PLC的自動點膠機的控制系統(tǒng)方案

...wd......wd......wd...基于PLC的自動點膠機控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)基于PLC的自動點膠機控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)摘要隨著信息產(chǎn)業(yè)的開展，電子封裝的要求越來越嚴格，對點膠機數(shù)控系統(tǒng)的控制能力要求越來越高。目前我國電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)主要是沿海一些中小型企業(yè)，在經(jīng)濟省錢、操作簡單、控制準確、更改方便的要求下，經(jīng)濟型的數(shù)控系統(tǒng)有極大的開展。本文開發(fā)了一種基于PLC的自動點膠機運動控制系統(tǒng)，對于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本具有重要意義。本文的主要工作包括以下內(nèi)容：(1)通過詳細分析企業(yè)對自動點膠機的要求以及各種類型運動控制系統(tǒng)的構(gòu)造和應用特點，以及運動控制技術當前國內(nèi)外開展狀況，探討了當前各種運動控制器的功能與優(yōu)缺點。(2)論證了采用PLC作為運動控制系統(tǒng)核心的主要優(yōu)點，深入研究了松下FPX一C60TPLC的步進電機控制功能，建設了采用PC機編寫運動程序和以PLC控制步進電機的開環(huán)平面運動控制系統(tǒng)。(3)在分析了運動控制系統(tǒng)操作界面的功能要求的根基上，為使用戶操作方便、簡潔，設計了運動控制系統(tǒng)操作界面.通過觸摸屏與PLC的通信，實現(xiàn)了點膠機的運動控制。(4)根據(jù)逐點比較法插補原理，進展了基于PLC的直線插補、圓弧插補以及橢圓插補運動程序的開發(fā)。使運動控制系統(tǒng)具有了平面點位運動控制和軌跡運動控制功能。在客觀上分析國內(nèi)外成型產(chǎn)品的優(yōu)缺點，并且考慮各種運動控制方案的經(jīng)濟性和可操作性，進而確定基于PLC的自動點膠機控制系統(tǒng)。根據(jù)松下FP系列產(chǎn)品的編程習慣，并結(jié)合觸摸屏編制出了一套操作簡單的控制系統(tǒng)。經(jīng)過試驗臺實驗，所開發(fā)的基于PLC的點膠機運動控制系統(tǒng)能夠按照要求正常運行，經(jīng)過進一步完善，可以在實際中加以應用。關鍵詞：自動點膠機；PLC；觸摸屏；插補；運動控制ResearchandImplementationofMotionControlSystemofAutomaticadhesiveinjectingmachinebasedonPLCAbstractBecauseoftherapiddevelopmentofinformationindustry,requirementsofelectronicpackagingaremorestrictly.Atpresent,Chineseelectronicproductmanufacturingenterprisesaremainlysmallandmediumalongthecoast.Sotheeconomicnumericalcontrolsystemmustsavemoney,operatesimplyandchangeproceduresconveniently.ThispaperdevelopedaprogrambasedonPLCtoimproveproductionefficiencyandreduceproductioncost.Thispaper’smainworkincludesthefollowingcontent:(1)Thepaperanalysesthedispensingrequirementsoftheenterpriseandlearnthestructuresandapplicationsofvarioustypesofmotioncontrolsystem.Throughdissertatingthekindsofcontrolsystemsandthedevelopingstatusofcontroltechniquesinnativeandforeigncountries，Ifindouttheadvantagesanddisadvantagesofkindsofmotion(2)DemonstratetheadvantagesofusingPLCinthissystem,andMakedeeplystudyofthecontrolofsteppingmotordrivingtechniqueofFPX—C60T.EstablishthehardwareofnewtypeopenloopwhosemotioncontrolsystemisbasedonPLCandtheprogramiscompiledoncomputer.(3)Discusstherequestsofinterfacefunctions．Inordertoprogramconciselyandconveniently,designtheinterfaceofcontrolsystembasedontouchscreen.PLCcandistinguishdatafrominstructionsviatheinterface.(4)Developlinearinterpolationandarcinterpolationprogramsaccordingtopointtopointcompareinterpolationtheory,makethesystemhaspointtopointandtrackcontrolfunctions.Objectivelyanalysestheadvantagesanddisadvantagesofdomesticandforeignmoldingproducts。Takeintoaccountofallsortsoftheeconomyandmaneuverabilityofmotioncontrolscheme,thendeterminestheautomaticmachinecontrolsystembasedonPLC.AccordingtopanasonicFPseriesproductsandcombiningtouch-screen,drawsupasetofsimpleoperationcontrolsystem。Afterdoingexperimentsontestbed.Itprovethatmotioncontrolsystemofthedispensingmachinecanmeetstherequirements.Afterfurtherperfectingthenormaloperation,itcanbeappliedinpracticalproduction.Keywords:Automaticadhesiveinjectingmachine;PLC;touchscreen;interpolation;Motioncontrol目錄TOC\o"1-4"\h\z\u獨創(chuàng)性聲明I摘要IIAbstractIII第一章緒論11.1背景11.2控制系統(tǒng)的內(nèi)容31.3控制系統(tǒng)的分類41.3.1按位置控制原理分類41.3.2按被控量的性質(zhì)和運動控制分類61.3.3按驅(qū)動方式不同分類61.4課題來源及研究目的71.4.1課題來源71.4.2論文的主要研究內(nèi)容7第二章點膠機的控制方案82.1點膠機簡介82.2點膠機的機械構(gòu)造82.3運動控制系統(tǒng)的控制要求分析102.3.1點位運動102.3.2輪廓控制102.3.3系統(tǒng)操作界面要求112.4運動控制系統(tǒng)控制方案方案確定112.5松下FP系列PLC132.5.1松下FPX特點132.5.2松下FP系列PLC的編程元件152.6小結(jié)16第三章點膠機的驅(qū)動方案173.1點膠機的傳動方式173.2執(zhí)行元件分析203.2.1步進電機213.2.2交流伺服電機223.2.3電機的脈沖控制233.3點膠機控制系統(tǒng)硬件25第四章點膠機運動控制分析284.1點位控制284.2插補運動控制294.2.1插補概念與插補方法的選擇294.2.2逐點比較法304.3插補編程分析314.3.1直線插補314.3.2圓弧插補364.3.3橢圓插補40第五章軟件編程和界面開發(fā)465.1PLC程序分析465.1.1點位控制465.1.2插補程序475.2操作界面設計495.2.1界面分析495.2.2觸摸屏編程505.3PLC和觸摸屏編程要注意的問題545.3.1運算錯誤545.3.2語法錯誤565.3.3設置錯誤565.3.4方案錯誤56第六章結(jié)論與展望586.1結(jié)論586.2展望58參考文獻59致謝62第一章緒論1.1背景隨著科學技術的開展，人類社會已經(jīng)進入了信息時代，集成電路產(chǎn)業(yè)是信息社會經(jīng)濟開展的基石，而集成電路相關制造裝備是信息產(chǎn)業(yè)開展的驅(qū)動力和重要組成局部。