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基于三菱PLC 的塑瓶車間吹瓶機設計
摘 要：本文主要論述以三菱公司所產FX-2N 系列PLC 為控制核心，結合各種光電及位置感應式傳感器等元器件，結合FX-2N 系列PLC 簡單易于操作人員操作，且價格低廉等優點，論證并設計了此型輸液用塑瓶吹瓶機。同時也介紹了FX-2N 系列PLC 在吹瓶機交流伺服系統及位置控制中的應用。首先根據工藝要求配置了吹瓶機及其交流伺服電機控制的硬件系統；然后按吹瓶機控制動作要求，以位置控制方式為例重點闡述了吹瓶機交流伺服控制的程序設計。通過軟硬件的合理設計實現了吹瓶機的快速高精度跟蹤控制。
關鍵詞：梯形圖；機械手；指令語句；吹塑原理
引言在工業生產和其他領域內，由于工作的需要，人們經常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從可編程控制器和機械手問世以來，相應的各種難題迎刃而解。可編程序控制器(PLC)是以計算機技術為核心的通用自動控制裝置,國際電工委員會的定義是：“可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統,專為在工業環境下應用而設計[1]。它采用可編程序的存儲器,用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算數運算等操作的指令,并通過數字式、模擬式的輸入和輸出。PLC 具有穩定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優點[2]。廣泛應用于工業控制領域，隨著PLC 價格的不斷下降，相對于其他控制器件，其本身具有的穩定性高、功能齊全、應用靈活、適用面廣等優點就更為凸顯，特別是應用在現代化工業化大生產中所帶來的高效率，高效益，高收益，其優點表現更是明顯。
出現后便受到普遍重視，其應用發展也十分迅速。原因在于與現有的各種工業自動化控制方式相比，它有一系列受用戶歡迎的特點，主要是：可靠性高、抗干擾能力強、配套齊全、功能完善、適用性強、易學易用、系統的設計量小、維護方便等[1.2]。
所設計的吹瓶機的工作原理及大體流程吹瓶機的設計原理吹塑機英語全稱BLOW MOULDING MACHINE，簡稱BMM 。其基本工作原理為：向軟化的熱塑性的型坯中充氣，使其緊貼到封閉模具的冷卻表面，被吹脹的型坯凝固，形成中空塑料制品[4]。機器主要由機架、鏈條驅動機構、上胚機、理胚機、進胚機械手、加熱燈箱、吹瓶機構及出瓶機械手組成。機器運行由PLC 來控制。除鏈條由伺服電機驅動外，吹瓶機各控制動作主要由氣缸來完成。根據工藝要求，機器運行先開啟伺服電機驅動鏈條進位，從上胚到最后出瓶一個制造周期的全過程的動作分為上胚、理胚、胚道、加熱、吹制及出瓶個階段。正常的生產是重復執行這7 個階段的過程。伺服系統控制是吹瓶機控制的關鍵。本文以兩腔機（吹制模具為兩腔模具）為例介紹交流伺服系統的設計。
控制要求吹瓶機的控制要求設計為自動運轉方式。但要求關機時可手動閉合模具；開機前要手動打開模具，運轉初始化后自動進行。按下總啟動按鈕打開總氣閥供給氣缸操作空氣，在滿足下列聯鎖安 全條件并且伺服系統處于原點時按下伺服出瓶啟動按鈕，伺服、冷卻風機胚旋轉電機同時啟動。
