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曲面 印刷机 光电 自动控制系统 设计 说明书 CAD

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曲面印刷机光电对版自动控制系统设计摘要：本课题研究的是光电对版自动控制系统，这个系统的设计是处理现有曲面印刷机尤其是高速曲面印刷机不能实现自动套色对版的问题,使曲面印刷机提高对版精度、印刷速度和质量，缩短对版时间，减少材料浪费，由此来提高生产效率。光电对版自动控制系统由PC机、PLC控制器、三菱PLC系列定位模块、步进驱动器、步进电机、旋转光电编码器、CCD摄像机、版辊、大胶辊和斜齿轮等组成。在相应软件的支持下进行与标准模板比较分析、运算以及逻辑判断后，向PLC控制器发出偏差指令。由PLC控制器进行PID的控制计算，并且对执行机构-步进电机输出控制量，调整版辊相对位置，来实现动态自动对版。关键词：曲面印刷机；PLC控制器；PID控制算法；步进电机；自动对版The Design of Photoelectric Versions Automatic Control System for Surface Printing MachineAbstract:This paper set up an automatic control system of photoelectric overprint, which is designed to solve the problems that the existing surface printing can not achieve automatic colorprocessing and overprinting,especially in high-speed surface printing,and make the surface printing to improve overprinting accuracy, printing speed and quality, and reduce the overprinting time and the waste of materials, thereby improving production efficiency.The automatic control system of photoelectric overprinting consists of a PC, PLC controller, Mitsubishi PLC series positioning modules, stepper drives, stepper motors, rotary optical encoders, CCD camera, Roller, a large rubber roller and helical gears and other components.Under the corresponding software supporting,it compara ,analysis operaty and logic judgment with standard templates,then sends the deviation commands to the PLC controller.For the dynamic automatic overprinting,the PLC controller carry out the PID control calculateing, and output control volume to the implementing agencies - Stepper motor to adjust the relative position of roller.Key words:surface printing；PLC controller；PID