當前，無論是個人電腦，信息產(chǎn)業(yè)還是汽車電子以及消費類電子產(chǎn)業(yè)，還有軍事、航空、航天領域都對電子產(chǎn)品的電路封裝具有越來越高的要求，這就使得點膠機的應用越來越廣泛[1]。我國是電子產(chǎn)品的出口大國，電子制造業(yè)已成為我國東南沿海地區(qū)支柱產(chǎn)業(yè)之一，電子工業(yè)的輝煌成就，令國人振奮，使業(yè)界自豪。但是，在電子工業(yè)的開展過程中也存在著極不平衡的一面[6]。一方面，電子工業(yè)的開展如火如荼，在輕工業(yè)中占的比重越來越大，另一方面，電子工業(yè)中自動化程度很低，生產(chǎn)效率低下，工作條件惡劣。因此，雖然我國是電子制造業(yè)大國，生產(chǎn)規(guī)模龐大，但與興旺國家相比，電子產(chǎn)品的質(zhì)量水平和生產(chǎn)效率都很低，制造裝備的落后是一個最主要的原因。目前我國很多制造工序還是由工人手工完成的，工人勞動強度極大，并且環(huán)境污染也日益突出，嚴重影響了我國電子產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量[2]。在所有的制造工序中，涂膠工序不僅占用的工人最多、花費的工時最長，工人的工作條件也是最惡劣的。同時它也是影響電子產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。現(xiàn)階段，大局部涂膠工作都是由工人手工完成的，無法保證涂膠的質(zhì)量，不合格的涂膠不僅破壞電子產(chǎn)品的品質(zhì)、美觀，還會造成脫膠，引起事故。為了提高電子產(chǎn)品涂膠的均勻性、一致性、快速性，以及在提高工藝水平的同時進一步提高生產(chǎn)率，應該大力研究和推廣提高涂膠工序的自動化程度，于是自動點膠機便應運而生并在生產(chǎn)中得到了廣泛應用[3]。點膠機〔又稱涂膠機〕是專門對流體進展控制，并將液體點滴、涂覆、灌封于產(chǎn)品外表或產(chǎn)品內(nèi)部的自動化機器。點膠機主要用于產(chǎn)品工藝中的膠水、油漆以及其他液體準確點、灌、注、涂、點滴到每個產(chǎn)品準確位置，可以用來實現(xiàn)打點、畫線、圓型或弧型。點膠機是隨著汽車工業(yè)中密封工藝的改進而產(chǎn)生和開展的。最初變速箱、發(fā)動機殼體等密封采用紙墊，隨著對密封性能要求的提高，密封工藝的改進，在密封結(jié)合面上直接涂膠代替紙墊。在工業(yè)生產(chǎn)中，很多地方也都需要用到點膠，比方集成電路、印刷電路板、彩色液晶屏、電子元器件(如繼電器、揚聲器)等等。傳統(tǒng)的點膠是靠工人手工操作的。隨著自動化技術的迅猛開展，手工點膠已經(jīng)遠遠不能滿足工業(yè)上的要求[6-8]。自動點膠機是一種專為滿足各種密封要求而研制的自動涂膠設備，適用于點，直線，圓弧以及任意不規(guī)那么產(chǎn)品的點膠，涂膠，運動參數(shù)下載方便，可直接輸入運行參數(shù)進展編程。自動點膠機的工作效率和工作精度取決于自身的運動控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送脈沖，承受檢測構(gòu)造回饋的信息，根據(jù)預設的程序，控制機械局部做出適宜的動作，是點膠機的核心部件。自動點膠機的開展源于美國和歐洲，隨著日本電子行業(yè)對點膠機的大規(guī)模需求，于是出現(xiàn)代工美國點膠機的日本點膠機廠家。中國工業(yè)的開展，吸引大批日本企業(yè)、臺灣企業(yè)的進駐，專業(yè)的點膠機廠家也涌入中國。目前中國點膠機產(chǎn)品尚未成熟，自動化水平不高，還要大量依賴人力，企業(yè)要從國外進口點膠機，為復雜軌跡的工件點膠。其原因在于國內(nèi)運動控制技術落后于國外，尤其是對精細儀器或是高端產(chǎn)品的準確點膠加工，其運動控制技術的好壞關系到儀器是否能夠正常運轉(zhuǎn)。國外點膠機產(chǎn)品性能優(yōu)越，能夠?qū)崿F(xiàn)各種空間軌跡的點膠，定位準確點膠質(zhì)量高，但價格過于昂貴，動輒數(shù)十萬上百萬[9-13]。在國外，對準確點膠的自動點膠設備在技術，硬件構(gòu)造和軟件功能等方面均處于領先地位。隨著機器人技術的開展，機器人技術在各行各業(yè)中得到了廣泛的應用，點膠機器人開場普及應用。機器人作為執(zhí)行機構(gòu)，具用控制方便，執(zhí)行動作靈活，可以實現(xiàn)復雜的空間軌跡控制，特別適用于多品種，變批量的柔性化生產(chǎn)，因此各國先后研制出了點膠機器人。國外的機器人生產(chǎn)廠商各自推出了涂膠機器人，如日本莫托曼機器人、安川機器人、美國ABB機器人等。在國內(nèi)，一開場沒有準確點膠的設備，其點膠位置確實定和出膠量多少都是通過人工手動操作，導致勞動強度大，點膠精度和質(zhì)量都很低。然后開展到利用通用點膠設備對產(chǎn)品進展點膠，雖然擠出的膠量比手動均勻一致，但其點膠位置確定仍舊由人工手動控制，點膠的質(zhì)量依然難以保證。我國自動點膠機開展較晚，2002-2007年，中國民營的點膠機廠家開場興起。最初是代理+自主研發(fā)，或者是自動化行業(yè)廠家涉足點膠機行業(yè)，逐漸開展為專門的點膠機廠家。如今通過引進國外技術，也推出了一些自主品牌的自動點膠機，如世椿、奧松等，國內(nèi)點膠機相對廉價，在國內(nèi)市場上占有一席之地[3]。我國電子廠家眾多，多數(shù)為中小型企業(yè)，經(jīng)濟實力有限，市場上昂貴的點膠機產(chǎn)品不能滿足企業(yè)的需求。本課題在人工點膠機的根基上，應用運動控制技術，研制出一種價格低廉，能實現(xiàn)直線、圓、橢圓等軌跡密封的點膠機。既能滿足企業(yè)點膠要求，又不增加企業(yè)負擔，能夠極大地提高我國電子產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，具有深遠的意義。1.2控制系統(tǒng)的內(nèi)容工業(yè)控制自動化技術作為20世紀現(xiàn)代制造領域中最重要的技術之一，主要解決生產(chǎn)效率與一致性問題，雖然自動化系統(tǒng)本身并不直接創(chuàng)造效益，但它對企業(yè)生產(chǎn)過程有明顯的提升作用。機械設備的自動化大幅度帶動了電子信息技術的開展，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，提高了我國微電子產(chǎn)業(yè)的開展。運動控制(MotionControl)通常是指在復雜條件下，將預定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動，實現(xiàn)機械運動準確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制。運動控制的實質(zhì)是根據(jù)預定的方案，將上位控制系統(tǒng)做出的決策命令，變成某種期望的機械運動，以得到確定的位置、速度、加速度或特定的運動形式。運動控制系統(tǒng)多種多樣，但從基本構(gòu)造上看，一個完整的運動控制系統(tǒng)常由上位控制器、執(zhí)行電機、機械傳動機構(gòu)和位置檢測元件等組成。其構(gòu)造圖如圖1．1所示。上位控制器通常是運動控制卡、具有運動控制功能的PLC、數(shù)控系統(tǒng)(CNC)或單片機系統(tǒng)等。位置檢測位置檢測上位控制驅(qū)動器執(zhí)行電機機械構(gòu)造圖1．1運動控制系統(tǒng)構(gòu)造框圖Fig.1.1Thechartofmotioncontrolsystem其中的上位控制器是指以中央邏輯控制單元為核心，以傳感器為信號敏感元件，以電機或動力裝置和執(zhí)行單元為控制對象的一種控制裝置。它的主要任務是根據(jù)運動控制的要求和傳感器件的信號進展必要的邏輯、數(shù)學運算，為電機或其它動力和執(zhí)行裝置提供正確的控制信號。電機通過傳動機構(gòu)帶動機械構(gòu)造運動，便可以得到預期的運動參數(shù)和運動形式[14-19]。