列除了具有以上一般 PLC 具有的基本控制功能以外，還在以下三個(gè)方面有獨(dú)到之處： （ 1）三菱的 FX 系列 PLC 是一款 編程的 PLC，它具有強(qiáng)大的指令集、功 能強(qiáng)大、速度快，掃描 30000 步時(shí)僅需要 1 毫秒。 （ 2） FX2N32MRE/UL 提供了豐富的硬件資源，不僅有兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制伺服定位控制接口；還提供了 4 通道的高速計(jì)數(shù)器，特別適合伺服系統(tǒng)的控制，如步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)以及光電編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。相對(duì)常規(guī)的可編程控制器而言，省去了定位控制單元，給安裝調(diào)試帶來(lái)方便。 （ 3）該系列 PLC 帶有 USB 編程口，與上位機(jī)進(jìn)行串口通信調(diào)試時(shí)不會(huì)占 10 用串口，可以在編程軟件中可以很方便的看到相關(guān)數(shù)據(jù)寄存器里面上位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。 伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)和絲 杠選型 在電池位置伺服系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠的選型關(guān)系到電池每次搬送的位置精度，伺服系統(tǒng)的精度和抗擾動(dòng)性是衡量系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。在步進(jìn)電機(jī)的選型時(shí)，必須充分考慮步進(jìn)電機(jī)的一些相關(guān)物理量，步進(jìn)電機(jī)的步距角度和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)距，一般的靜態(tài)轉(zhuǎn)距越大，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)距越抗擾動(dòng)性能會(huì)更好，在負(fù)載變化時(shí)不容易失步，同樣步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差會(huì)越小，但是步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格會(huì)更昂貴。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機(jī)為日本東方電機(jī)公司生產(chǎn)的 PK264A2 型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子與軸直接是通過(guò)減速傳動(dòng)，減速比 1： 18，因此 它的步進(jìn)角度僅為 度，為同行電機(jī)步距角度最小的一款。絲杠選擇必須考慮到系統(tǒng)的最小日本 THK 公司生產(chǎn)的 THKKR30 滾珠絲杠，其導(dǎo)程 t 為 1 毫米，根據(jù)初步估算滿足系統(tǒng)載荷要求。 在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，為了配合步進(jìn)電機(jī)的控制，許多 PLC 都配有脈沖輸出功能，并設(shè)置了相關(guān)指令，可以很好的對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。這種控制方式可以大大減小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作量，而且 PLC 具有實(shí)時(shí)刷新功能，輸出頻率可以到達(dá)數(shù)千赫茲或者更高，使步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)速度更快。 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，必須考慮脈沖當(dāng)量，根據(jù)貼標(biāo)工藝和要求，系 統(tǒng)為直線每次進(jìn)給量為δ =8 .13mm，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步距角度α ，滾珠絲杠導(dǎo)程 t＝ 1mm，那么步進(jìn)電機(jī)每次搬送相鄰兩個(gè)電池需要的脈沖數(shù) m ，根據(jù)公式： 360360m tt??? ???? 代入數(shù)字得 m =2926。 下位機(jī)控制系統(tǒng)的硬件配置 下位機(jī)控制硬件配置要求 下位機(jī)控制系統(tǒng)的主要用來(lái)對(duì)貼標(biāo)的機(jī)械動(dòng)作進(jìn)行控制，主要包括電池升降位置伺服系統(tǒng)、搬送電池的機(jī)械手動(dòng)作控制、真空吸附氣缸吸附標(biāo)簽的動(dòng)作控制、貼標(biāo)氣缸的對(duì)電池的貼標(biāo)控制，下位機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)必須滿足以下 幾個(gè)方面的要求： （ 1）實(shí)現(xiàn)電池貼標(biāo)系統(tǒng)的高精度位置伺服系統(tǒng)，電池位置伺服系統(tǒng)每次搬送的距離為 10mm； （ 2）氣動(dòng)機(jī)械手搬送電池必須每次準(zhǔn)確的夾緊電池，然后搬送到貼標(biāo)位置，貼標(biāo)完畢以后準(zhǔn)確的放回； 11 （ 3）下位機(jī)控制系統(tǒng)必須有對(duì)機(jī)器良好的可操作性，必須輸入開(kāi)關(guān)來(lái)控制設(shè)備。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的電池貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖如圖 所示，通過(guò)各種開(kāi)關(guān)量的傳感器將設(shè)備工作的各種狀態(tài)輸入給本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng) PLC 輸入輸出配置硬件框圖如圖 所示，各種位置傳感器將設(shè)備的狀態(tài)，如氣缸的位置、電池的位置等傳給 PLC 進(jìn) 行處理，由 CPU 做各種運(yùn)算處理來(lái)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。 設(shè)備的主要硬件配置： （ 1）以 FX2N32MRE/UL 系列 PLC 為核心的控制器，用來(lái)對(duì)設(shè)備的各種狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，通過(guò)傳感器的輸入信號(hào)得到設(shè)備的工作狀態(tài)，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)各種氣動(dòng)閥、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作貼標(biāo)機(jī)動(dòng)作。 （ 2）在緊急情況下為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的可操作性，需要設(shè)置輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)給可編程控制器和合理布局控制面板，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)鍵有開(kāi)機(jī)鍵、復(fù)位鍵、手動(dòng) /自動(dòng)鍵的切換、控制電池上升鍵和下降鍵、氣動(dòng)機(jī)械手搬送鍵和緊急停止鍵，控 制面部的布局應(yīng)該簡(jiǎn)潔，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，操作人員能夠第一時(shí)間通過(guò)操作面板的操作來(lái)阻止重大事故的發(fā)生。 （ 3）為了檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)，合理選擇和安裝傳感器，保證傳感器信號(hào)可靠的輸給可編程控制器，本設(shè)計(jì)對(duì)于氣動(dòng)閥的位置檢測(cè)選用磁性開(kāi)關(guān)量傳感器，對(duì)于電池和電池標(biāo)簽選用光電接近開(kāi)關(guān)傳感器。 （ 4）伺服系統(tǒng)的控制是本設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)，它的控制效果好壞關(guān)系到設(shè)備能否貼標(biāo)成功。為了滿足電池貼標(biāo)工藝和要求，本設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)位置伺服系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，通過(guò)光電編碼器的脈沖檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的位置送給可編程控制器，并在 PLC 內(nèi)部 設(shè)定一定的控制器進(jìn)行處理來(lái)調(diào)整輸出脈沖，使步進(jìn)電機(jī)的位置準(zhǔn)確的到達(dá)給定位置。 FX2N32MRE/UL 系列 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)接線圖如圖 所示。 FX2N32MRE/UL 系列 PLC 位置控制輸出脈沖單元分別為 500～503，占用 4 個(gè)輸出點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的位置采用 502 和 503 輸出脈沖分別控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，光電編碼器將步進(jìn)電機(jī)的位置脈沖數(shù)給 PLC 的高速計(jì)數(shù)器CTC0 計(jì)數(shù)來(lái)檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的位置。 12 圖 步進(jìn)電機(jī)控制接線圖 PLC 輸入輸出信號(hào)地址分配 PLC 的輸入輸出 控制地址分配包括操作按鈕的輸入如包括開(kāi)機(jī)按鈕、搬送按鈕、手自動(dòng)按鈕切換和急停按鈕；氣缸位置傳感器的輸入信