摘 要：在分析剪折機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出基于臺(tái)達(dá)機(jī)電自動(dòng)化平臺(tái)的全自動(dòng)剪折機(jī)解決方案。給出變頻器主驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)；PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率；步進(jìn)電機(jī)變速定標(biāo)等重要控制技術(shù)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：商標(biāo) 全自動(dòng) PLC
1 引言
剪折機(jī)是服裝、鞋類(lèi)等行業(yè)的商標(biāo)加工類(lèi)設(shè)備。剪折機(jī)用于帶狀商標(biāo)剪切和折燙成型加工，首先通過(guò)切刀對(duì)商標(biāo)進(jìn)行冷切或者熱切，然后經(jīng)過(guò)模具對(duì)剪切完成的商標(biāo)進(jìn)行各種形狀的折燙，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)商標(biāo)的切片、兩邊折、對(duì)折、中間折等，實(shí)現(xiàn)帶狀商標(biāo)加工。自動(dòng)剪折機(jī)外觀如圖1所示。模具和各種剪折方式如圖2所示。
傳統(tǒng)的剪折機(jī)是以?xún)x表顯示為主，采用單板機(jī)等嵌入式專(zhuān)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制，商標(biāo)長(zhǎng)度通過(guò)機(jī)械調(diào)節(jié)。為了市場(chǎng)需求和自身發(fā)展要求，應(yīng)用PLC和變頻器以及觸摸屏等通用電氣自動(dòng)化平臺(tái)技術(shù)開(kāi)發(fā)全自動(dòng)化剪折機(jī)，是剪折機(jī)設(shè)備廠家的迫切需求。
圖1 自動(dòng)剪折機(jī)外觀圖
圖2 模具和各種剪折方式
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)分析
原剪折機(jī)是由電機(jī)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)使送料機(jī)構(gòu)送料、模具來(lái)回運(yùn)動(dòng)和切刀上下運(yùn)動(dòng)，一個(gè)行程完成送料、剪切和折燙等動(dòng)作，電機(jī)速度、手自動(dòng)啟停控制、狀態(tài)檢測(cè)和故障判斷則由單片機(jī)控制板控制，每次加工不同長(zhǎng)度的商標(biāo)之前，需要手動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)，從而設(shè)置出所需長(zhǎng)短尺寸，用戶(hù)反應(yīng)該電氣配置存在配件采購(gòu)麻煩，控制板電氣保護(hù)差、維護(hù)困難的缺點(diǎn)，希望能通過(guò)電氣改造提高機(jī)器的性能和使用便利性。
2.2 臺(tái)達(dá)自動(dòng)化平臺(tái)設(shè)計(jì)
根據(jù)機(jī)器的特點(diǎn)和用戶(hù)需求，項(xiàng)目設(shè)計(jì)基于臺(tái)達(dá)自動(dòng)化體系平臺(tái)。選用臺(tái)達(dá)的SC系列PLC來(lái)替代控制板做為控制用，M變頻器進(jìn)行電機(jī)控制，3.8吋觸摸屏取代面板按鈕；計(jì)數(shù)器，定長(zhǎng)送料部分則由步進(jìn)電機(jī)控制。
（1）PLC部分：選用臺(tái)達(dá)12SC11T主機(jī)，如圖1所示。
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圖3 SC主機(jī)外觀圖
該主機(jī)是臺(tái)達(dá)S系列中偏向運(yùn)動(dòng)控制的一款，非常適合需要高速控制定位的場(chǎng)合，比如伺服位置控制，數(shù)控加工等，本機(jī)配置點(diǎn)數(shù)比較精簡(jiǎn)，可以通過(guò)其強(qiáng)大的擴(kuò)展功能輕易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)，本項(xiàng)目中另外加16SP（DI 8點(diǎn)，DO8點(diǎn)）做為I/0擴(kuò)展用。
（2）變頻器部分：選用臺(tái)達(dá)M系列015M21A型變頻器，如圖4所示。
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特點(diǎn)：
輸出頻率0.1~400Hz
可設(shè)定V/F以及矢量控制
載波頻率可達(dá)15kHz
支持MODBUS通訊
內(nèi)含PID反饋功能
零速力矩保持功能
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圖4 臺(tái)達(dá)M系列變頻器
M系列臺(tái)達(dá)變頻器家族中的迷你高功能型，應(yīng)用廣泛，本項(xiàng)目中主要利用其變頻和通訊功能，通過(guò)MODBUS通訊可以很方便地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和讀取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器速度的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)控。
（3）人機(jī)界面：選用臺(tái)達(dá)3.8吋AS3.8BSTD型觸摸屏，如圖5所示。
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特點(diǎn)：
8灰接藍(lán)白STN，256色
解析度：320*240像素
支持RS485/RS232/RS422通訊
支持USB存儲(chǔ)、鼠標(biāo)、打印
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圖5 臺(tái)達(dá)AS觸摸屏
通過(guò)臺(tái)達(dá)人機(jī)可以方便地控制和監(jiān)視，原按鈕和計(jì)數(shù)器功能都可以通過(guò)畫(huà)面實(shí)現(xiàn)，使控制箱面板更加簡(jiǎn)潔，提高了產(chǎn)品的檔次，適應(yīng)了市場(chǎng)需求。