controlalgorithm；stepper motor ；overprinting 目 录摘要IAbstractII目录III1 引言11.1 曲面印刷机简介11.2 曲面印刷机的技术特色11.3 曲面印刷机的发展状况及未来的前景11.3.1 发展状况21.3.2 未来的市场31.4 本课题的设计内容和意义32 版辊的机械传动结构介绍52.1 套准驱动装置62.2 芯轴、内轴套与版辊轴72.3 齿轮结构的介绍83 对版控制系统各部件的原理介绍和选型计算113.1 步进电动机和步进驱动器113.1.1 步进电动机的原理和选择113.1.2 驱动器的原理和选择143.1.3 检验系统的参数选择并确定驱动器的细分数163.2 定位控制模块183.3 FX-2N系列PLC扩展单元203.4 FX-2N串行通信扩展板213.5 旋转光电编码器223.6 CCD工业相机234 电气控制系统线路图244.1 PLC控制线路图254.2 电控柜电器元件布置图254.3 电器安装接线图254.4 控制面板的设计295 自动对版控制系统软件设计315.1 编程软件和仿真软件315.2 梯形图325.3 指令表406 总结42参考文献43致谢45附录A46附录B60IV1 引言1.1 曲面印刷机简介全自动曲面印刷机是一应用于食品、化妆品等灌装容器的外表彩色印刷的高效设施，用了凸版轮转胶印技术，是一种机电一体化的高新技术产品12。全自动曲面印刷机的研制，填充了国内曲面印刷机高速彩色印刷技术的空白，批量生产并且投入市场也取得了可观的经济效益和很好的社会反响。可自动对版的高速曲面印刷机这项专利技术，使得对版变得速度加快、精度高而且节能。随着印刷机械自动化和数字化印刷工作流程的不停更新、完善，印刷技术的变换层出不穷，印前创新技术、印刷创新技术以及印后创新技全部都得到了较快的发展3。1.2 曲面印刷机的技术特色 版辊和墨辊箱成组地卫星式分布在大胶辊周围，完成图案的套印任务；采纳涡形凸轮间歇传动机构，驱使八工位料盘实现印品间歇移动以及印刷任务；应用偏心机构来实现大墨辊和版辊间以及版辊和大胶辊间的版压调整，使用气缸驱使间歇传动箱体，经过调节气路紧缩空气，操控大胶辊及印杯之间的接触印刷压力；由此来保障印刷图案的再现性及清晰度；主机是由一台电机来驱动的，采纳单一传动链，来完成各部位之间的同步运转；八工位料盘的右、上、左和下，各工位分别按照次序来实现上杯、前处理、印刷以及下杯工序；在涡形凸轮轴上安装光电编码器，用来完成各部位气动元件电磁阀的时序控制；使用版夹将PS感光树脂版安置到版辊上，可以调节安装的位置以及张力；采纳无杯不印快速控制技术，保证印刷过程中如果上杯失败时，油墨不会污染模头；使用CCD传感器来采集图像，分析色标位置的误差，用PLC控制两个步进电机分别来调节版辊圆周方向以及轴向回转，快速消除误差，实现自动对版。1.3 曲面印刷机的发展状况及未来的前景印刷机械制作行业的承当者为包装装潢、书刊出版、新闻出版、商业印刷以及办公印刷的工作，设施以平版印刷、凹版印刷、柔版印刷、凸版印刷、孔版印刷5大印刷形式以及特种印刷的印刷机为龙头、带动印前设施以及印后加工设施的共同发展4。我国印刷机产业经历过09年的国际经济危机后，又以迅猛的速度飞快发展。过去的几十年以来，我国的印刷机市场主要是以单色机和双色机为主，很多印刷厂在起步时都购买了单、双色机，他们经过多年积攒已经有了一些本钱，刚好达到了置办国产四色机的实力5。我国目前的企业自主创新能力水平还比较低，并不能满足国内印刷设备的大量需求。因而专利任务作为自主翻新机制的重要方面应该引发企业注重，企业要从维护自主知识产权以及刺激科技人员创新精神角度，积极努力的营建企业内部敢于创新机制以及气氛,为我国的印刷机行业注入一股强而有力的力量6。1.3.1 发展状况我国有广东华盛塑料有限公司，该公司的HSCP-09-8八色印杯机简介如下：1. 杯子高度范围35-160mm；2. 杯口直径范围45-165mm；3. 最大印刷宽度150mm；4. 