1.3控制系統(tǒng)的分類1.3.1按位置控制原理分類運動控制系統(tǒng)根據(jù)位置控制原理，即有無檢測反響傳感器及其檢測部件，可分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種基本的控制方案。(1)開環(huán)控制系統(tǒng)無位置檢測反響裝置，其執(zhí)行電機一般采用步進電機。此類系統(tǒng)最大的特點是控制方便，構(gòu)造簡單，價格廉價?？刂葡到y(tǒng)發(fā)出的位移指令信號流是單向的，所以不存在穩(wěn)定性的問題。且由于機械傳動誤差不經(jīng)過反響校正，位置精度一般不高。如圖1．2所示。驅(qū)動器驅(qū)動器執(zhí)行元件工作臺指令脈沖圖1．2開環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)造框圖Fig1.2Thechartofopenloopcontrolsystem(2)半閉環(huán)控制系統(tǒng)位置反響采用轉(zhuǎn)角檢測元件，直接安裝在伺服電機或絲杠端部。由于具有位置反響比較控制，可以獲得較大的定位精度，大局部機械傳動環(huán)節(jié)未包括在系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)，因此可獲得較穩(wěn)定的控制特性。絲杠等機械傳動誤差不能通過反響校正，但可采用軟件定值補償?shù)姆椒▉磉m當提高其精度。如圖1．3所示。位置位置控制單元速度控制單元執(zhí)行元件工作臺速度檢測單元位置檢測單元脈沖指令圖1.3半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig1.3Thechartofsemi-closeloopcontrolsystem(3)全閉環(huán)控制系統(tǒng)采用光柵等檢測元件對被控單元進展位置檢測，可以消除從電機到被控單元之間整個機械傳動鏈中的傳動誤差，得到很高的靜態(tài)定位精度。但由于在整個控制環(huán)內(nèi)，許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙均為非線性，動態(tài)響應時間又非常大，使得整個閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性校正很困難，系統(tǒng)的設計和調(diào)整也相當復雜。如圖1．4所示。指令位置指令位置控制單元速度控制單元執(zhí)行元件工作臺速度檢測單元位置檢測單元脈沖圖1．4閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)造框圖Fig．1．4Thechartofcloseloopcontrolsystem1.3.2按被控量的性質(zhì)和運動控制分類(1)位置控制它是指轉(zhuǎn)角位置或直線移動位置的控制。位置控制按數(shù)控原理分為點位控制(PTP)和連續(xù)軌跡控制(CP)。點位控制是點到點的定位控制，它既不控制點與點之間的運動軌跡，也不在此過程中進展加工或測量。如數(shù)控鉆床、沖床、鏜床、測量機和點焊工業(yè)機器人等。連續(xù)軌跡控制又分為直線控制和輪廓控制。直線控制是指被控對象以一定速度沿某個方向的直線運動(單軸或多軸聯(lián)動)，在此過程中要進展加工或測量，如數(shù)控鏜銑床、大多數(shù)加工中心和弧焊工業(yè)機器人等。輪廓控制是控制兩個或兩個以上坐標軸移動的瞬時位置與速度，通過聯(lián)動形成一個平面或空間的輪廓曲線或曲面。如數(shù)控銑床、車床、凸輪磨床、激光切割機和二坐標測量機等。(2)速度控制和加速度控制速度控制既可單獨使用，如輸送機、工作臺、主軸和卷繞機等這樣的機械速度控制；也可以與位置控制聯(lián)合成為雙回路控制，但主回路是位置控制，速度控制作為反響校正，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，如各種數(shù)控機械的雙回路伺服系統(tǒng)。(3)同步控制同步控制是兩軸或兩軸以上的速度或位置的同步運動控制。如平行物料傳送帶、整列繞線機、大型印刷機的多軸平行傳動等，有的除了同步啟動、還要求位置同步，其同步精度要求較高。(4)力和力矩控制塑料薄膜、鋼帶、布和紙張等卷取機是恒張力控制，自動組裝機的擰緊螺母以及自動鉆孔等場合，應采用力矩與位置同步控制[15]。1.3.3按驅(qū)動方式不同分類運動控制系統(tǒng)按驅(qū)動方式不同可分為電氣控制、液壓控制和氣動控制，它們各有特點和應用范圍。由于計算機控制、電力電子器件、伺服電動機和位置檢測傳感器的迅速開展，電氣伺服從機械主傳動的電力拖動擴展到機械的伺服進給系統(tǒng)，就是由伺服電動機驅(qū)動機械系統(tǒng)的機電伺服系統(tǒng)，它廣泛應用于各種運動控制設備。1.4課題來源及研究目的1.4.1課題來源本課題來源于企業(yè)協(xié)作工程，研究采用運動控制技術實現(xiàn)電子工業(yè)中自動涂膠作業(yè)，解決涂膠工藝中均勻性、一致性和快速性的問題，可以極大的提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，增加企業(yè)利潤。同時可以降低工人工作強度，改善工人工作條件，降低勞動力成本。目前公司使用手動點膠機在電子產(chǎn)品上點膠，該工藝方法簡單，成本低廉，但是浪費勞動力，速度慢，而且精度差。市場上出售的自動點膠機通過控制系統(tǒng)來控制膠槍運動的軌跡，以到達對不同噴涂對象的噴涂，這減少了因工人技能熟練程度不同造成的精度參差不齊，提高了生產(chǎn)率，但是其價格昂貴且不適合本企業(yè)的生產(chǎn)實際。本課題針對企業(yè)生產(chǎn)需要，開發(fā)一套自動點膠機控制系統(tǒng)，通過運動控制器和高精度的運動平臺實現(xiàn)點膠系統(tǒng)的準確定位，使用多組傳感器對點膠過程運行狀態(tài)信息進展測量和采樣。實現(xiàn)對點膠系統(tǒng)各運動部件的控制，兼顧經(jīng)濟實用的原那么，使點膠機適用于點，直線，圓，橢圓以及方形等規(guī)那么產(chǎn)品的點膠。1.4.2論文的主要研究內(nèi)容本論文深入探討了運動控制系統(tǒng)的關鍵技術，介紹了運動控制領域的一些新技術、新產(chǎn)品，辯證的選擇適合企業(yè)需求的運動控制產(chǎn)品。開發(fā)了一種基于松下FPX一L60PLC的平面運動控制系統(tǒng)，提出了研制一種主要實現(xiàn)點位運動控制功能的控制方案，而且在這套運動控制系統(tǒng)中利用PLC程序來編寫逐點比較法插補程序，可實現(xiàn)輪廓運動控制。在上位PC機設計操作界面，通過調(diào)用PLC的程序，來實現(xiàn)點位運動控制。具體地講開發(fā)本運動控制系統(tǒng)所要進展的主要工作有：(1)分析了各種類型控制系統(tǒng)的構(gòu)造和應用特點，控制技術當前在國內(nèi)外開展狀況，比較了當前各種運動控制器的功能與優(yōu)缺點。(2)分析了在本套控制系統(tǒng)中采用PLC的主要優(yōu)點，建設了以PC機為上位機，PLC為運動控制器來根據(jù)PC機輸入的用戶指令控制步進電機運行的平面開環(huán)運動控制系統(tǒng)。(4)解釋了點位運動控制和逐點比較法宣線插補與圓弧插補運動的數(shù)學函數(shù)的建設，重點講解了PLC運動控制程序?qū)τ谟脩敉ㄟ^操作界面輸入的數(shù)據(jù)的存儲與控制應用，詳細說明了PLC程序的編制過程。(5)使用松下電工的可編程智能操作面板GT10的畫面制作工具軟件GTWIN，編制出一套適合界面友好、操作方便、功能強大，運行可靠快捷的觸摸屏界面。第二章點膠機的控制方案2.1點膠機簡介點膠機由“機械＋電機＋運動控制器〞組成。點膠機構(gòu)造示意圖如圖2-1所示：通訊接口通訊接口運動控制器電機機械接收指令圖2.1點膠機構(gòu)造示意圖Fig．2．1ThesketchmapofthestructureofAdhesiveinjectingmachine機械局部就是一個三自由度的傳動機構(gòu)平臺。膠頭可以通過機械的移動定位到空間的任意一個〔X，Y，Z〕坐標。運動控制卡實際上相當于一個智能的電子計算機。它發(fā)脈沖給電機的驅(qū)動器，使電機帶動機械運動。它可以控制機械走出各種各樣的軌跡，靈活的控制運動速度、加速度，進展高精度的定位。點膠控制系統(tǒng)是針對點膠加工車間的工人設計的，所以根據(jù)實際生產(chǎn)需要，在滿足運動性能指標的前提下，適應在點膠過程中的靈活快速的要求，不僅要提高產(chǎn)品的可靠性，有效降低產(chǎn)品成本，還要操作簡單快捷。