基于三菱PLC 的塑瓶車間吹瓶機的硬件選型主控元件選型在此設計中，由于機器總控制點數（I/O 點數）在80 左右，所以根據成本及需求的因素，選擇小型PLC 較為合適。而在小型PLC 中，三菱公司出品的FX2N 系列比較成熟，性價比也較好，而且操作較為簡便。在三菱FX2 系列PLC 當中，點數在80 左右的當屬型，其總共有80 個I/O 端口，已滿足設計需求，無需設計擴展模塊[3]。這樣既節省了成本，也降低了操作難度。故此設計選用三菱公司FX2-80MR 型PLC。
機器伺服電機的選型（1）公轉伺服電機的選擇：
鑒于公轉伺服電機要求電機有較大的轉矩，所以功率要求較大，且轉速不需要太高[5]。
為了更好地實現機器主軸所要求的力矩轉速特性，此設計將采用富田電機公司的型變頻主軸電機。其性能參數為：基準頻率：50HZ；基準轉速：
；連續額定功率：7.5kw 連續額定轉矩：50nm。
（2）合模伺服電機的選擇：
合模伺服電機要求與公轉伺服電機很相似，也要有較大的轉矩，但功率不需很大，要求轉速基本與公轉電機大致相當[5]， 故電機亦選擇富田電機VFNX 系列， 型號為。其性能參數為：基準頻率：50HZ；基準轉速：1500r/min；連續額定功率：2.2kw 連續額定轉矩：15nm。
（3）手指側移動作伺服電機：
轉速要求為，手指能在0.5S 內運行2M，即運行速度為4M/S。電機轉軸的直徑為10mm，加裝直徑20mm 的轉軸套，據此可計算出電機的轉速如下：N=4m/s*60/3.14*0.02m≈根據這些要求，可選富田電機VFNX80L2-50-1.5-4 型號，其性能參數為：基準頻率：50HZ；基準轉速：4000r/min；連續額定功率：1.5kw 連續額定轉矩：16.2nm。
加熱道燈管的選型根據設計要求，將選用廣州市新得銳豐光電科技有限公司生產的PHILIPS 13168Z/98 型吹瓶機專用燈管。性能參數為：額定功率：2000W；額定電壓：230V。
其它各控制傳感器件的選型根據設計具體需求，將選用傳感器件型號基于三菱PLC 的塑瓶車間吹瓶機的程序設計儲胚上胚機構動作要求及程序設計上胚電機驅動上胚傳送帶，將瓶胚送至儲胚道，并將儲胚道蓄滿。同時上胚器公轉，公轉由機器公轉伺服電機鏈條及齒輪傳動，與加熱段公轉夾具同步。要求當儲胚道蓄至規定數量瓶胚時上胚電機停轉。由反射板光電傳感器延時5s 控制，此光電置于儲胚道中上部(無瓶胚遮擋時光電開關打開)。上胚器上胚由控制開關。當燈管溫度達到要求溫度后開始上胚，開關為一電磁繼電器，置于上胚器上部，儲胚道下端，開關由人工手動控制（手動打開時間大體為燈箱燈管打開1 分鐘后即可）。
令 I/O 端口地址安排如下：
：機器總啟動開關 Y0：公轉伺服電機：上胚反射板光電開關 Y1：上胚電機驅動：上胚器上胚控制開關 Y2：上胚控制器此段 PLC 控制梯形如圖4-1：
公轉機構及加熱燈箱組設計要求公轉機構夾具，即公轉頭共500 個。公轉速度為0.3m/s。加熱燈箱組共12 組，每組共根燈管上下排列。可根據瓶胚即所造成品規格不同，可選擇打開其中的4—6 根加熱燈管，燈管開關控制為手動控制。每個公轉夾具可自轉，由公轉鏈條結合公轉導軌壁實現，以使瓶胚加熱過程受熱均勻。為防止公轉機構及即熱機構骨架過熱，由車間統一提供的冷凍水系統進行骨架降溫。在完成加熱及取胚后絕不允許由漏取的瓶胚，若有則機器停止運轉。
令 I/O 端口地址安排如下：