杯子锥度2-13；5. 机器最高生产速率达每分钟320杯。如图1-1所示。图1-1 HSCP-09-8八色印杯机国外有荷兰万达姆机械有限公司，该公司的8色印杯机的CM系列简介：1. 印刷产品高度范围30-200mm；2. 印刷产品圆周范围50-205mm；3. 最大印刷高度150mm；4. 印刷产品锥度范围0-12；5. 机器最高生产速率达每分钟400-600杯。如图1-2所示。图1-2 8色-CM系列印杯机1.3.2 未来的市场首先印刷机市场主要分布在发达国家，这就决定了印刷机行业将是一个很有发掘潜力的行业。再次印刷商和出版商的将来目的是生产高质量的产品，将浪费降到最低，缩减劳动力、生产的时间和生产的空间，减少库存，提高生产效率，从而提升客户的全体的满意度，所以新型印刷机能够节省大量的时间，这一点非常引人瞩目。因此实现曲面印刷机的光电检测和高速对版也是必不可少的，只有这样才能提高生产效率和满足市场不断增长的需求。最后，中国印刷业的发展已经走向国际化，我们在自主研发印刷技术同时也更要吸取国外的先进技术，只有边摸索边学习才会使我国的印刷机械设备制造技术走出国门，而现在正是我国机械设备走向世界的最好时机。1.4 本课题的设计内容和意义本次我研究的课题是光电对版式自动控制系统设计，这个设计是处理现有曲面印刷机特别是高速曲面印刷机没法实现自动套色对版问题的。具有很强的综合性，设计的内容涉及到步进电机、旋转光电编码器、CCD摄像机、PC机以及PLC控制器等7。如图1-3所示，光电对版式自动控制系统由步进电机、旋转光电编码器、CCD摄像机、PC机、PLC控制器、版辊以及大胶辊组成。在曲面印刷机高速运转状态下，每色版辊（围绕大胶辊的六个）在大胶辊的转印橡皮布7上套色的同时，会在转印橡皮布7的上边缘印上一个用于鉴别套色对版精度的十字色标15，十字色标横线代表版辊轴向方向，纵向代表版辊轴向方向，每个相邻色标在套色对版精度时（即后述的标准模板）应横线在一条直线上，纵向间距相等而且平行。实时色标图案经CCD摄像机16采集图像数据输入PC机17中，在相应软件支持下进行与标准模板的比较分析、运算、逻辑判断之后，向PLC控制器18发出偏差指令，由PLC控制器18对执行机构-步进电机13、14输出控制量，来调节版辊的相对位置，实现版辊的相应修正移动，从而消除印刷套准误差，实现动态自动对版。本研究课题主要是对现有曲面印刷机手动对版的精度低，且对版时间长，引起的印刷效率不高提出改进。为提高曲面印刷机的对版精度、印刷速度和质量，缩短对版的时间，减少材料浪费，从而提高生产效率，体现出该全自动曲面印刷机更好的实用价值。图1-3 曲面印刷机光电对版自动控制系统2 版辊的机械传动结构介绍版辊轴结构包括版辊轴（外轴套），与外轴套配合的轴承套和偏心套以及轴承、隔套、止动螺母、轴承盖、弹性挡圈和键、蜗杆蜗轮、步进电机和销等零件，如图2-1所示。其中，斜齿轮、齿圈、版辊轴（外轴套）、内轴套和心轴销、蜗杆蜗轮和步进电机是传动机构实现对版的主要部件，主要传动部分如图2-2所示。图2-1 版辊及自动对版机构总装配图图2-2 对版传动机构自动对版将图2-2中的周向和轴向的手轮换成蜗轮蜗杆和步进电机的结构，见图2-1的右端。周向调节时：周向的步进电机转动使与之相连的蜗杆转动，从而带动蜗轮旋转。而蜗轮与版辊轴之间有螺纹调整套结构，当蜗轮转动一圈时，可使用周向芯轴销连接的蜗轮和芯轴相对于版棍轴在轴向移动1.5mm。芯轴的另一端与斜齿轮连接，由于每个斜齿轮都是与固定的大齿轮啮合，所以使得斜齿轮在轴向移动的同时能在周向转动，从而通过滑套带动版辊实现周向的调节。轴向调节时：同样是轴向的步进电机转动使与之相连的蜗杆转动，从而带动蜗轮旋转。而蜗轮与版辊轴之间有螺纹调整套结构，当蜗轮转动一圈时，可使用轴向芯轴销连接的蜗轮和内轴套相对于版棍轴在轴向移动1.5mm。内轴套的另一端与版辊连接，从而也实现了版辊的轴向调节。2.1 套准驱动装置套准驱动装置包含纵向和横向套准驱动装置，分别承担对版辊的轴向和周向的对版任务。