參考市場上的點膠機產(chǎn)品，結(jié)合企業(yè)實際生產(chǎn)情況，選擇適宜的運動控制器。2.2點膠機的機械構(gòu)造為了防止膠水的固化，目前點膠機形式大都采用AB雙液點膠，其中A料桶用于裝本膠，B料桶用于裝催化劑，當A膠遇到催化劑時，膠水才開場固化。點膠機的機械示意圖如3.1所示。帶輪帶輪電機攪拌器混料罐A混料罐B計量泵A計量泵B同步帶工作臺圖3.1點膠機的機械示意圖Fig3.1ThemechanicalschemesofAdhesiveinjectingmachine點膠機主要由機床機構(gòu)，混料機構(gòu)，傳輸機構(gòu)等幾大局部組成?！?〕機床機構(gòu)局部主體為一個XY方向工作平臺；工作平臺上有一個可縱向運動同步帶機構(gòu)，該同步帶機構(gòu)由步進電機驅(qū)動，控制機床的主要縱向運動；縱向同步帶機構(gòu)上帶有一個橫向可運動的涂膠嘴機構(gòu)，該機構(gòu)由伺服電機驅(qū)動，控制機床的主要橫向運動；涂膠嘴機構(gòu)由可上下的同步帶運動機構(gòu)和涂膠嘴兩局部組成，涂膠嘴的功能是控制涂膠的流量，可上下的運動機構(gòu)由伺服電機驅(qū)動控制涂膠嘴的高度位置，平時默認在最高處，當工作時要按工藝下降一定高度。工作后回到默認位置?！?〕傳輸機構(gòu)本局部主要實現(xiàn)：A、B料罐液體混合料分別通過傳輸管道與一臺計量泵連接，通過計量泵分別傳輸?shù)阶⒛z嘴內(nèi)直流電機攪拌器內(nèi)，將兩種液體進展充分混合，當涂膠時，翻開注膠口，密封膠從注膠嘴流出?！?〕混料機構(gòu)主要由A、B料罐，A、B攪拌器，A、B加熱器，A、B液位限定器及直流電機攪拌器組成。A、B料罐由液位限定器控制液體料的容量，不工作時不需要攪拌和加熱，在正式涂膠工作前按照工藝提前攪拌，并按工藝保持恒溫，這樣，是為了保證液體料在注膠口的充分混合[23]。2.3運動控制系統(tǒng)的控制要求分析研制這套基于PLC的平面運動控制系統(tǒng)的主要針對點位運動控制的運動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)點膠機的點位運動和運動軌跡的要求。2.3.1點位運動點位運動的特點是移動部件在移動中不進展加工，只要求以最快的速度從一點移動到另一點，并準確定位。至于點與點之間的移動軌跡(路徑與方向)并無嚴格要求,各坐標軸之間的運動并不相關。點膠機的點位控制主要包括膠槍的原點回歸和快速移動，以及手動微調(diào)設置。要求坐標位置具有較高的定位精度，為了提高生產(chǎn)效率，采用機床設定的最高進給速度進展定位運動，在接近定位點前進展降速，以便低速趨近終點，從而減少運動部件的慣性過沖和因此引起的定位誤差，在移動過程中對運動軌跡沒有任何要求。2.3.2輪廓控制輪廓控制是能夠?qū)蓚€或兩個以上的運動坐標的位移和速度同時進展連續(xù)相關控制，使膠槍與工件間的相對運動符合點膠要求，在工件平面進展各種軌跡的點膠。在這類控制方式中，要求數(shù)控裝置具有插補運算的功能，即根據(jù)加工程序輸入的基本數(shù)據(jù)(如直線的終點坐標、圓弧的終點坐標和原系坐標或半徑)，通過數(shù)控系統(tǒng)的插補運算器的數(shù)學處理，把直線或曲線形狀的相關坐標點計算出來，并邊計算邊根據(jù)計算結(jié)果控制兩個或兩個以上的坐標軸協(xié)調(diào)運動。(1)直線插補直線插補用以控制兩個坐標軸(或三個坐標軸)以聯(lián)動的方式，按程序段中規(guī)定的合成進給速度插補出任意斜率的平面(或空間)直線。工件相對于膠槍的現(xiàn)時位置是直線的起點，為點，因此程序段只要指定終點的坐標分量，就給定了加工直線的必要條件?！?〕圓弧插補圓弧插補分在所選擇的平面上按順時針以及逆時針的兩種圓弧加工。在圓弧加工程序段除了要指定圓弧終點坐標之外，還必須指定圓弧的圓心相對于圓弧起點在X、Y、Z方向上的相對坐標。因起點是現(xiàn)在的，便可以確定圓心的坐標，程序段中又給出了圓弧的終點坐標，這樣就能加工圓弧了。(3)橢圓插補橢圓方程的因變量有長短軸以及起點和終點的坐標值，在相對坐標系可以根據(jù)前一點的坐標判斷下一步的進給方向。因為各個象限需要進給的方向和偏差的遞進值不同，并且橢圓方程的因變量比直線和圓要多，更容易發(fā)生錯誤，是本文中的難點。2.3.3系統(tǒng)操作界面要求運動控制系統(tǒng)操作界面是使用者對于本套運動控制系統(tǒng)的最直觀的了解，它直接面對用戶，承受用戶的指令，并把用戶的運動控制指令傳輸?shù)竭\動控制器PLC中。使用者無需明白整套運動控制器的運動原理，只要了解操作即可。所以這就要求運動控制系統(tǒng)的界面操作簡單明了，以降低對使用者或進展培訓者的要求。這套運動控制系統(tǒng)有兩種運動方式，分別為點位運動、輪廓插補中的直線插補運動和圓弧插補運動，所以運動控制操作界面也要能進展兩種運動控制軌跡的選擇和控制參數(shù)輸入。用戶應能控制運動控制系統(tǒng)的啟動運行，應設置有專用的啟動按鈕，以使用戶能保持對系統(tǒng)運行的控制。根據(jù)點膠機的界面要求，本課題選用松下GT30觸摸屏進展人際交流，其畫面制作工具軟件，簡稱GTWIN。該觸摸屏為黑白機，在明亮、易讀的液晶畫面上，不僅能顯示信息、圖形，還可以根據(jù)需要自由的顯示按鍵、指示燈、PLC數(shù)據(jù)、圖表、時鐘等，使運行狀況一目了然。該觸摸屏安裝方便，機體很緊湊，可安裝在很小的空間里。用一根電纜就能與松下FP系列或者三菱電機FX系列的機種直接連接，因此布線時間大幅度減少。液晶和觸摸式面板，不但可以清晰的顯示畫面，只要輕輕觸摸，就可以進展開關操作或者輸入數(shù)據(jù)，方便快捷。2.4運動控制系統(tǒng)控制方案方案確定運動控制器是整個點膠機的“心臟〞。點膠機的工作情況通過運動控制器調(diào)節(jié)控制，每個工作狀態(tài)都有相應的線路控制，它直接影響點膠機的工作狀態(tài)，影響產(chǎn)品的涂膠質(zhì)量。其主要功能有：上下位機問通信、傳遞控制參數(shù)、監(jiān)控狀念和故障診斷與報警，以及數(shù)據(jù)處理等。實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)運動控制的通常方法可以有兩種：一是采用全功能的數(shù)控裝置，這種裝置功能十分完善，聯(lián)動軸數(shù)在五軸以上，但其價格卻很昂貴，而且許多功能對點位控制來說是多余的，許多企業(yè)承擔不起高昂的費用；二是經(jīng)濟型數(shù)控裝置，這種裝置功能相對較弱，最多聯(lián)動軸數(shù)為二軸或三軸，抗干擾能力弱，控制精度不高，但其價格較為低廉，適合一些控制要求不高的工程。全功能性的數(shù)控系統(tǒng)大致有四種：1、傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)。如FANUCO系統(tǒng)、MITSUBISHIM50系統(tǒng)、Siemens810系統(tǒng)等，這是一種專門的封閉體系構(gòu)造的數(shù)控系統(tǒng)。人機界面必須使用專門的開發(fā)工具，耗時耗力，用戶無法進展自主研發(fā)，修改不便。2、“PC嵌入NC〞構(gòu)造的開放式數(shù)控系統(tǒng)。如FANUCl8i、16i系統(tǒng)、Siemens840D系統(tǒng)、Numl060系統(tǒng)、AB9／360等數(shù)控系統(tǒng)。它的NC局部仍然是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，其體系構(gòu)造還是不開放的，因此用戶無法介入數(shù)控系統(tǒng)的核心。這類系統(tǒng)構(gòu)造復雜、功能強大，但價格昂貴。3、“NC嵌入PC〞構(gòu)造的開放式數(shù)控系統(tǒng)。它由于開放體系構(gòu)造運動控制卡+PC機構(gòu)成。這種運動控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強的運動控制能力。可以使用戶在WINDOWS平臺下自行開發(fā)構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)，被廣泛應用于制造業(yè)自動化控制各個領域。4、SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)。這是一種最新開放體系構(gòu)造的數(shù)控系統(tǒng)。