基于PLC的自动收板机的研制.pdf

l 匐 化 基于P L C 的 自动收板机的研制 The de vel opm ent of aut om at i c t r ans f er r i ng m achi ne bas ed on PLC 谢建新’ ，王豪’ ，徐文艳 Xl E J i a n ． x i n ‘ 。W ANG Ha o 。XU W e n ． y a n 1 ． 上海交通大学 自动化系，上海 2 0 0 2 4 0 ；2 ． 上海师范大学 生命与环境科学学院，上海 2 0 0 2 3 4 摘 要针对工业制造过程中，板式零部件的收板问题，根据国外最先进的太阳能电池片自动化生产线 中的收片机构的工作原理。自行研制基于P L C 的自动收板机。介绍了该收板机的结构方案 ， 对 各主要组成模块进行了说明。针对控制要求， 给出了系统的控制方案，详细阐述了P L C 、伺服 马达、触摸屏等硬件的选用和应用。最后通过现场实际调试和生产运行 ，证明该机器完全达 到了设计要求 ， 极大地提高了生产效率。系统操作界面设计简单，工艺员和普通的操作工人 经过较短时间的培训I就可以熟悉系统的使用。 关键词 自动收板；PL C；伺服马达 ；H MI 中圈分类号 T P2 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 0 6 下 一 0 1 1 4 0 4 O o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i 8 8 n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 6 下 ． 3 3 0 引言 在工业制造过程 中，板式零部件 的发板 和收 板动作比较常见 。比较典型的 , P C B行业P C B基板 在加工前发板和加工后收板 ；太阳能电池片在加工 过程 中的发板和收板等，都需要 自动收发板机来实 现。P C B行业发展时间较长。生产线自动化程度相 对较高。有专用的自动收发板。但该机只能是单列 卡匣。装料量较少，需要人工频繁装卸卡匣。且无 法实现先进先出和等静置时间等工艺要求。 太阳能行业的电池片在印刷过程收发板机更为 先进。该机有六工位回转台，每工位上装有一个单 列卡匣，每个卡匣上插有数十片硅片。每次将 当前 空卡匣的下降最上层，一片入料后，当前卡匣上升 一 个层高 ，收入下第二层的电池片。如此重复 ，可 将整个卡匣收满。当前卡匣收满后，旋转自下一个 卡匣。直至将卡匣上所有电池片收满 。发板过程正 好相反。如此，可以实现电池片的 自动发板到下道 工序 ，也可 自动收取已加工的电池片。 太 阳 能生 产 线主 要 由国外 几 家大 公 司在 生 产 ，如美国BACCI NI ， 德国AS YA， 英 国DE K，且 都为 整线销售 。国内尚无太 阳能生产线的整线生 产能 力。因此 ，我公 司拟针对 国外太 阳能生产线 中的收发板功能进行学 习和研究 。 自行研制该机 器 ，应用 于我 公 司生产 过程 中，提 高 自动化 程 度 ，降低人工成本 。根据循序渐进 的原则 ，计划 首先研制 出 自动收板机 。成功后再延伸至 自动发 板机 ，最后再是 自动收发板一体机 。本论文主要 介绍 自动收板机 。 1 系统功能 该 自动收板机主要用于载板在UV固化后的收 板作业 。将固化后的载板收入卡匣之 中。用于后 道工序的加工 。因此 ，必须与固化机 的参数 进行 匹配 。根据固化机的 以及现有工艺 要求，特制定 自动 收板机 的技 术要求 。一是为设备设计提供数 据要求；二是 为设备验收提供数据依据 ，用于核 对设备的各个部分是否符合要求 。 自动收发板机工艺及动作要求 1 固化后载板 自动收入卡匣。 2 收发板速 度，速 度可调在7 ～ 1 2 s ／ 板 内可 调。 固化机设定为1 ． 5 时，7 s ／ 板；0 ． 9 时 ，1 2 s ／ 板 3 四工位卡匣 ，用于一次性装或卸最大数量 的板数 1 0 0 板。并为涂布收板 留下端 口。 4 每工位卡匣装卸板时间 5 mi n 。 每板时 间按1 0 s 计，2 5 3 0 板。开始涂布 第四架时，固化 第一架最下一块 ，间隔1 O 分钟 5 载板尺寸1 5 4 X 1 5 4 mm， 载板厚度3 6 mm。 卡匣层 间距 7 mm。 6 与前后道设备联动。前后道设备异常停 机 。该机 停止 收 发板 。该机 异 常 ，有 声光 电报 警 ，前后设备停止收发板。 7 收发完成，声光电提醒换卡匣。 8 收发板传送时必须导向定位，保证载板传 收稿日期2 0 1 3 - 0 1 -1 6 作者简介谢建新 1 9 7 9一，男，江苏盐城人，电气工程师，硕士，研究方向为控制工程。 [ 1 1 4 ] 第3 5 卷第6 期2 0 1 3 - 0 6 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 訇 似 动过程平直。 9 载板传动，卡匣转动过程中平稳 。 根据 以上 工艺要求 ，绘制 出的整体 结构 示意 图和 自动收发板机构示意 图，如图1 所示。并且 在 此基础上编制机器工作流程图，如图2 所示。 图1 自动收板机械部分的外形图 图2 拟定的收板过程的工作流程图 2 硬件设计 该收发板 国内尚无厂商生产 ，国外厂商也无 单机生产 ，只是将该机器集成在太阳能 自动 生产 线上 。因此 ，本设 备的研 制只能通 过设 备的功能 实现 和动作步骤 来反推 实现 的方法 。设计过程类 似于非 标设备 的研制过程 。包括主要控制器 的选 择 、动作 实现 的机构及方式 、控制算法及软件的 编制等技术型 问题 ，这些参数都必须满足功能及 动作的要求 。现将主要的工作分列如下。 2 ． 1控制器的选型 由于P LC 可 靠性高 ，抗干扰能 力强 。配套齐 全 ，功 能 完善 ，适 用性 强 。系统 的设 计 、建 造 工作量小 ，维护方便 ，容易改造 。体积小 ，重量 轻，能耗低等诸多优点。因此，该机器拟使用P L C 作为控制器。 P L C的选型 通常主要考虑P L C的充分发 挥控 制功能 ，最大限度地满足被控制的生产过程的控 制要求 。在满足控制要求的前提 下 ，使控制系统 经济、简单 ，维修 方便 。保证 系统安全可靠。编 写程 序 ，要求程序 结构清楚，可 读性 强，程序 简 短 ，占用内存少 ，扫描周期短。 该机 在选 型时还必须考虑两个 另外 的重要参 数 。一是可扩展性 ，本次设计主要是实现单独收 或发的功能 。后续必须进一步收发 同体机 。意味 着现有的I O点数将增加一倍。 综合考虑后 ，该机选用三菱F X3 U- 4 8 MT 作为 控制器 。有2 4 位输入 ，2 4 位输 出。晶体管输出。 2 ．2 输入、输出点数的确定 表1 P L C 的输入输出点数分配 X 0 Z 轴R D Y 0 Z 轴P U L S E X1 Z 轴A L M Y1 R 轴P UL S E X 2 Z 轴H O ME Y 2 X3 z 轴L S P Y 3 X 4 Z 轴L S N Y 4 Z 轴C R X 5 z 轴I N P Y 5 R 轴C R X 6 R 轴R D Y 6 X 7 R 轴AL M Y 7 Z 轴C C W X1 O R 轴H O ME Yl 0 R轴C C W X1 l R 轴I N P Y1 1 X1 2 卡匣检知 Y1 2 S oN X1 3 载板检知 Y1 3 E MG X1 4 传送带上1 Y1 4 z 轴R E S E T X1 5 传送带上2 Y1 5 R 轴R E S E T 第3 5 卷第6 期2 0 1 3 0 6 下 [ 1 1 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 訇 似 续表1 Xl 6 传送带上3 Yl 6 Xl 7 传送带上4 Y1 7 X2 0 卡匣左定位 Y 2 O X2 l 卡匣右定位 Y2 1 X2 2 Y2 2 传送带马达 X2 3 Y2 3 运行中 X2 4 Y2 4 蜂鸣器 X2 5 Y2 5 三色信号灯 红 X2 6 Y2 6 三色信号灯 黄 X2 7 Y2 7 三色信号灯 绿 2 ．3 马达的选型 马达的选型 由于 回转方 向和垂 直升 降方向上 都 没有位置光电开关 ，且 到位精度要求较高 。垂 直升降 方向上需要有2 5 个不同的高 度，安装2 5 个 光 电开关 不可取 。因此，只能选 用伺服马达 。为 保证 与P L C的匹配 性 。该机马达选用三菱伺 服马 达 。根 据功 率的计算结果 ，旋转 向马达选 用HF ． KN4 3 J S 1 0 0 ，马达驱动器 为MR E 一 4 0 A KH0 0 3 ； 垂直向升降马达选用HF KN2 3 J S 1 0 0 ，马达驱动器 为MR E 一 2 0 A K H0 0 3 。 2 ．4 电气线路的绘制和排布 编写设备手动 、 自动 的动作 流程图 ，电气原 理 图、各电气元器件布局图 。将需要用到的 电器 元件全 部罗列 出来做 出清单 。根据 实现具体动作 循序以及功能实现的要求，并结合P L C 和伺服控制 器 ，以及其他 各种 电气元器件的使 用中的具体 要 求 ，做好 电气线路 的排布 。排布 完成的电气接路 图如下 。 图3电气接线 图 3 软件设计 3 ． 