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手机电池贴标机 手机电池包装机控制部分设计【手机电池贴标机】 手机电池 装机 控制 部分 设计 贴标机

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XXXXXX毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 手机电池包装机控制部分设计 学号： XXXXXX 姓名： XXXXXX 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 系主任： 一、主要内容及基本要求 据贴标机的加工工序、工艺路线和工位参数，对贴标机设计作了功能性分析。完成贴标机的贴标整体机构设计，实现气动机械手的取标，贴标过程的电气控制，完成控制柜的电气原理图设计和接线图设计，实现机-电-气一体化。需编写相应的设计说明书，画出控制系统的主电路图，PLC的接线图，画出系统控制部分的梯形图，并写出语句表。 二、重点研究的问题 手机电池贴标机的功能性分析和总体设计，贴标机系统的硬件设计包括PLC的选型，主电路的设计，PLC输入输出信号地址的分配 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅相关文献资料2012年2月中旬2通过阅读文献资料完成开题报告2012年3月中旬3研究贴标机控制系统的工作原理和基本工作过程，完成方案设计2012年4月上旬4完成电气控制图的绘制2012年4月下旬5完成毕业设计说明书和外文文献翻译2012年5月下旬6答辩2012年5月31日四、应收集的资料及主要参考文献1 袁志毅.日本贴标自动装置的动向J.技术与机械，2002.2（5）：24-26.2 孙小宁.全自动贴标机的研究与开发D.南京理工大学，20033 魏国辰.物流机械的运用与管理（第二版）M.北京：中国物质出版社，20024 徐伟.陈卫东.谭树人.应用 RV-E3-ST 的智能贴标机系统的设计与实现J.制造工程，2006.12：8-9.5 毕娟.杨存祥.马庆华.李学桥.基于 PLC 的自动贴标机控制系统的研制J.郑州轻工业学院学报，2004.1：96-97.6 呼英俊.王开和.苗德华.王冬生.王宝光.小型异形瓶贴标机研制J.包装与食品机械，2002.20（1）：4-6.7 李标机 贴 标 质 量 因 素 探 讨 J. 现 代 食 品 科 技 ，2006.11(22):86-88.学桥.柳宁.郭国安.马庆华.陈鹿民.自动贴标机 PLC 系统的研制J.郑州轻工业学院学报，1997.12（2）：14-168 许林成.包装机械原理与设计（第一版）M.上海：上海科技出版社，19989 张芙蓉.全自动粘贴式贴标机J.轻工业机械J，1997.3：33-35.10麦 进 . 陈 丽 琼 . 影 响 贴 标 机 贴 标 质 量 的 因 素 探 讨 J. 现 代 食 品 科 技 ，2006.11(22):86-88 11刘艳梅等著作.三菱PLC基础与系统设计.北京:机械工业出版社,2009.7 XXXXXX毕业设计说明书毕业设计说明书题题 目：目： 手机电池包装机控制部分设计手机电池包装机控制部分设计 学学 院：院： XXXXXXXXXXXX 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 学学 号：号： XXXXXXXXXXXX 姓姓 名：名： XXXXXXXXXXXX 指导教师：指导教师： XXXXXXXXXXXX 完成日期：完成日期： 2012-5-302012-5-30 目 录第 1 章 绪论.11.1 贴标机的研究现状和发展趋势.11.2 PLC 与其它工业控制系统的比较.21.3 PLC 在全自动包装机上的应用.31.4 本课题研究内容.4第 2 章 贴标机的功能分析和总体设计.521 手机电池贴标机的功能分析.52.2 系统整体方案设计 .52.3 本章小结.7第 3 章 贴标机系统硬件的设计.83.1 下位机控制系统的选型 .83.2 下位机控制系统的硬件配置 .103.3 系统主电路设计.133.4 PLC 系统控制电路设计.163.3 本章小结 .19第 4 章 控制系统软件设计.204.1 下位机 PLC 程序的实现 .204.2 通信程序的设计 .224.3 系统控制部分梯形图设计.27第 5 章 结论与展望.325.1 全文总结 .325.2 研究展望 .32致谢.34参考文献.35附录 I 外文原文.36附录 II 外文翻译.41手机电池贴标机手机电池贴标机摘要：摘要：贴标机是一种自动化程度高、复杂系数大的机电一体化产品,主要用于化妆品,保健品、日用品、食品和电池等行业的包装。由于贴标机较为复杂,制造难度大,目前这方面的需求大多依赖进口,而国外贴标机的价格十分昂贵,很难被我国市场所接受。本文研究和开发一种自动化程度高，结构简单，操作可靠的手机电池自动贴标机具有重要的实际价值。本文以研究和开发全自动的贴标机为目标，主要完成的工作有：1、对手机电池的贴标工艺做了深入研究，完成了贴标机的控制系统部分设计，应用三菱公司的 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 实现电气部分设计和控制程序的实现。2、为了实现贴标机高精度的性能，本文改进了普通两相混合式步进电机的闭环控制方法3、绘制电路连接图，编写 PLC 控制程序。