它提供給用戶最大的選擇和靈活性，它的CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件局部僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部I／O之問的標準化通用接口。與前幾種數(shù)控系統(tǒng)相比，SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)具有最高的性能價格比，因而最有生命力。在我國微電子封裝設備上使用的數(shù)控系統(tǒng)中，大多數(shù)實力比較強的企業(yè)都使用進口的高檔數(shù)控系統(tǒng)，也有一些企業(yè)使用國產(chǎn)數(shù)控?？v觀這些數(shù)控系統(tǒng)，都具有十分強大的功能，能夠適應多種生產(chǎn)環(huán)境。當然功能越強，造價就越高，并且有很多功能企業(yè)基本就沒有使用，這就造成了巨大的浪費。中國電子制造業(yè)的開展，中小批量生產(chǎn)的占據(jù)主流，這就要求點膠機數(shù)控系統(tǒng)能滿足不同加工需求，迅速高效、低成本，并能大幅度地降低維護和培訓的成本，同時還要求新一代數(shù)控系統(tǒng)具有方便的修改維護功能，以適應未來車間面向任務和訂單的生產(chǎn)組織和管理模式。所以針對我國的中小制造企業(yè)來說，開展經(jīng)濟型專用數(shù)控系統(tǒng)就顯得尤為重要了[29]。目前，經(jīng)濟型控制系統(tǒng)常用的有兩種：一種是采用可編程邏輯控制器〔PLC〕系統(tǒng)，二是采用單片機控制系統(tǒng)。其性能比較如下：1、PLC系統(tǒng)不需要附加硬件設計且軟件編程簡單，易學易用，設計周期短，開發(fā)費用低，但是PLC控制器價格昂貴。對單項工程或重復數(shù)目極少的工程，采用PLC是明智、快捷的途徑，成功率高，可靠性好。單片機控制器成本低，而且靈活性更好，功能強大，體積小，易于產(chǎn)品化，但抗干擾能力差。對于量大的配套工程，采用單片機具有成本低、效益高的特點，但這要有相當?shù)难邪l(fā)力量和行業(yè)經(jīng)歷才能使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。2、PLC系統(tǒng)配套齊全，功能完善，適用性強。開展到今天，PLC已經(jīng)形成了大中小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。不同廠家的PLC具有一樣的工作原理，類似的功能指標有一定的互換性，質(zhì)量有保證。PLC系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造。單片機產(chǎn)生的時間不長，現(xiàn)在是單片機百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機。單片機應用系統(tǒng)那么是八仙過海各顯神通，功能千差萬別，質(zhì)量參差不齊，這造成單片機開發(fā)困難，不方便維護。3、由于以單片機控制的數(shù)控系統(tǒng)通常是把編寫好的程序固化在程序存儲器中，這樣就缺乏柔性，使得程序修改變的非常不便，而且開發(fā)單片機控制系統(tǒng)需要較高的技術和較長的周期。而PLC那么編程很方便，特別是修改程序很方便，開發(fā)周期大大降低。在單片機中需要編寫很多行程序來實現(xiàn)的算法，在PLC中那么可以利用梯形圖很方便地實現(xiàn)。由于PLC是以循環(huán)掃描方式工作，即每一個狀態(tài)變化需要一個掃描周期，被控對象不能在高頻下工作，轉(zhuǎn)速較慢且不能實現(xiàn)復雜的運動關系[24-31]。本課題研究的點膠機專為揚聲器邊圈涂膠，揚聲器邊圈的涂膠是電聲廠家的一大難題。隨著時代的開展,揚聲器形狀趨于多樣化,但形狀各異的揚聲器要用同一涂膠機來加工卻是困難重重,加上膠水固化、涂膠不均等問題,使得大多廠家只能采用人工涂膠。鑒于PLC的優(yōu)點和運動控制功能以及平面運動控制所需控制電機數(shù)目少的特點，提出了用PLC控制步進電機實現(xiàn)平面運動控制功能方案，研制一套采用PLC為運動控制器的點膠機運動控制系統(tǒng)。小型PLC的功能越來越強，除了典型的順序控制外，在點位控制、遠程控制等領域的應用越來越多，但由于沒有圓弧插補指令，除非用高級位置模塊，否那么無法應用在輪廓控制的領域。自動點膠機對數(shù)控裝置插補精度和進給速度要求不是很高，采用可靠性高、性能優(yōu)良的松下FPX系列小型PLC開發(fā)這類控制裝置，解決了插補問題，經(jīng)濟實用，是較好的選擇。故本文選用松下FPX系列小型PLC作為運動控制器。2.5松下FP系列PLC2.5.1松下FPX特點松下FPX是適用于小規(guī)模設備控制的小型通用PLC，以其低廉的價格和強大的控制功能，在中小規(guī)模企業(yè)中得到廣泛應用。其特點如下：〔1〕基本性能FPX作為適用于小規(guī)模設備控制的小型通用PLC，具有充實的基本性能，雖然只是AC電源、螺絲端子臺、繼電器輸出的通用型式，但具有1.32k步的程序容量2.0.32μs的指令處理速度3.最大382點的I/O控制〔E30R出售時〕的基本性能?！?〕特殊功能在控制單元上標準裝載了單相8ch、2相4ch的高速計數(shù)器功能。能對來自傳感器、編碼器等外部的輸入進展計數(shù)，其值到達目標值時，可將任意的輸出。通過使用脈沖輸入輸出插卡，可使用高速計數(shù)器和脈沖輸出功能。脈沖輸出頻率最大可達100kHz，因此，不僅能對應于使用步進電動機的位置控制，而且還能對應于使用伺服電動機的位置控制?！?〕擴展功能作為可選件，準備有豐富多彩的擴展插卡〔5種類型的功能插卡、4種通信插卡〕:1、功能插卡：DC8點輸入型、晶體管8點輸出型、模擬2ch輸入型、高速計數(shù)器輸入＋脈沖輸出型、帶實時時鐘的主存儲器型〔32k步的程序可復制、保存〕2、通信插卡：RS232C1ch型、RS232C2ch型、RS485/RS422切換1ch型、RS232C＋RS485各1ch型3、擴展單元：在專用的擴展單元上，可裝載FP0擴展單元。通過擴展FP0適配器，最多可裝載3臺FP0擴展單元?！?〕通信功能可使用USB電纜與計算機進展直接連接〔C14除外〕，不需要USB?RS232C適配器/電纜，同時還裝載了以往的編程口RS232C。利用主機上的標準編程口〔RS232C〕可以與顯示面板或計算機通信。另外，還備有作為RS232C端口及RS485端口通信用的通信插卡選件。在FP－X上安裝RS232C2通道型通信插卡后，可以連接2臺RS232C設備。另外還配備了1:N通信〔最多99臺〕、PC〔PLC〕之間鏈接〔最多16臺〕等豐富的通訊功能?！?〕其他功能1、對應PWM輸出功能的加熱控制，使用專用指令，可以取出任意占空比的脈沖輸出.2、主機上配備了標準模擬電位器。無需使用編程工具，能夠輕便地使用模擬定時器等。3、可追加實時時鐘功能。安裝另外銷售的FP－X主存儲器插卡〔AFPX－MRTC〕和備份電池〔AFPX－BATT〕，即可使用實時時鐘功能。4、FPX維護簡單，程序內(nèi)存使用EEPROM，無需備用電池；此外FPX還增加了程序運行過程中的重寫功能。2.5.2松下FP系列PLC的編程元件(1)輸入繼電器(X)輸入繼電器是PLC承受外都輸入信號的窗口。PLC通過光電耦合器，將外部信號的狀態(tài)讀入并存儲在輸入鏡象存放器中。輸入端可以外接常開觸點或常閉觸點，也可以接多個觸點組成的串并聯(lián)電路或電子傳感器(如接近開關)。在梯形圖中，可以屢次使用輸入繼電器的常開觸點和常閉觸點。松下FP系列PLC的輸入繼電器的元件號為十六進制。PLC在每一個周期開場時讀取輸入信號，輸入信號的通、斷持續(xù)時間應大于PLC的掃描周期。如果不滿足這一條件，可能會喪失輸入信號。(2)輸出繼電器(Y)輸出繼電器是PLC向外部負載發(fā)送信號的窗口。輸出繼電器用來將PLC的輸出信號通過輸出電路硬件驅(qū)動外部負載。輸出繼電器的線圈在程序設計時只能使用一次，不可重復使用。但觸點可以屢次使用．輸出繼電器的線圈“通電〞后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件輸出繼電器的常開觸點閉合，使外部負載工作。硬件輸出繼電器只有一個常開觸點，接在PLC的輸出端子上．松下FP系列PLC的輸出繼電器的元件號為十六迸制。(3)輔助繼電器(R)PLC內(nèi)有很多輔助繼電器。它們是用軟件實現(xiàn)的。輔助繼電器的線圈，可以由PLC內(nèi)部各軟繼電器的觸點驅(qū)動，它們不能象輸入繼電器那樣接收外部的輸入信號，也不能象輸出繼電器那樣直接驅(qū)動外部負載，而是一種內(nèi)部的狀態(tài)標志，起到相當于繼電器控制系統(tǒng)中的中間繼電器的作用。