1 P L C 程序的编制 1 1 1 6 1 第3 5 卷第6 期2 0 1 3 - 0 6 下 图4自动化程序流程图 该机的动作时序并不是简单的重复运动 。线 性化编程无法满足动作要求。P L C 程序在编制时， 不仅需要编写手工动作，单循环 ，单卡 匣，以及 全 自动状态下的收板程序 。另外 ，必 须在单步 的 过程模块化，便于发板程 序的调用 。同时还要为 收发一体程 序留下端 口，为后续增加做 准备 。综 合上述，本P L C程序采用模块化编程 。对于相应的 动作 ，编写相应的底层功 能模 块，实现 某个特定 的 、不宜再分解的原子功 能。主程序主 要根据现 有的条件实现相应的动作流程 。本P L C 程序的自动 动作下的主程序流程如图4 所示。 3 ．2 人机界面的设计 该 机 的人机 界 面 主 要 是手动 操 作 时使 用 。 加 之控 制 点不 多 。因此 ，小 尺寸 的 国产 的HMI 即 可 满 足 人 机 交 互 的 要 求 。该 机 选 用 步 科 的 M T4 4 0 4T。 触摸屏变量用于联系触摸屏操作按钮与P L C。 定义变量时 ，必须使读取的设备和地址、输 出的 设备和地址 与P L C编程 中的地址一致 。触摸屏变 量与P L C编程的地址如表2 所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 似 表2 触摸屏变量表 M1 0 0 自动模式 D1 0 0 卡匣所在层 M1 0 1 手动模式 D1 0 1 卡匣层数设定 M1 0 2 启动 D1 0 2 卡匣当前位置 M1 0 3 停止 D1 0 3 卡匣水平位置 Ml 0 4 回原点 D1 0 4 卡匣初始位置 M1 0 5 暂停 D1 0 5 旋转载台角度 Ml 0 6 传送带运转 D1 0 6 旋转载台当前角度 M1 0 7 传送带停止 D1 0 7 旋转载台初始位置 M1 0 8 手动收板 M1 0 9 卡匣初始位置定位 M1 1 0 卡匣初始位置设定 M1 1 l 卡匣单层上升 M1 1 2 卡匣单层下降 Ml l 3 卡匣点动上升 M1 1 4 卡匣点动下降 Ml l 5 卡 匣回原点 M1 1 6 卡匣水平位置定位 Ml l 7 卡匣水平位置设定 Ml l 8 旋转载台9 0 度反转 M1 1 9 旋转载台9 0 度正转 M1 2 0 旋转载台初始位置 M1 2 1 旋转载台反转 M1 2 2 旋转载台回原点 M1 2 3 旋转载台正转 M1 2 4 蜂鸣器关 M1 2 5 警报 复位 3 ． 3与上道固化机的联系 该机 是收取上 道固化后的载板 。如该机发 生 故障，上道固化机仍正常出板，就会造成堆叠， 从而导致不 良品。因此 ，该机故障时 ，发 出故障 信号 。停止uV固化机的传动履带。停止载板 的传 动 。固化机灯光关闭 。待故障解除后 ，重新启动 固化机履带，灯光。 3 ．4 故障检测与处理 机 器在运行过程 中不可避免会 发生故障 。因 此，故障检测与处理部分的内容必不可少。而这 部分 的内容主要通过软件来实现 。 伺服马达有自有的故障报警功能。 根据输 出信号 的状 态与控制过程之 间的逻辑 关系， 判断设备的运行状况是否正常。如某一控制 信号发出后， 在一定时间内执行机构动作并到位； 如果时间已到， 但P C 并未接收到到位信号， 则说 明 系统中存在故障。 P L C 发现故障后，将故障信息传送到H MI 界面 中，由触摸屏 显示 出，供操作人 员的现场处理 。 并且为后续改进保存资料 。 4 安装调试 该机安装完成后，按以下步骤进行调试 1 查连线、核对线地址 。 2 检查按钮和指示灯。 3 检查手动动作及手动控制逻辑关系。 4 自动运行监控 。 5 异常条件检查 。 调试 完成后的进 行小 规模试验 ，试生产 ，正 常生产 。 5 结论 根据实 际生产的验证 ，基于P LC的 自动收板 机完全实现 了工艺部 门提 出所有要求 。该机可 自 动实现固化后载板的收入卡匣中的工作 。代替了 固化后收板 员工的工作 。降低了人工成本 。控制 系统运行稳定 。系统操作界面设计简单， 工艺员和 普通 的操作 工人不用经过 半小时的培训就可 以熟 悉系统 的使 用。后续将进行 自动发板机 的研制工 作 ，以期实现固化的全部 自动后工作 。 参考文献 【 1 】谭威． 基于P L C的工业控制系统的设计与实现【 D 】 ． 华中科 技 大学， 2 0 0 1 ． [ 2 】F X3 G F X3 U‘ F X3 GC‘F X 3 UC 系列微型可编程控制器， 编 程 手册 [ z ] ． 2 0 1 2 ． [ 3 】三菱MR - 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