关键词：关键词：自动贴标机，可编程控制器，串口通信Mobile phone battery labeling machineAbstract:Abstract:Labeling machine is a high degree of automation, complex factor is big electromechanical integration products, mainly used for cosmetics, health care products, daily necessities, food and battery industries of packing. Because labeling machines is relatively complex, manufacturing is difficult, at present the most demand dependence on imports, and foreign labeling machines price is very expensive and difficult to Chinas market place is accepted. This paper research and development and a high degree of automation, simple structure, reliable operation of the cell phone battery to be automatic labeling machine has important practical value. Based on the research and development of the automatic labeling machines as the goal, the main completed work:1. The labeling process on the wafer to do in-depth studies, completed the labelingmachine control system design, application of keyences FX2N-32MR-E/UL Series PLC to achieveelectrical design and control procedures can be achieved.2. In order to achieve high precision performance labeling machine, the paper improved the ordinary two-phase hybrid stepping motor of the closed-loop control method. 3 Draw circuit connection diagram, writing PLC control procedures.Key words: automatic labeling machines, programmable controller, serial0 第第 1 章章 绪论绪论1.1 贴标机的研究现状和发展趋势贴标机的研究现状和发展趋势早在上世纪 70 年代，欧美等发达国家就开始应用标签来管理产品。标签技术是利用标签上的产品的重要信息。将标签贴付在产品或者商品上一件繁琐的工作，传统的贴标是靠人工手动贴标，先将标签剥离，然后贴在产品上。不仅工人劳动强度大、贴标顺序难以一一对应；而且不便于管理、误差较高和造成标签的二次污染。随着自动化技术的发展和制造行业的产品管理水平的提高，越来的越多的厂家倾向于使用一种高速自动贴标机器，不仅可以改善贴标质量，而且可以极大的提高贴标速度；降低劳动力成本。贴标机的分类方法多样。按自动化程度，贴标机可分为半自动贴标机和全自动贴标机：按容器的运行方向可分为立式贴标机和卧式贴标机；按标签的种类可分为片式标签贴标机、卷筒状标签贴标机、热粘性标签贴标机和感压性标签贴标机，收缩筒形标签贴标机：按容器的运动形式可分为直通式贴标机和转盘式贴标机；按贴标机结构可分为龙门式贴标机、真空转鼓式贴标机、多标盒转鼓贴标机、拨杆贴标机、旋转形贴标机;按贴标工艺特征可分为压式贴标机、滚压式贴标机、搓滚式贴标机、刷抚式贴标机等。目前，主要的自动贴标技术有三种1： (1)“吸贴法”(或“气吸法”)这是最常用的贴标技术。当标签纸离开传送带后，分布到真空垫上，真空垫连接到一个机械装置的末端。当这个机械装置伸展到标签与包装件相接触后，就收缩回去，此时就将标签贴附到包装件上。这种技术可靠地实现正确地贴标，且精度高，这种方法对于产品包装件的高度有一定变化的顶部贴标，或对于难于搬动的包装件侧面贴标是非常适用的，但是它的贴标速度较慢。(2)“吹贴法”(或“射流法”)这种技术的某些运作方式与上述所吸贴法相似的，就是将标签放置到真空表面垫上固定，直到贴附动作开始为止。但在本方法中真空表面是保持不动的，标签固定和定位在一个“真空栅”上， “真空栅”为一个上面具有几百个小孔的平面，这些小孔是用来维持形成“空气射流”的。由这些“空气射流”吹出一股压缩空气，压力很强，使真空栅上标签移动，让它贴附到被包装物品上。这是一项稍具复杂性的技术，它具有较高的精度和可靠性。(3)“擦贴法”(或“刷贴法”)第三种贴标方法称为同步贴标法，也可称作“擦贴法” 、 “刷贴法”或“接1触粘贴法” 。在贴标时，当标签的前缘部分粘附到包装上后，产品就马上带走标签。在这一种贴标机中，只有当包装件通过速度与标签分配速度一致时，这种方法才能成功。这是一项需要维持连续作业的技术。此外，为使标签的贴附满足完整恰当的要求，像刷子或滚筒那样的第二套装置也是不可缺少的。随着自动化水平的提高，特别是伺服电机和步进电机控制技术的发展以及 MRPII 和 ERP 等生产管理系统的出现贴标机向着以下几个发展方向:(1)工件或产品搬送的驱动改为步进电机或者伺服电机来传动滚珠丝杠，代替了传统上用气缸驱动工件，大大的提高了贴标机在搬送工件的过程中的定位控制精度，改善了贴标质量。(2)自动化程度不断提高，过去的手工半手工的复杂作业，己被半自动或自动的贴标机所取代，且逐渐向控制智能化的方向发展。(3)先进的机电技术和新元件被综合应用于贴标机中，并通过采用先进的设计方法提高产品设计质量，缩短制造周期。贴标机作为包装生产线的一个重要组成部分，直接影响到包装质量，因此要努力提高贴标质量，根据贴标要求从设计、制造、装配、调试等方面综合考虑，以较低的成本满足贴标机的功能要求。1.2 PLC 与其它工业控制系统的比较与其它工业控制系统的比较1.2.1 PLC 与继电器控制系统的比较 继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一但确定就很难轻易再改动。如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。