松下FP系列PLC的輔助繼電器分為通用輔助繼電器和特殊輔助繼電器，其元件號為十六進制。(4)定時器(T)PLC內(nèi)有幾百個定時器，其功能相當于繼電控制系統(tǒng)中的時間繼電器。定時器是根據(jù)時鐘脈沖的累積計時的。時鐘脈沖有l(wèi)ms、10ms、100ms和1s四種，當所計時間到達設定值時，其輸出觸點動作。(5)計數(shù)器(C)計數(shù)器在程序中用作計數(shù)控制。松下FP系列PLC的計數(shù)器是16位減計數(shù)器，都有兩個輸入，一個用于計數(shù)，一個用于復位。(6)數(shù)據(jù)存放器(DT)數(shù)據(jù)存放器是存儲數(shù)值數(shù)據(jù)的軟組件，用DT表示。數(shù)據(jù)存放器可以存儲16位=進制數(shù)或稱一個字。要想存儲32位二進制數(shù)據(jù)(雙字)，必須同時用兩個序號連續(xù)的數(shù)據(jù)存放器進展數(shù)據(jù)存儲。例如用DT0和DT1存儲雙字，DT0存放低16位，DT1存放高16位。字或雙字的最高位為符號位，O表示為正數(shù)，1表示為負數(shù)。數(shù)據(jù)存放器數(shù)值的讀出與寫入一般采用應用指令完成，并可以利用顯示模塊及編程器直接讀出與寫入．2.6小結(jié)運動控制卡在高精領域比PLC更好，二次開發(fā)性更強,未來將會是PC-BASE卡與系統(tǒng)總線統(tǒng)治數(shù)控界，但PLC也不會退出市場因為其價格低廉，完全可以勝任不少要求不高的工作，節(jié)省成本。本課題研究的點膠機運動軌跡簡單，處理有限的幾種產(chǎn)品點膠，對運動控制的能力要求不高，企業(yè)經(jīng)費有限，物美價廉的小型PLC成為主要選擇。在我國中小型企業(yè)，很多企業(yè)點膠設備還是手工操作，使用PLC開發(fā)合理的應用程序，對設備進展改造，還大有可為。本課題開發(fā)的基于PLC的自動點膠機控制系統(tǒng)，從PLC的能力分析，可以完成自動點膠機對點，直線，弧線，圓，橢圓等各種情況的點膠。點膠機對操作界面要求不高，需要的控制場景不多，并且要求設計的界面簡單明了。松下松下GT30觸摸屏價格廉價，可以與多種型號的PLC連接，滿足傳輸數(shù)據(jù)的要求。第三章點膠機的驅(qū)動方案進展點膠機的總體設計時，需要考慮到控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。點膠機的動作控制絕大局部屬于邏輯控制，因此選擇PLC〔可編程序控制器〕來完成機床的動作控制。點膠機驅(qū)動系統(tǒng)是接收信號后利用各種電動機產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動膠槍和工件以進展各種動作完成理想運動的執(zhí)行機構(gòu)。驅(qū)動系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對工作臺的控制，使其根據(jù)控制系統(tǒng)的指令做出適宜的動作。3.1點膠機的傳動方式XY平臺的運動方式有兩種可以選擇的方式，一種是基于單軸運動模式，另一種就是基于多軸協(xié)調(diào)運動模式。單軸運動是極坐標的控制形式，通過控制單軸的長度和角度來實現(xiàn)各種運動軌跡。多軸模式是常見的XY工作臺，通過多軸的協(xié)調(diào)動作實現(xiàn)理想軌跡。出于節(jié)約時間，提高效率的考慮，工作平臺采用多軸協(xié)調(diào)運動的方式實現(xiàn)直線插補和圓弧插補。描述復雜的多軸協(xié)調(diào)運動軌跡的最簡單的方法是利用坐標系。由于在坐標系內(nèi)能夠方便地描述運動對象的運動軌跡，所以多軸協(xié)調(diào)運動又稱為坐標系運動。在坐標系運動控制模式下可以實現(xiàn)單段軌跡運動、多段軌跡連續(xù)運動。圖3.2XY工作臺示意圖Fig3.2TheschemesofXYworkbench一個典型的控制進給系統(tǒng)，由運動控制器、驅(qū)動單元、機械傳動裝置和執(zhí)行元件等幾局部組成。其中，機械傳動裝置是位置控制中的一個重要環(huán)節(jié)。機械傳動裝置，是指將驅(qū)動源的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整個機械傳動鏈?？刂破骺刂破鹘涌陔娐穲?zhí)行部件傳動機構(gòu)XY工作臺圖3.3控制進給示意圖Fig3.3Theschemesofsteppingcontrol點膠設備的工作臺，大多只需要完成平面二維運動。每一維的運動機構(gòu)，都由電機提供動力，傳動機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，或者直接采用直線電機的方式。傳統(tǒng)的傳動構(gòu)造大都使用滾珠絲杠傳動和齒輪齒條傳動，傳動方式對運動控制有較大影響，要綜合考慮。〔1〕絲桿螺母傳動：通過絲桿螺母將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)為定位平臺的直線運動，構(gòu)造簡單、安裝維護方便。但是長距離滾珠絲杠受自身重力作用及旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的慣性作用造成的絲杠變形負載不能太大，壽命低，成本高，對污染較為敏感?！?〕齒輪齒條傳動：耗能小，可靠，噪音低，傳動功率大，效率高。但容易發(fā)生齒面磨損，并且要求潤滑條件好。由于齒間間隙，會出現(xiàn)一段空行程，在數(shù)控機床中并不適用。由于機械設備不斷向高精度、高速度、大功率、長壽命、低噪聲、低成本和緊湊化方向開展，近年來帶傳動產(chǎn)品在保證一定強度條件下逐步向輕薄方向開展。同步帶傳動在汽車制造、機床、紡織機械等行業(yè)得到廣泛應用。同步帶傳動又稱齒形帶傳動。它集齒輪、鏈條、帶傳動等優(yōu)點于一體，具有傳動效率高、傳動比準確、噪聲小、節(jié)能、維修方便等特點，20世紀80年代起，逐步成為精細機械的主導傳動產(chǎn)品。齒形帶與傳統(tǒng)傳動帶的最大差異在于同步、靜音。因此，它是當今最受推崇的環(huán)保型產(chǎn)品。同步帶的工作面呈齒形，與帶輪的齒槽作嚙合運動，并由帶的抗拉層承受載荷，以保持帶的接線長度不變，故帶與帶輪之間沒有相對滑動，可以實現(xiàn)帶與帶輪之間的同步傳動。同步帶除了傳遞運動動力外，還可以進展高精度的定位運動，精細輸送等。同步帶傳動的主要失效形式包括帶的疲勞斷裂、帶齒的剪切和壓潰以及同步帶兩側(cè)面的磨損。同步帶的特點：〔1〕傳動準確。帶和帶輪之間的間隙很小，嚴格同步傳動，不打滑、傳動比準確，角速度恒定，故常用于準確傳動。〔2〕傳動效率高。由于傳動無滑差，初張力較小，帶體輕薄，傳動時產(chǎn)生熱量小，傳動效率可達99.5%，因此傳動效率高?！?〕傳動大，載荷范圍大。其傳動比可高達20以上，傳動功率從幾瓦到數(shù)百千瓦。〔4〕傳動速度高。能適應現(xiàn)代機械要求，進展高速連續(xù)運轉(zhuǎn)，其速度可高達80m/s?！?〕構(gòu)造緊湊。同步帶強度高，帶體輕薄，曲擾性好，能適應較小的帶輪直徑，傳動中心矩小，故構(gòu)造緊湊。 〔6〕沖擊小，傳動平穩(wěn)。同步帶傳動時，嚙合面為金屬與非金屬接觸，沖擊比齒輪傳動小的多，也沒有鏈條傳動時節(jié)線上下跳動的現(xiàn)象。因此，同步帶傳動平穩(wěn)，沖擊小，適用于精細傳動。〔7〕無需潤滑。同步帶的齒面具有自潤滑性，與帶輪槽接觸時，無需潤滑，因此也無污染?！?〕維護保養(yǎng)方便。同步帶在使用過程中基本不伸長，所以在安裝時給定的初張力，在使用中不必調(diào)整，能適應在人員不宜接觸和操作的地方使用?！?〕噪聲小，它的噪聲小于齒輪傳動和鏈條傳動。〔10〕傳動機構(gòu)質(zhì)量輕。同步帶傳動中的帶輪可以使用鋁合金或塑料，因此在傳動一樣功率時，使用同步帶傳動可以減輕傳動機構(gòu)的質(zhì)量。利用齒形帶傳動代替?zhèn)鹘y(tǒng)絲杠傳動，相對齒輪齒條傳動中能量損耗較小，可靠，噪音低，傳動功率大，效率高。介于此，本工程采用同步帶傳動，研究同步帶傳動在數(shù)控機床上的應用。3.2執(zhí)行元件分析執(zhí)行元件，是根據(jù)來自控制器的控制信息完成對受控對象的控制作用的元件，是控制系統(tǒng)的重要組成局部。它將電能或流體能量轉(zhuǎn)換成機械能或其他能量形式，直接作用于受控對象，按照控制要求改變受控對象的機械運動狀態(tài)。根據(jù)其在系統(tǒng)中的作用，選擇執(zhí)行元件時一般的考慮原那么是：(1)在整個工作循環(huán)中都能拖動負載按預期的運動要求。