：防漏胚反射板光電開關 M0：機器停轉輔助繼電器：燈管總開關：第一排燈管開關 Y28：第一排燈管：第二排燈管開關 Y29：第二排燈管：第三排燈管開關 Y30：第三排燈管：第四排燈管開關 Y31：第四排燈管：第五排燈管開關 Y32：第五排燈管：第六排燈管開關 Y33：第六排燈管：機器故障急停按鈕模具動作及吹瓶過程要求及程序設計模具為兩腔式，并可根據產品規格改換相應模具。底模在上，底模由氣缸實現動作，底模氣缸有兩限位感應式傳感器控制其動作。兩腔式模具內中空，通以冷凍水以冷卻瓶壁成型，并防止模具過熱損壞，冷凍水亦由車間統一供給。模具開合動作通過大螺桿式機械傳動實現，并由模具伺服電機控制螺桿的正反旋轉。螺桿部有兩限位感應式傳感器，以控制模具的開合程度。吹氣方式為瓶口朝下向上吹瓶方式，益于成瓶均勻。吹氣站共10 個吹氣頭，每個吹氣頭中心由便于吹瓶成型的拉伸桿，由拉伸氣缸控制動作。亦有兩限位器，吹氣動作由電磁閥控制高壓氣完成，高壓氣由車間統一供給，氣壓為5 倍大氣壓。在取送胚手指送至吹氣站處有一光電傳感器，用于監測取送胚手指是否已將軟化瓶胚送至吹氣站，并報送至PLC 主板，決定是否進行吹瓶動作。要求關機時完成最后一次吹瓶動作后要能手動合模及下底模，開機前要手動開模，上底模。模具原點位置狀態：模具開、底模上、拉伸桿下。吹瓶過程大體動作流程：軟化瓶胚送至吹氣站激發光電，延時0.5S 動作；底模下，激發氣缸下位傳感器；模具合，激發大螺桿下位傳感器；拉伸桿上至底模處；吹氣站吹氣，吹氣時間0.5S；拉伸桿下；模具開；底模下。
令 I/O 端口地址安排如下：
：監測送胚光電開關：底模氣缸上位感應開關 Y9：底模氣缸上電磁閥：底模氣缸下位感應開關 Y10：底模氣缸下電磁閥：大螺桿上位感應開關 Y11：合模伺服電機正轉：大螺桿下位感應開關 Y12：開模伺服電機反轉：拉伸桿上位感應開關 Y13：拉伸桿上電磁閥：拉伸桿下位感應開關 Y14：拉伸桿下電磁閥取送瓶動作過程要求及程序設計取瓶手指原點位置在吹氣站位置，具體動作為：前進取瓶→上移→側移至取瓶中間站→下移放瓶→后退→回至原點位置。因瓶為向上吹氣法，故取出的瓶子為倒立的，所以要設計一中間站，再由翻轉送瓶手指取至成品傳送帶處。翻轉送瓶手指原點位置在取瓶中間站處，狀態為正，手指開。與取送胚及取瓶手指有所不同。后兩者為前叉式手指，而前者為開合式夾形手指，由氣缸實現動作，主要為了便于放瓶至傳送帶，且較后兩者氣缸動作要快，具體動作為：原點→前進→手指合→翻轉左位→后退至傳送帶→手指開→翻轉右位（其中翻轉通過氣缸實現）令I/O 端口地址安排如下：
：取瓶前進位置感應開關 Y16：取瓶前進氣缸電磁閥：取瓶后退位置感應開關 Y17：取瓶后退氣缸電磁閥：取瓶上移位置感應開關 Y18：取瓶上移氣缸電磁閥：取瓶下移位置感應開關 Y19：取瓶下移氣缸電磁閥：取瓶側移至中間站位置感應開關 Y20：取瓶側移至中間站電磁閥：取瓶側移至吹氣站位置感應開關 Y21：取瓶側移至吹氣站電磁閥：送瓶前進位置感應開關 Y22：送瓶前進氣缸電磁閥：送瓶后退位置感應開關 Y23：送瓶后退氣缸電磁閥：送瓶手指合位置感應開關 Y24：送瓶手指合氣缸電磁閥：送瓶手指開位置感應開關 Y25：送瓶手指開氣缸電磁閥：翻轉手指左位感應開關 Y26：翻轉手指左位氣缸電磁閥：翻轉手指右位感應開關 Y27：翻轉手指右位氣缸電磁閥結束語系列PLC 具有豐富的編程指令，小型化、高速度合高性能是其特點。其運算速度高：0.08us/指令，內置8000 步RAM 存儲器輔助繼電器3072 點[3]。通過對硬件合軟件的合理設計，用較為廉價的FX2N 系列PLC 作為核心控制部件過程的吹瓶機交流伺服系統實現了吹瓶機的動作的協調控制。合理的程序使機器運行平穩，定位、進位等動作滿足工藝要求。特別應 指出的是通過靈活、巧妙的運用PLC 的指令系統，可使機器實現高度自動化，大大節省時間，調高工作效率，保證單位時間合格品的產量，從而提高經濟效益。
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