而 PLC 是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变 PLC 内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于一个 PLC 来讲，只要用 PLC 配备的编程器在现场就可以完成更改。至于 PLC 对外部的联系，只有 I/O 点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低。一次动作一般为数十毫秒。对于复杂的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而PLC 是以微型计算机为基础的控制装置，其运行速度为每个指令步数十微秒(对于高速 PLC 则是 5 微秒以下)。并且内部有严格的同步，所以不会出现抖动的问题。对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。由于时间继电器是利用空气阳力，半导体延时电路来实现延时的，所以其定时精度低，调整不一方便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而 PLC则是由晶体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时2的，定时范围一般为 0.1 秒，也有 0.01 秒的，精度一般高于 10 毫秒，只要根据需要由编程器送入时间常数即可实现定时时间的设定或更改。由于 PLC 的定时是对时基脉冲进行计数来实现的，所以如果是对脉冲进行计数，就成为计数器。现代的 PLC 一般都具有定时器和计数器功能。 从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连接线一也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松动，所以可靠性和可维护性都较差。而 PLC 则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在下述缺点。而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透明。1.2.2 PLC 与单片机控制系统比较 虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，担它仍然不是为工业控制而设计的。同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量控制，所以其长处仍得不到发挥。单片机与 PLC 的比较：在很大程度上，单片机是专一为工业控制而设计的。因此，它具有较好的环境适应性。事实上，现代 PLC 的核心就是单片微处理器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势。们是不可否认，从单片机到工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然 PLC 也有必不可少的软件开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。而 PLC 用专用的指令系统来编程的。前者复杂而易出错，开发周期长。后者简便易学，现场就可以开发调试。 单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项日。硬件上主要受 CPU、内存容量及 I /O 接口的限制；软件上主要受限于与 CPU 类型有关的编程语言。一般说来单片机或单片机系统的应用只是为某个特定的户二品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都相当差。1.3 PLC 在全自动包装机上的应用在全自动包装机上的应用 包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，具有较多的执行元件。在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC 控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是 PLC 的内部寄存器，在 PLC 编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的 PLC 都有上百点内部辅助继电器甚至更多，而且还有多种专用3的内部电器，足可以应付一般的控制要求但唯一需要做的就是对 PLC 进行编程。事实上 PLC 用于这种场合是最能显现出其经济性的，然我们不能忽视了 PLC 的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC 最适合于需要大量中间继电器的场合。且 PLC 与其他工业控制系统比较具有许多优点： 更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动，程序可以复制，批量生产很容易，电气硬件设计大人简化。由于 PLC 除有继电器功能外，尚有多种其他功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化，可靠性高； 成本相对于继电器控制稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而 PLC 控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性； 因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了 PLC 来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。如果能用 PLC 来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，是机器在某种程度上实现科能化。通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用 PLC 控制系统。