3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 主驅(qū)電機(jī)
主機(jī)要求速度達(dá)到0~150切/分，送料長(zhǎng)度控制在0.2mm精度，工作長(zhǎng)度范圍在40mm-240mm。電機(jī)減速比設(shè)計(jì)為1：10，若要求達(dá)到200切/分，則當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速：n=150*10=1500轉(zhuǎn)/分，要求輸出頻率為：f=n·p/60=1500·2/60=50Hz，速度要求滿(mǎn)足。
3.2 送料步進(jìn)電機(jī)
送料長(zhǎng)度由步進(jìn)電機(jī)控制，要求控制精度為0.2mm，送料輥周長(zhǎng)115mm，減速比1:2，設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)使每轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)為600，送料輥每轉(zhuǎn)1圈電機(jī)需轉(zhuǎn)2圈，則每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)送料長(zhǎng)度為：L=115/2*600=0.096mm<0.2mm，滿(mǎn)足控制要求。
3.2 PLC高速脈沖輸出接口
送料長(zhǎng)度范圍40mm~240mm，則要求每次發(fā)送脈沖數(shù)為416~2500。最大速度150切/分，每完成一次動(dòng)作的最短時(shí)間為0.4秒，每次送料占用時(shí)間是總行程的1/2，則送料最短時(shí)間為0.2秒，由于加減速時(shí)間和找標(biāo)的時(shí)間大致為0.1秒，所以要求脈沖發(fā)送頻率最高：2500/0.1=25000脈沖/秒，SC最高可以輸出頻率達(dá)到200kHz，SC系列PLC高速脈沖輸出接口完全滿(mǎn)足要求。
3.4 定標(biāo)實(shí)現(xiàn)
帶狀商標(biāo)上有位置色標(biāo)，色標(biāo)間隔反應(yīng)了商標(biāo)的長(zhǎng)度。定標(biāo)送料就是通過(guò)光學(xué)傳感器檢測(cè)色標(biāo)位置，每次檢測(cè)到色標(biāo)就停止送料，等待切刀完成剪切動(dòng)作。由于步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，當(dāng)起始發(fā)送脈沖頻率過(guò)高則容易出現(xiàn)失步堵轉(zhuǎn)，因此需降低起始頻率，通過(guò)一個(gè)加速和減速過(guò)程，即以較低的速度起動(dòng)，而后逐漸加速到某一速度運(yùn)行，再逐漸減速直至停止。進(jìn)行合理、平滑的加減速控制是保證步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠、高效、精確運(yùn)行的關(guān)鍵。
定標(biāo)采用兩步走的方式，先按設(shè)定長(zhǎng)度高速走一段定長(zhǎng)，通過(guò)D1340設(shè)置加減速時(shí)間，離色標(biāo)還有1~2mm的距離時(shí)開(kāi)始低速找標(biāo)，色標(biāo)檢測(cè)到則產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)進(jìn)PLC，在中斷程序中對(duì)M1334進(jìn)行置位，使DDRVI的Y10立刻停止脈沖輸出，電機(jī)馬上停止。
3.5 PLC接口設(shè)計(jì)（表1）
表1 I/O接口定義
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輸入 |
名稱(chēng) |
輸出 |
名稱(chēng) |
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X0 |
光眼1 |
Y0 |
變頻啟動(dòng)停止 |
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X1 |
光眼2 |
Y1 |
變頻點(diǎn)動(dòng) |
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X2 |
計(jì)數(shù) |
Y10 |
脈沖輸出 |
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X3 |
限位/停車(chē)位 |
Y11 |
脈沖方向 |
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X4 |
放料微動(dòng)信號(hào) |
Y20 |
送料電機(jī) |
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X5 |
收料斗已滿(mǎn)信號(hào) |
Y21 |
自動(dòng)指示燈 |
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Y22 |
報(bào)警蜂鳴器 |
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Y23 |
備用 |
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Y24 |
電磁閥 |
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Y25 |
頻率設(shè)定來(lái)源選擇 |
注：晶體管輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)繼電器轉(zhuǎn)接后控制外部電路。
4 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)全新電氣改造的自動(dòng)剪折機(jī)，無(wú)論從產(chǎn)品外觀還是性能上都有了提高，經(jīng)過(guò)上帶連續(xù)生產(chǎn)，證實(shí)了產(chǎn)品性能上完全達(dá)到了用戶(hù)的要求，由于采用了人機(jī)界面使得在操作便利上有了非常大的提高，雖然產(chǎn)品的控制點(diǎn)數(shù)不多，卻涵蓋了臺(tái)達(dá)從PLC、變頻器到人機(jī)界面幾大產(chǎn)品的應(yīng)用，是臺(tái)達(dá)自動(dòng)化產(chǎn)品和機(jī)械的又一次成功結(jié)合。
（轉(zhuǎn)載）