(2)執(zhí)行元件的性能是運動控制系統(tǒng)動態(tài)響應的基本限制因素，所以選擇執(zhí)行元件不但要考慮滿足負載拖動的要求，還要考慮它對系統(tǒng)控制性能的影響。(3)對啟、停頻率要求低，還要低速平穩(wěn)及扭矩脈動小，高速運行時振動噪音小。在機械自動化系統(tǒng)中，執(zhí)行元件根據(jù)輸入能量的不同可分為電動、氣動和液壓三類。電動執(zhí)行元件安裝靈活，使用方便，在自動控制系統(tǒng)中應用最廣。氣動執(zhí)行元件構(gòu)造簡單，重量輕，工作可靠并具有防爆特點，在中、小功率的化工石油設備和機械工業(yè)生產(chǎn)自動線上應用較多。液壓執(zhí)行元件功率大，快速性好，運行平穩(wěn)，廣泛用于大功率的控制系統(tǒng)。根據(jù)本課題的實際情況，應選用電動執(zhí)行元件，即將電能轉(zhuǎn)換成機械能以實現(xiàn)往復運動或回轉(zhuǎn)運動的電磁元件。電動執(zhí)行元件具有調(diào)速范圍寬、靈敏度高、響應速度快、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象等性能，并能長期連續(xù)可靠地工作。常用的電動執(zhí)行元件有直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電動機、電磁制動器、繼電器等。為了適應數(shù)字化技術開展趨勢，目前控制電機大多采用步進電機或全數(shù)字交流伺服電機。3.2.1步進電機步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛應用。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停頓的位置，只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機那么轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制，變得簡單準確。步進電機的調(diào)速，一般是改變輸入的脈沖頻率來實現(xiàn)的。運動控制器每給一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)動一個固定的角度。這樣就可以通過控制步進電機的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔，來改變脈沖的頻率，用延時長短具體控制步進角，來改變轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對步進電機的調(diào)速。由步進電機組成的步進傳動系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：(a)步進電機是一種離散運動的執(zhí)行裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術有著內(nèi)在的聯(lián)系，很容易和其他數(shù)字器件進展接口。(b)步進電機，位置誤差無積累。(c)步進電機可以位置開環(huán)方式進展控制，位甓開環(huán)，不需要位置反響，系統(tǒng)構(gòu)造簡單，不存在系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。(d)永磁式或混合式步進電機，除停轉(zhuǎn)期間消耗的電能較小以外，它們還具有記憶轉(zhuǎn)矩的功能?？梢栽谕ｋ姷臈l件下將轉(zhuǎn)子鎖定在特定的位置上。步進電機主要應用在開環(huán)、控制精度及響應速度要求不太高的運動控制場合。如數(shù)字控制系統(tǒng)、工具控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)等。步進電機最簡單的運行方式是與控制脈沖組成開環(huán)系統(tǒng)，如圖3．4表示由步進電機、驅(qū)動控制器和控制脈沖組成的開環(huán)系統(tǒng)。脈沖分配器主要通過一個脈沖輸入控制步進電機的速度，一個輸入端控制電機的轉(zhuǎn)向，并有與步進電機相數(shù)一樣數(shù)目的輸入端分別控制電機的各相。這種硬件脈沖分配器通常直接包含在步進電機驅(qū)動器內(nèi)。在數(shù)控系統(tǒng)中，通過插補運算，得到每個坐標軸的位移信號，通過輸出接口，步進電機驅(qū)動器發(fā)出高速脈沖信號和正反轉(zhuǎn)信號，可以控制步進電機的運行[41]。電源電源脈沖分配功率放大驅(qū)動器指令脈沖步進電機圖3.4步進驅(qū)動系統(tǒng)原理框圖Fig3.4Thechartofsteppingdrivesystem3.2.2交流伺服電機交流伺服電機分為交流永磁式伺服電機和交流感應式伺服電機。永磁式伺服電機機相當于交流同步電動機，常用于進給伺服系統(tǒng)；感應式交流伺服電機相當于交流感應異步電機，常用于主軸伺服系統(tǒng)。兩種伺服電機的原理都是由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場一起運行。不同點是交流永磁式伺服電機的轉(zhuǎn)速與外加交流電源的頻率存在著嚴格的同步關系，即電動機的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速；而感應式伺服電機由于需要轉(zhuǎn)速差才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以電動機的轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速差隨著負載的增大而增大。同步轉(zhuǎn)速的大小等于交流電源的頻率除以電機極對數(shù)。因而交流伺服電機可以通過改變供電電源頻率的方法來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。交流伺服系統(tǒng)由交流伺服電機和伺服驅(qū)動器組成。它是作為無刷直流伺服系統(tǒng)的替代產(chǎn)品出現(xiàn)的。由于直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，因此長期以來，在調(diào)速性能要求較高的場合，直流電機調(diào)速一直占據(jù)主導位置。但是由于它的電刷和換向的磨損，有時會產(chǎn)生火花，電動機的最高速受到限制，而且直流電機構(gòu)造復雜，成本較高，所以在使用中受到一定的限制。麗近年來，交流伺服驅(qū)動技術有了飛速的開展，它不僅抑制了直流伺服電機構(gòu)造上存在整流子、電刷維護困難、造價高、壽命短、應用環(huán)境受到限制的缺點，同時又發(fā)揮了交流伺服電機的穩(wěn)固耐用、經(jīng)濟可靠、動態(tài)響應好、輸出功率大等優(yōu)點，在某些場合交流伺服電機已經(jīng)逐漸取代了直流伺服電機。根據(jù)電動機的類型，目前將交流伺服系統(tǒng)分為同步型交流伺服系統(tǒng)和異步型交流伺服系統(tǒng)。通常永磁同步交流伺服系統(tǒng)在定位運動控制系統(tǒng)，特別是在數(shù)控機床進給伺服中應用廣泛。同步型交流伺服系統(tǒng)按照驅(qū)動電流的波形及工作原理，又可分為矩形波電流驅(qū)動的交流伺服系統(tǒng)和正弦波電流驅(qū)動的交流伺服系統(tǒng)。從開展趨勢來看，正弦波驅(qū)動將成為主流。位置比較位置比較速度比較驅(qū)動器交流伺服電機速度反響位置反響位置環(huán)主控制系統(tǒng)圖3.5交流伺服系統(tǒng)控制框圖Fig3.5ThechartofACservosystem交流伺服電機一般由永磁同步電機、轉(zhuǎn)子位置傳感器、速度傳感器組成，交流伺服電機和它的驅(qū)動器組成一個伺服系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)是一個典型的速度閉環(huán)系統(tǒng)；伺服驅(qū)動器從主控制系統(tǒng)接收電壓變化范圍為—的速度指令信號。電壓從變化到的過程中，伺服電機可實現(xiàn)從反轉(zhuǎn)最高速變化到零，然后再變化到正轉(zhuǎn)最高速[34]。但是，這種交流伺服系統(tǒng)只能實現(xiàn)對速度的閉環(huán)控制，還不能直接實現(xiàn)對位置的閉環(huán)控制。要實現(xiàn)對位置的閉環(huán)控制，必須在電機和控制系統(tǒng)間構(gòu)成一個位置環(huán),如圖3.5所示。