1.4 本课题研究内容本课题研究内容现代市场上可以直接购买的贴标机虽然种类繁多，但是不仅价格昂贵，而且只是适应某些产品的贴标要求，贴标的通用性不强。贴标机大多针对产品的商标贴标，都是将标签直接贴在产品或者包装件上，因此没有上位机参与管理。本课题具体主要研究内容如下：（1）据贴标机的加工工序、工艺路线和工位参数，对贴标机设计作了功能性分析。完成贴标机的贴标整体机构设计，实现气动机械手的取标，贴标过程的电气控制，完成控制柜的电气原理图设计和接线图设计，实现机-电-气一体化。（2）实现 PLC 控制程序的实现，包括系统气动 PLC 程序，包括气缸贴标动作的控制。4 第第 2 章章 贴标机的功能分析和总体设计贴标机的功能分析和总体设计21 手机电池贴标机的功能分析手机电池贴标机的功能分析根据贴标工艺和要求，本论文设计手机电池贴标机必须满足以下设计功能要求：（1）将标签精确的贴在手机电池上。要实现这一功能必须对电池抽屉盒进给量进行精确定位控制。需要设计一个精确的位置伺服系统，要求手机电池在上升位移量过程中无位置静差、无超调或者小超调、响应速度快和系统的动态性能好。（2）要求所有动作自动运行，无须人工参与，通过控制系统完成所有动作协调和连续执行。（3）有良好的人机交互式界面，通过上位机的监控界面可以对设备的良好的操作，如对通过计算机可以对设备的单步和连续自动运行。要实现这一功能就必须对 PLC 的位编程，如输出点、中间继电器点和定时器点可在在上位机的人机交互式界面进行操作。通过上位机 RS232 串口通信来对可编程控制器内部输入、输出点、定时器和中间继电器进行读写操作。2.2 系统整体方案设计系统整体方案设计2.2.1 系统的整体架构本文设计的手机电池贴标机的控制系统主要是自动贴标系统的控制，该系统涉及计算机、通信、机械、人工智能等多个技术领域的理论知识。根据上一节贴标机的设计功能要求，拟采用工控机用来作为上位机，以三菱的 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 作为下位机。手机电池自动贴标机的整体设计方案框图如图 2.1 所示：5图 2.1 系统整体设计方案框图由图 2.1 分析可以得出，PLC 控制系统作为控制系统的下位机，主要负责标签贴标动作控制，如：气动电磁阀的控制贴标、吸附标签、气动机械手搬送电池、电池搬送系统位置伺服步进电机的精确定位控制。2.2.2 手机电池贴标机的原理及工作过程原理：工作过程的开始是电池在传送带上以一个不变的速度向贴标机进给。机械上的固定装置将电池之间分开一个固定的距离，并推动箱子沿传送带的方向前进，贴标机的机械系统包括一个驱动轮，一个贴标轮，和一个卷轴。驱动轮间歇性地拖动标签带运动，标签带从卷轴中被拉出，同时经过贴标轮贴标轮会将标签带压在电池上。在卷轴上采用了开环的位移控制，用来保持标签带的张力因为标签在标签带上是彼此紧密相连的，所以标签带必须不断起停。标签是在贴标轮与电池移动速度相同的情况下被贴在电池上的。当传送带到达了某个特定的位置时，标签带驱动轮会加速到与传送带匹配的速度，贴上标签后，再减速到停止。由于标签带有可能会产生滑动，所以它上面有登记标志，用来保证每一张标签都被正确地放置。登记标志通过一个传感器来读取，在标签带减速阶段，驱动轮会从新调整位置以修正标签带上的任何位置错误。工作过程：步进马达带动卷料轴、出料盘运转，通过出料盘与卷料盘的拉力，标签在剥标板处剥离，由光电检测头确认剥离位置，并发出停止指令，此时，送料马达带动吸标装置前移，吸标板吸住标签，吹气装置开始工作，标签随马达前移至限定位置，左纠偏气缸及前纠偏气缸同时推出。形成九十度的直角，对吸标板上的标签进行精确校正，出标工序完成。推料气缸推动电池至电池竖截面限位位置，前纠正气缸推出，对电池进行6精密定位，移载马达带动第一吸头至电池定位位置，下移并吸住电池，前纠正气缸退出，第一吸头提起电池移至标签位置并落下，顶滚位抬起，手机电池贴标机.粘附标签的电池随第一吸头后移，至顶滚位滚压，赶出气泡并抬起后移至侧滚位，吸标装置回至原点，并准备下一流程，侧滚前出，第一吸头下压，使侧面标签随侧滚滚动定位，侧位夹紧气缸夹紧电池，侧滚后退，第一吸头放下电池，提起，移至下一工作位置，侧滚前推，滚压电池侧面标签，后移，第二吸头前移至侧滚位，下移并吸住电池，侧位夹松开，第二吸头提起电池至双侧滚位，双侧滚同步前出，第二吸头下落，电池通过双侧滚的平衡张力完成电池双肩部位的贴标，同时下移至前后夹紧位， ，前后夹夹紧电池，双侧滚后退，第二吸头放下电池抬起，双侧滚按设定程序前滚-后退-后滚-后退，完成标签结合处贴标，第二吸头前移至下一工作位，第三吸头前移至双侧滚位，下落并吸起电池，前后夹松开，第三吸头抬起并后移至出料口放下电池，贴标工序完成。2.3 本章小本章小结结本章根据贴标机的贴标工艺与要求，对贴标机的功能进行了分析；并根据贴标功能和要求对贴标机进行了整体方案设计，对贴标系统机械动作控制系统进行设计。7 第第 3 章章 贴标机系统硬件的设计贴标机系统硬件的设计控制系统硬件设计主要分为两个部分，上位机贴标的管理信息控制系统的硬件设计和下位机 PLC 贴标控制系统的硬件设计，并对电气控制柜的元器件进行布局。3.1 下位机控制系统的选型下位机控制系统的选型3.1.1 PLC 技术的简介可编程控制器（Programmable Controller）是早期应用于开关量控制，因此也称为 PLC(Programmable Logical Controller)即可编程逻辑控制器，现代的可编程逻辑控制器是以微处理器为基础，高集成度的新型工业装置，是计算机与工业技术结合的产品。自 PLC 问世以来，经过 20 多年的发展，以及称为工业控制类产品。它不仅具有逻辑运算、定时、计数等功能，还具有数字运算、模拟调节、监控、记录、计算机接口、数据传输功能，而且还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制、向上能与上位机进行通讯，向下能直接控制生产设备，可以通过下级 PLC 直接去控制执行机构。它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求以外，还有许多有点。它能够较好的解决工业控制普遍关心的可靠、安全、经济、灵活、经济等问题。可编程控制器采用计算机结构，主要包括 CPU、存取器、输入输出模块、通讯接口及模块、编程器和电源 6 个部分。如图 34 所示，PLC 内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。外部的各种开关信号、模拟信号，传感器检测的各种信号均为 PLC 输入量，它们经过 PLC 的外部输入到内部寄存器，PLC 做各种逻辑运算或其他运算处理送到 PLC 的输出端，从而对现场设备提供各种控制。8图 3.1 PLC 的机构示意图3.1.2 可编程控制器的选型市场上可供选择的 PLC 种类繁多，各种型号的 PLC 也有各自的优势和特点，应用场合也不大相同。因此在设计之初，选择一款符合手机电池贴标机控制系统工艺和要求的可编程控制器显得十分重要。经过市场调研，本控制系统的下位机采用的是日本三菱公司的 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 作为下位机控制，它是一款可视化的 PLC，属于中小型可编程序控制器，可用于简单的控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的通信功能，即使在大型的网络控制系统中也能充分发挥作用。FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架是由成系统的 CPU 模块和丰富的扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的上业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如:冲压机床、印刷机械、中央空调、电梯控制、运动控制系统等等。FX 系列除了具有以上一般 PLC 具有的基本控制功能以外，还在以下三个方面有独到之处：（1）三菱的 FX 系列 PLC 是一款编程的 PLC，它具有强大的指令集、功能强大、速度快，扫描 30000 步时仅需要 1 毫秒。（2）FX2N-32MR-E/UL 提供了丰富的硬件资源，不仅有两个轴的运动控制伺服定位控制接口；还提供了 4 通道的高速计数器，特别适合伺服系统的控制，如步进电机或者伺服电机以及光电编码器构成闭环控制系统。相对常规的可编程控制器而言，省去了定位控制单元，给安装调试带来方便。9（3）该系列 PLC 带有 USB 编程口，与上位机进行串口通信调试时不会占用串口，可以在编程软件中可以很方便的看到相关数据寄存器里面上位机发来的数据。3.1.3 伺服系统步进电机和丝杠选型在电池位置伺服系统中，步进电机和滚珠丝杠的选型关系到电池每次搬送的位置精度，伺服系统的精度和抗扰动性是衡量系统的重要性能指标。在步进电机的选型时，必须充分考虑步进电机的一些相关物理量，步进电机的步距角度和最大静态转距，一般的静态转距越大，系统的转距越抗扰动性能会更好，在负载变化时不容易失步，同样步进电机的步距角越小，系统的稳态误差会越小，但是步进电机的价格会更昂贵。本设计系统选用的步进电机为日本东方电机公司生产的 PK264A2 型步进电机，该电机的转子与轴直接是通过减速传动，减速比 1：18，因此它的步进角度仅为 0.1 度，为同行电机步距角度最小的一款。丝杠选择必须考虑到系统的最小日本 THK 公司生产的 THK-KR30 滚珠丝杠，其导程 t 为 1 毫米，根据初步估算满足系统载荷要求。在现代控制系统中，为了配合步进电机的控制，许多 PLC 都配有脉冲输出功能，并设置了相关指令，可以很好的对步进电机进行控制。这种控制方式可以大大减小系统的设计工作量，而且 PLC 具有实时刷新功能，输出频率可以到达数千赫兹或者更高，使步进电机响应速度更快。PLC 直接控制步进电机时，必须考虑脉冲当量，根据贴标工艺和要求，系统为直线每次进给量为 =8 .13mm，根据步进电机的步距角度 ，滚珠丝杠导程 t1mm，那么步进电机每次搬送相邻两个电池需要的脉冲数 m ，根据公式：360360mtt代入数字得 m =2926。3.2 下位机控制系统的硬件配置下位机控制系统的硬件配置3.2.1 下位机控制硬件配置要求下位机控制系统的主要用来对贴标的机械动作进行控制，主要包括电池升降位置伺服系统、搬送电池的机械手动作控制、真空吸附气缸吸附标签的动作控制、贴标气缸的对电池的贴标控制，下位机控制系统的硬件设计必须满足以下几个方面的要求：（1）实现电池贴标系统的高精度位置伺服系统，电池位置伺服系统每次搬送的距离为 10mm；（2）气动机械手搬送电池必须每次准确的夹紧电池，然后搬送到贴标位置，10贴标完毕以后准确的放回；（3）下位机控制系统必须有对机器良好的可操作性，必须输入开关来控制设备。根据设计要求，本文设计的电池贴标机控制系统硬件框图如图 3.2 所示，通过各种开关量的传感器将设备工作的各种状态输入给本设计的控制系统 PLC输入输出配置硬件框图如图 2.1 所示，各种位置传感器将设备的状态，如气缸的位置、电池的位置等传给 PLC 进行处理，由 CPU 做各种运算处理来，对执行机构进行实时调节。设备的主要硬件配置：（1）以 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 为核心的控制器，用来对设备的各种状态进行实时处理，通过传感器的输入信号得到设备的工作状态，经过实时处理，实现各种气动阀、步进电机动作贴标机动作。（2）在紧急情况下为了实现对设备的可操作性，需要设置输出开关信号给可编程控制器和合理布局控制面板，根据设计要求，本设计的控制系统输出开关信号键有开机键、复位键、手动/自动键的切换、控制电池上升键和下降键、气动机械手搬送键和紧急停止键，控制面部的布局应该简洁，当设备发生故障时，操作人员能够第一时间通过操作面板的操作来阻止重大事故的发生。（3）为了检测设备的工作状态，合理选择和安装传感器，保证传感器信号可靠的输给可编程控制器，本设计对于气动阀的位置检测选用磁性开关量传感器，对于电池和电池标签选用光电接近开关传感器。（4）伺服系统的控制是本设计最重要的环节，它的控制效果好坏关系到设备能否贴标成功。