3.2.3電機的脈沖控制在控制系統(tǒng)的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當?shù)目刂齐姍C。點膠機執(zhí)行機構(gòu)功能主要包括點膠軌跡控制、膠槍上下移動定位兩局部，對于精度的要求并不是很高，在工作中對電機的要求也相對于數(shù)控機床寬松很多?？紤]到運動控制器的選取和系統(tǒng)的實際要求，本課題選用步進電機作為執(zhí)行元件，承受運動控制器的控制。自動點膠機工作時步進電機處于低速，三相電機的步距角在1.5°左右，使用時工作效率高，噪音低。通過靜力矩和電流的分析，選擇斯達特57BYG350B型電機。步進電機作為一種控制精細位移及大范圍調(diào)速專用的電機,由于控制方法簡單，成本低廉，廣泛應用于各種開環(huán)控制。步進電機的運行需要有脈沖分配的功率型電子裝置進展驅(qū)動,這就是步進電機驅(qū)動器。它接收控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，按照步進電機的構(gòu)造特點，順序分配脈沖，實現(xiàn)控制角位移、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向、制動加載狀態(tài)、自由狀態(tài)。控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號,通過驅(qū)動器就能夠驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。角位移量與脈沖個數(shù)相關。1、必要脈沖數(shù)的計算必要脈沖數(shù)是指傳動裝置將物體從起始位置傳送到目標位置所需要提供給步進電機的脈沖數(shù)。必要脈沖數(shù)按下面公式計算：(3-1)N:必要脈沖數(shù)：物體移動的距離：距離電機旋轉(zhuǎn)一周移動的距離步進角2、驅(qū)動脈沖速度的計算驅(qū)動脈沖速度是指在設定的定位時間中電機旋轉(zhuǎn)過一定角度所需要的脈沖數(shù)。驅(qū)動脈沖數(shù)可以根據(jù)必要脈沖數(shù)、定位時間和加/減速時間計算得出。〔1〕自啟動運行方式自啟動運行方式是指在驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)和停頓時不經(jīng)過加速、減速階段，而直接以驅(qū)動脈沖速度啟動和停頓的運行方式。自啟動運行方式通常在轉(zhuǎn)速較低的時候使用。同時，因為在啟動/停頓時存在一個突然的速度變化，所以這種方式需要較大的加/減速力矩。自啟動運行方式的驅(qū)動脈沖速度計算方法如下：(3-2)V驅(qū)動脈沖速度N必要脈沖數(shù)T定位時間圖3.6自啟動運行方式Fig3.6self-startingoperationmode〔2〕加/減速運行方式加//減速運行方式是指電機首先以一個較低的速度啟動，經(jīng)過一個加速過程后到達正常的驅(qū)動脈沖速度，運行一段時間之后再經(jīng)過一個減速過程后電機停頓的運行方式。其定位時間包括加速時間、減速時間和以驅(qū)動脈沖速度運行的時間。加/減速時間需要根據(jù)傳送距離、速度和定位時間來計算。在加/減速運行方式中，因為速度變化較小，所以需要的力矩要比自啟動方式下的力矩小。加/減速運行方式下的驅(qū)動脈沖速度計算方法如下：〔3-3〕圖3.7加減速運行方式Fig3.7decelerationoperationmode3.3點膠機控制系統(tǒng)硬件點膠機控制系統(tǒng)的驅(qū)動情況好壞關系到控制系統(tǒng)的精度，具有重要意義。本章表達點膠機的機械構(gòu)造，分析了XY工作臺的傳動方式。詳細介紹了同步帶傳送與傳統(tǒng)傳動方式的優(yōu)越性，闡述了執(zhí)行元件的選用原那么，分析了控制電機的分類，論述了步進電機與交流伺服電機的原理及優(yōu)缺點。從點膠機的控制要求及成本等方面考慮，決定選用同步帶傳動方式，執(zhí)行元件選用斯達特57BYG350A型步進電機。最終可以確定自動點膠機的硬件配置如表3.1所示。表3.1自動點膠機硬件配置Table3.1thehardwareconfigurationofAdhesiveinjectingmachine產(chǎn)品數(shù)量類型FPXC601PLCGT101觸摸屏斯達特57BYG350A3步進電機步進電機驅(qū)動器細分差動輸入3步進驅(qū)動器同步帶與帶輪3套移動平臺1個固定膠水的固件1個開關按鈕1個按鈕機架1套24VDC電源1個電源點膠機控制系統(tǒng)主要由1臺松下FPX-C60T系列PLC、松下GT30觸摸屏、2臺步進電機和相應的功率驅(qū)動器組成，如圖3.6所示。點膠機控制系統(tǒng)的各個部件的接線順序和連接關系如圖3.7的電氣原理圖所示。松下松下FPX系列PLC松下GT30觸摸屏驅(qū)動驅(qū)動步進電機1步進電機2圖3.8控制系統(tǒng)組成圖Fig．3．8Thecompositionfigureofcontrolsystem圖3.9點膠機電氣原理圖Fig3.9TheelectricaldiagramofAdhesiveinjectingmachine第四章點膠機運動控制分析4.1點位控制在點膠過程中，點位控制一般用在膠槍的快速移動和手動微調(diào)上，主要是實現(xiàn)有一個位置到另一個位置的準確移動，并不考慮其運動軌跡。在本運動控制系統(tǒng)的程序中，首先要在觸摸屏界面輸入目標點坐標，通過通信端口把一系列的目標點坐標放在指定的PLC數(shù)據(jù)存放器中。通過計算將目標點的坐標值減去起始點的坐標值，可以得出起始點和目標點的相距的距離，然后將此距離乘以移動單位距離步進電機所需要的脈沖數(shù)。可以通過比較目標點和起始點的坐標值來判斷步進電機的轉(zhuǎn)向，流程圖如圖4.1所示。數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理開場運行開場運行計算X方向所需脈沖數(shù)計算X方向所需脈沖數(shù)計算Y方向所需脈沖數(shù)計算Y方向所需脈沖數(shù)X軸電機運行X軸電機運行是否到達目標點是否到達目標點Y軸電機運行Y軸電機運行是是否否完畢完畢圖4.1點位運動控制流程圖Fig4.1Piontmotioncontrolflowchart4.2插補運動控制4.2.1插補概念與插補方法的選擇在點膠過程中，膠槍相對工件的基本位移量是步進電機轉(zhuǎn)動的一定脈沖量，因此點膠的運動軌跡是由小段折線構(gòu)成的，不可能嚴格的沿著所需要的軌跡〔直線、圓弧或跑道等類型曲線〕運動，只能用折線逼近所要求的輪廓曲線。在數(shù)控加工中，運動軌跡的起點坐標、終點坐標和曲線方程，根據(jù)這些信息實時的計算出各個中間點的坐標，通常把這個過程稱為“插補〞。插補實質(zhì)上是根據(jù)有限的信息完成數(shù)據(jù)點的密化工作。要走出要求的運動軌跡，必須控制膠槍相對工件以給定的速度沿指定的路徑運動，即控制個坐標軸以某一規(guī)律協(xié)調(diào)運動。平面曲線的運動軌跡需要兩個運動來協(xié)調(diào)，空間曲線或立體曲面那么要求三個以上的坐標產(chǎn)生協(xié)調(diào)運動。插補運算所采用的原理和方法很多，目前常用的各種插補算法大致分為兩類：〔1〕基準脈沖插補基準脈沖插補又稱脈沖增量插補，這類插補算法是以脈沖形式輸出，每插補運算一次，最多給每一軸一個進給脈沖。把每次插補運算產(chǎn)生的指令脈沖輸出到伺服系統(tǒng)，以驅(qū)開工作臺運動，每發(fā)出一個脈沖，工作臺移動一個基本長度單位，也叫脈沖當量，脈沖當量是脈沖分配的基本單位?；鶞拭}沖插補的實現(xiàn)方法比較簡單，通常僅用加法和移位運算方法就可以完成插補，因此他比較容易用PLC實現(xiàn)，而且運算速度很快。這類插補算法有逐點比較法、最小偏差法、數(shù)字積分法、目標點跟蹤法等。(2)數(shù)據(jù)采樣插補數(shù)據(jù)采樣插補又稱時間增量插補，這類算法插補結(jié)果輸出的不是脈沖，而是標準二進制數(shù)。根據(jù)程編進給速度，把輪廓曲線按插補周期將其分割為一系列微小直線段，然后將這些微小直線段對應的位置增量數(shù)據(jù)進展輸出，以控制伺服系統(tǒng)實現(xiàn)坐標軸的進給。插補程序以一定的時間間隔運行，在每個周期內(nèi)根據(jù)進給速度計算出各坐標軸在下一個插補周期內(nèi)的位移增量。插補運算速度與進給速度無嚴格的關系。因而采用這類插補算法時，可到達較高的進給速度。在這套基于PLC的點膠機運動控制系統(tǒng)中所采用的插補方法是逐點比較法，這種方法計