为了满足电池贴标工艺和要求，本设计的步进电机位置伺服系统采用闭环控制方式，通过光电编码器的脉冲检测步进电机的位置送给可编程控制器，并在 PLC 内部设定一定的控制器进行处理来调整输出脉冲，使步进电机的位置准确的到达给定位置。FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 直接控制步进电机接线图如图 3.2 所示。FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 位置控制输出脉冲单元分别为 500503，占用 4 个输出点。本设计的位置采用 502 和 503 输出脉冲分别控制步进电机的正转和反转，光电编码器将步进电机的位置脉冲数给 PLC 的高速计数器 CTC0 计数来检测步进电机的位置。11图 3.2 步进电机控制接线图3.2.2 PLC 输入输出信号地址分配PLC 的输入输出控制地址分配包括操作按钮的输入如包括开机按钮、搬送按钮、手自动按钮切换和急停按钮；气缸位置传感器的输入信号、电池检测光纤传感器、标签检测光纤传感器、步进电机光电编码器的输入计数器，设备工作状态的输出显示运行正常、运行报警和运行故障。其 PLC 地址分配如表 3-1 所示：表 3.1 PLC 输入信号地址分配输出信号输入信号分配地址自动手动信号X0启动信号X1停止信号X2光电开关检测X3手机电池到位检测X5贴标精度检测X7限位开关X10电动机过载保护X11PLC 的输出信号主要控制气缸电磁阀的动作，如控制气缸搬送、真空吸附、贴标、下气缸托住电池、气动机械手夹住电池等动作，其 PLC 输出地址分配如表 3.2 所示：123 表 3.2 PLC 输出信号地址分配输出信号输出信号分配地址步进电机Y0、Y5交流电机一Y3交流电机二Y4侧位夹气缸电磁阀Y10切割气缸电磁阀Y11前纠正气缸电磁阀Y13声光报警Y16.4 电气控制柜的整体布局设计贴标机设备处在工业应用场合，工作环境恶劣，各种干扰对设备的正常运行有着严重影响。在设计电气控制柜时必须充分考虑到设备的抗干扰措施。本设计的控制系统输入给 PLC 主要有位置传感器信号、光电接近开关信号、按钮等；输出信号主要有继电器线圈、电磁阀线圈、步进电机驱动器等，处理这些信号时应时应充分考虑到系统的抗干扰性，因此在电气控制柜布局时应注意以下几点：（1）输入信号弱信号电缆应该与强尽量分开敷设，特别是控制步进电机脉冲输出信号应该与大信号分开，避免步进电机的控制脉冲收到干扰。（2）对于 PLC 的输入输出信号尽量选择带有屏蔽层的线，并且一点接地。（3）对于 PLC 的供电电源必须有专门的接地。（4）电气控制柜应该远离电磁干扰比较严重的地方，比如大功率用电器、供电变压器等器件，PLC 应该避免在潮湿、腐蚀、有机械振动的地方。 由于设计侧重点的不同，上位机的相关器件的选型在本文就不具体涉及了。3.3 系统主电路设计系统主电路设计3.3.1 电源供电模块 贴标机系统中，设备多，工作电压也不尽相同。三相异步电动机工作电压是 380V(AC), PLC 的工作电压为 220V (AC)，传感器的工作电压为 24V DC。 (1)电源进线 如图 3.3 所示，电源由滑线引入电器箱 l-中，经过刀开关 Qs 后，再经由熔断器后供给系统的控制回路及主电机电路部分。三相电源的线电压为 380V，相电压为 220v，因此系统采用三相中的 A 相相电压提供 220V 的交流电要压。 13(2)电源模块 如图 3.4 所示，直流电源能使电路中形成恒定电流的装置，如干电池、蓄电池、直流发电机等。在 24V 电压范围内又叫 24A 直流电源，直流电源有正负两个电极，正极的电势高，负极的电势低；当两个电极与电路连通后，直流电源能维持两个电极之间的恒定电势差，从而在外电路中形成由正极到负极的恒定电流。24V 电源模块开关电源为系统中的 A/D 模块为电磁阀提供 24VDC 电压。 图 3.3 电源进线主电路图 图 3.4 电源模块主电路图 (3)运动机构电机电路如图 3.5 所示，在控制系统中有很多电机需要控制，如步进电机、伺服电机等，以控制各个机构的运动。控制运动机构各电机的交流接触器是 KM1-6, KM 闭合时相应电机运行，驱动相应装置运动到指定位置。在电机控制电路中，为了防止过载等情况加入热继电器 FR 进行过载保护。通过 PE 保护线，进行接地保护。接地技术可以减小线缆等因素对设备造成的电磁干扰，提高控制精度。保护系统的安全性，进一步提高系统的可靠性。14图 3.5 电机电路3.3.2 系统控制总电路图 全自动贴标机控制系统主电路图如图 3.6 所示。根据控制系统的要求，系统中需要多台电动机。另外，电源模块是给电磁阀和 A/D 模块提供工作电压的。由于要控制电机，所以系统中还要运用交流接触器来控制其通断情况。为了防止过载等情况的发生还要加入热继电器等。15图 3.6 控制系统主电路图3.4 PLC 系统控制电路设计系统控制电路设计中央处理单元及 I/O 扩展单元、检测元件(光电开关和接近开关等)、按钮开关和指示灯、电磁阀以及执行元件(电动机)等几部分。检测标签剥离位置、电池位置，以及各部分的动作完成情况；PLC 自动循环扫描各个输入输出点的当前状态，并根据梯形图程序所确定的逻辑关系更新输出点的状态，通过通断交流接触器和换向电磁阀来控制电动机的启停和气缸的动作，从而完成从剥离标签、搬移电池和贴标签全过程的自动控制。3.4.1 PLC 分块介绍(1)输入部分介绍如图 3.7 所示，PLC 控制的输入部分，有限位开关 SQ1(X10)，启动按钮SB1(XI),停止按钮 SB2(X2)，工作方式选择开关 SA(X0)，闭合时为手动工作状态，16断开时为自动工作状态。光电开关检测 X3, X5 是手机电池的到位检测、X7 是贴标精度检测、电动机过载保护信号 X11 等，通过以上信号的检测来控制电机等的动作情况。图 3.7 输入部分电路图(2)输出部分介绍如图 3. 8 所示，PLC 的输出部分主要是通过控制接触器的通断来控制电机等的运行情况。由于一个 PLC 只能直接控制两台电机，而本设计需要控制六个电机，所以本设计采用扩展模块的方法来实现这些功能，控制模块选择三菱的一轴脉冲输出模块 FX2N-1PG。输出部分有推料气缸电磁阀、前纠正气缸电磁阀、压缩机和声光报警等部分。其中有六个控制部分要用到气动控制，且它们都共用一个气源，即空气压缩机提供的空气。17图 3.8 PLC 输出部分电路图3.4.2 PLC 总接线图 PLC 总的接线图如图 3.9 所示。包装机控制系统采用的是 PLC 控制，所以所有的执行元件都是用过可编程控制器来控制的。PLC 包括输入部分和输出部分。可编程控制器通过采集输入部分即传感器、开关等的信号来控制输出部分即电机、电磁阀和声光报警等。18图 3.9 PLC 总接线图3.3 本章小本章小结结本章主要对手机电池自动贴标机控制系统的选型和硬件设计，并根据控制要求，设计合理的位置伺服系统。为了提高控制系统的抗干扰性，对电气控制柜元件进行布局。19第第 4 章章 控制系统软件设计控制系统软件设计实现手机电池自动贴标系统的连续运行是控制系统的重要手段，控制系统的程序设计不仅要使系统的机械动作连续可靠的运行，而且还要实现在上位机系统中的动作连续监控，使得操作者可以很方便的看到系统的运行状态，因此在设计控制系统的程序时，要实现系统的功能有：通过 PLC 控制程序，使得系统的机械动作连续可靠的运行，如步进电机和气缸对电池的搬送的准确性模糊控制程序的实现、气动电磁阀通断电的时序正确、以及系统故障状态的显示。因此根据以上分析可以控制系统的软件只需对下位机的软件进行开发。下位机的软件包括上位机的控制程序的实现和下位机的通信的程序的实现两个部分。4.1 下位机下位机 PLC 程序的实现程序的实现4.1.1 PLC 程序执行的基本原理PLC 的控制任务是在硬件的支持的基础上，通过执行反应控制要求的用户程序来实现的，这跟计算机的工作原理是一样的，但是 PLC 完成的主要是顺序开关量的控制，控制系统的任务是控制有关逻辑关系的实现，PLC 实际的工作机制是循环扫描的工作方式。PLC 控制的工作方式是采用循环扫描、集中输入与输出的工作方式。这种工作方式的显著特点是：可靠性高、抗干扰能力强等特点，这种工作方式会给系统相应带来一定的延时，但是 PLC 的扫描速度很快，一般能够满足系统实时性的要求。PLC 上电以后，CPU 在系统程序的监督下先进行内部处理，包括硬件初始化，I/O 模块配置检查、停电保持范围设定及其他初始化处理等工作。在执行用户程序之前还应完成通信服务与自诊检查。在通信服务阶段，PLC 应该完成与一些带处理器的智能模块与其他外设通信，完成数据的接受和发送任务、响应编程器键入命令、更新编程器显示内容、更新时钟和特殊寄存器内容等工作。PLC 的 CPU 工作原理图如图 4.1 所示：20图 4.1 PLC 的 CPU 工作流程图总体说来 PLC 的一个扫描周期由三个部分组成：（1）保证系统的正常运行的公共操作：这一部分扫描时间是固定的，随着 PLC 的 CPU 类型不同而不同。（2）系统与外围设备进行信息交换，这一部分不是每个系统或者系统每次扫描都有的，而是随着系统变化而变化的。21（3）用户执行程序，这一部分是根据用户程序执行的要求而执行的，其具体占用的扫描时间要根据用户编程的执行程序的长短来决定的。4.1.2 下位机程序的实现PLC 在编程时通常使用模块化编程来是实现来实现整体功能，这种方法具有如下的优点：（1）结构清晰，类似 C 语言中的函数，可读性性，在调试时便于修改；（2）程序可标准化，特别是一些功能可编制成标准的程序；（3）程序的模块可以由多人来参与和编写，减小程序开发的时间；4.1.3 PLC 输入量的处理在 PLC 输入量信号中，开关量信号由于机械的原因易受到机械抖动而导致误操作，因此在开关量输入之前要进行处理，常规的 PLC 开关量信号加以软件延时，也就是当某一控制信号高电平（或者低电平）出现时，通过软件延时以后再去检查它是否仍然是真实信号，如果在检查该信号已经消失，则证明该信号为假信号，应将其舍去，如果延时以后检查该信号为真实信号。以 PLC 控制系统的机械动作控制为例，在因为某些开关量输入信号的机械抖动而导致设备工作状态时序不正确，可能会使得机械贴标动作错误，系统不能正常工作，因此在 PLC 输入信号必须加以处理。通常的做法是 PLC 接收到错误信号以后进行延时滤波处理。三菱 FX 系列自带的 HSP 指令可以将输入开关量进行输入处理，在使用 HSP指令进行输入时，配合中断指令进行输入信号处理，因此本设计控制系统结合三菱的特殊功能继电器 2813 来设置开关量的输入时间，将系统的输入开关量延时 10 微妙，10 微妙的开关延时这样可以消除系统的开关量输入抖动。4.2 通信程序的设计通信程序的设计在手机电池贴标机控制系统中，PLC 的贴标动作在时序上必须与上位机的时序协调，同时下位机控制系统中一些机械动作信息必须传递给上位机，因此就必须实现下位机 PLC 与上位工控机之间的串口通信，通信程序的实现主要包括两个部分，下位机 PLC 通信程序的设计和上位机通信程序的设计（本文不涉及） 。下位机的软件设计两个部分，上位机的软件设计主要为主要负责显示系统的机械动作，并负责与 PLC 数据的传输，下位机 PLC 主要为控制贴标的各种动作，并即将系统的机械动作传递给上位机显示出来。在进行系统软件设计时，首先要解决 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 与上位机的通信问题。上位机与 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 通信有以下三种方法来实现：22（1）使用三菱公司自带的软件通信包来实现上位机与 FX 系列 PLC 来实现通信，这种方法简单，但是这种方法软件包价格昂贵，而且灵活性差，不便于实现用户所需要的功能。（2）可以各种工控组态软件来实现 PLC 与上位机的之间的通信，这种方法要有 PLC 与组态软件之间的通信协议，而且组态软件对 PLC 通信的点数是很昂贵的。（3）使用自由端口模式，用户通过各种高级编程软件实现上位机与 FX 系列 PLC 之间实现串口通信，这种方法实现时需要知道 PLC 与上位机的通信协议，需要用户从底层编写，但是实现程序比较灵活，可以实现用户自己定义的一些软件协议包。因此在开发控制系统的通信程序时为了考虑到成本和诸多因素，我们采用了第三种通信方式，这种通信方式简单灵活、价格低廉。4.2.1 上位机与 PLC 串口通信的协议串口通信是计算机常用的通信方式之一，其通信方式是一位一位的依次传输，每传输一位数据都占用一个固定的时间长度。这种情况只要少数几条线就可以实现系统之间的信息交换，特别适合用于计算机与 PLC 之间的串口通信。根据信息传递的方式可以分为图 4.2 所示的单工、半双工、全双工三种。单工通信只是允许数据向一个方向传输，一方作为数据的发送，另一方作为接受，这种方式目前已经很少采用。半双工通信允许两个方向传输数据，但是不能同时传输，只能每次一个站发送，一个站接收。为了控制线路切换，必须对两端设备进行控制，以确定数据流向。这种协调可以增加接口的附加控制线来实现，也可以利用软件来实现。全双工可以实现通信两端同时发送和接收数据，数据可以同时在两个方向上传输。图 4.2 串行通信的数据传送模式（a）单工方式；（b）半双工方式；（c）全双工方式串口通信协议是双方规定好的通信格式，如传输的数据格式、波特率、传送速度、传送步骤、纠错方式、控制字符定义等问题做出统一的规定，通信双方的格式必须统一11。属于 ISO 的七层参考模型中的数据链路层。目前串行通信协议有异步协议和同步协议之分:（1）面向字符的同步协议：典型代表是 IBM 公司的二进制同步传输23（BSC）协议，一次传输由若干字符组成的数据模块。（2）面向比特的同步协议：典型代表是 IBM 的数据链路控制（SDLC）规程、ISO 的高级数据链路控制（HDLC）规程。一帧数据可以是任意比特。（3）起止式异步协议：逐个字符的地进行传输，传输一个字符总是以起始比特开始，以停止位结束，字符间没有固定的实践间隔要求。可靠性高，效率低。RS232C 串行总线标准是由美国电子工业学会推荐的一直普及性异步通信总线标准，原本为数据终段设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的一种物理接口标准用于电话网络中。基本内容包括：（1） 机械特性规定了该总线的引脚（信号线）数目、引脚排列位置与次序、连接器的几何尺寸。（2）电气特性规定了该总线各信号线的电气连接方式及电气参数。其电气连接方式规定每条电路使用一条信号线，因而所有信号线共用一条信号地线构成回路。（3）功能特性规定每条信号线实现的功能。（4）过程特性也称时序特性或规程特性，RS232C 总线标准的过程特性规定了各信号线如何按一定的先后顺序配合动作使物理接口状态转移，控制数据位流的传送。一般厂家生产 PLC 都会支持 RS232 串口通信，在通信协议上遵循标准的串口通信协议，但是各家公司的定义的串行通信的格式不大相同，如传输的数据格式、每次传输的位数、停止位，校验方式各不相同。因此在实现三菱公司PLC 与上位机之间的串口通信时必须严格按照三菱公司的串口通信协议来实现。在硬件连接方式三菱公司的 PLC 与 RS232 协议电平完全兼容，不需要另外设置电平转换器。在三菱公司的 PLC 和上位机连接实现串口通信时，务必保证他们的通信参数与规定的参数一致，否则通信将会导致失败。另外在连接 PLC 与上位机的电缆也是采用三菱公司的标准连接网线 OP-26487 和一个 25 针的 D-sub 接头。三菱公司 PLC 与上位机连接好串口通信电缆以后，要起动串口通信传输数据还必须按照三菱公司的串口通信命令来初始化串口，起动串口的通信的决策权有 PLC 来控制，当系统需要起动串口通信传输数据时，PLC 向上位机发送上位机发送一个突变信号，该信号用来初始化 FX 的阿通信参数设置，在开始通信之前，有必要传输一个延时 10 毫秒的或者大于 100 毫秒的突变信号。一旦通信建立，另外不需要突变信号。除了传输突变信号以外，三菱公司的 PLC 与上位机的串口通信还设置了传24输命令响应，FX 系列可编程控制器与上位机之间的“命令”与“响应”的定义如下：（1）命令：从上位机传输到可编程控制器的消息。（2）响应：命令的应答，从 FX 系列可编程控制器到上位机的响应。命令响应的格式如下：（1）命令格式：用下面的格式来传输从上位机到 FX 系列可编程控制器的命令。命令传输的格式信号帧和命令响应格式信号帧如图 4.3 所示，其格式是以 CR 分隔符号为结尾字符。图 4.3 上位机与 PLC 的通信命令与响应格式以自定义协议来实现上位机与 PLC 的串口通信，过上位机发送数据来对 PLC 来读写操作，是通过命令和响应来设置的，当 FX 系列 PLC 接收到上位机发送来的报文以后，对线管的数据进行校验，如奇偶校验、异或校验，冗余校验，如果校验正确，则 PLC 发送相隔的响应数据给上位机，并且以新格式的形式报文返回。如果校验因为某些原因而出错，则 FX 系列 PLC 将出错的信息返回给上位机，并请求再发送一次。三菱公司的 PLC 进行数据交换时，还定义了通信协议，在每次上位机给计算上位机进行交换数据会有 3 个步骤，说明如下：（1）设备要求发送数据时，计算机每次都会发送一串字符过去。通常字符第一个字是前导码，设备根据前导码辨认是否应该读取字符、该字符属于哪一个命令集（Commad Set） ，以及用什么格式去解读该字符串等。（2）当设备收到要求的字符串，并经过解读确认以后，便会送出计算机所要求的数据，同样，数据送出时会在数据之前加上前导码与站号，计算机也以此前导码和站号来辨认数据来自何处。（3）计算机端收到设备发送回来的字符串即将进行解读检查操作，当检查完成以后，便发送一个确定的字符串给设备，用以说明计算机端已成功收到了字符串；而发送失败，计算机也在该回送的字符串中请求重新发送数据。4.2.2 下位机通信程序设计下位机 PLC 通信程序主要是将贴标机的配合上位机的一系列动作，将控制系统的机械动作发送给上位机工控机，包括机械系统的动作程序设计和下位机与上位机通信程序的设计两个部分。PLC 控制程序主要是用来控制系统的机械动作，主要根据传感器来检测系统机械动作，并根据检测的状态来控制包括电25磁阀通断电、系统机械协调。PLC 通信的程序主要用来与上位机的通信连接、通信参数设置、以及传输系统机械动作给上位机。为了配合上位机与下位机PLC 各动作上的时序配合，必须发送事先规定好用户的通信协议。下位机进行串口通信的程序流程图如图 4.4 所示。26图 4.4 下位机 PLC 通信程序流程图274.3 系统控制部分梯形图设计系统控制部分梯形图设计4.3.1 贴标机控制系统程序结构框图图 4.5 控制系统结构框图284.3.2 手动操作的梯形图图 4.6 手动操作梯形图294.3.3