横向套准驱动装置包含穿过芯轴且与芯轴固定的周向芯轴销，周向心轴销的两端穿过内轴套和外轴套上的孔穿插在套于外轴套上的螺纹调整套上，螺纹调整套上有与其螺纹配合的蜗轮，与蜗轮啮合有由步进电动机驱动的蜗杆；轴向套准驱动装置包括穿过芯轴上的孔的轴向芯轴销，轴向芯轴销两端穿过内轴套并且与内轴套固定、再穿过外轴套上的孔穿插在套于外轴套上的螺纹调整套上，螺纹调整套上有与其螺纹配合的蜗轮，与蜗轮啮合有由步进电机驱动的蜗杆。周向套准装置与轴向套准装置的结构完全一样，不同的只是他们的驱动对象不同，周向套准装置驱动芯轴运动，轴向套准装置驱动内轴套运动。如图2-3所示。图2-3 蜗轮蜗杆机构2.2 芯轴、内轴套与版辊轴1. 芯轴用于实现版辊的周向调整，穿过芯轴且与芯轴固定的周向芯轴销两端穿过内轴套和版辊轴上的孔插在套与版辊轴上的螺纹调整套上，螺纹调整套上由于其配合的蜗轮，蜗轮通过蜗杆带动螺纹调整套通过芯轴销与芯轴一起进行轴向移动，芯轴又通过另一端的芯轴销带动斜齿轮运动，整个周向调节斜齿轮通过芯轴销和其表面斜齿的综合作用下出现轴向转动和轴向移动。又由于滑套通过在左右间隙中的移动消化了这种轴向运动，而只将周向转动传递给了版辊，从而实现版辊的周向调节。如图2-4所示。图2-4 芯轴2. 内轴套用于实现版辊的轴向调整，与内轴套固定的轴向芯轴销透过芯轴与版辊轴上的孔穿插在版辊轴上的螺纹调整套上，螺纹调整套通过蜗轮蜗杆机构驱动以带动内轴套进行轴向运动，轴向运动的内轴套有通过轴向芯轴销带动版辊发生轴向移动，从而实现对版辊的轴向调节。如图2-5所示。图2-5 内轴套3. 版辊轴为阶梯轴，其主要作用是传递运动、动力以及支承回转零件并分配个零件的轴向位置。版辊轴上的通孔尺寸限制了版辊的周向和轴向调整范围，键槽通过键与偏心套链接，轴肩与隔套、轴承盖、止动螺母等配合对其支承零件进行轴向定位，螺纹用来实现螺纹调节套的螺纹传动和与止动螺母的配合。如图2-6所示。图2-6 版辊轴2.3 齿轮结构的介绍曲面印刷机对版机构中的齿轮机构出具有一般传递运动和动力功能外，还用作版辊周向调整，由于斜齿轮斜向轮齿可将一部分轴向运动转化为周向运动，因而选用渐开线斜齿圆柱齿轮，如图2-7所示。此齿圈是一个斜齿圆柱齿轮，如图2-8所示8。图2-7 齿轮图2-8 齿圈该处设计齿轮与齿圈配合是为了利用双片薄齿轮错齿调整的方法消除齿侧间隙，这种消除间隙的方式是将其中之一做成齿轮，与其啮合的另一个齿轮做成为两片薄齿轮，将此处的齿轮和齿圈并列成一个齿轮。采用方法使得一个薄齿轮的左齿侧和另外个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左侧以及右侧，达到消除齿侧间隙目地，使得反向的时候不会出死区。这里应用周向弹簧式的方法，在两个薄片齿轮的端面上安装弹簧销，拉伸弹簧两端挂在弹簧销上在拉力的作用下是两薄片齿轮错位以消除齿侧间隙。如图2-9所示。图2-9 消除齿侧间隙3 对版控制系统各部件的原理介绍和选型计算3.1 步进电动机和步进驱动器3.1.1 步进电动机的原理和选择步进电动机是一将电脉冲信号转变成为角位移或者是线位移的一开环控制元件。电动机的转速以及停止位置都由脉冲信号的频率以及脉冲数决定，也就相当于给电动机加上了一个脉冲信号，电动机就会转过一个步距角。这样的一种线性关系的存在，再加上步进电动机只有周期性误差等特点，使得在速度和位置等控制领域广泛地使用步进电机控制。步进电动机种类繁多，按转矩产生工作方式可分为反应式、永磁式、混合式三种基本类型。反应式步进电动机的结构简单、步距角小。永磁式步进电动机耗费的功率比反应式的要小，同样体积的永磁式步进电机要比反应式电动机转矩大，启动和运行时频率较低，但是消耗的的功率也较小，同时它要正负脉冲供电，并且在断电时有定位转矩。混合式步进电动机则结合了这两者的优点，它不仅输出转矩大，而且动态性能良好。混合式步进电机需要由正负脉冲供电，虽然启动频率和运行频率高，但是它消耗功率小，并且也有定位转矩。步进电机按励磁组数分，可分为两相步进电机、三相步进电机、四相步进电机、五相步进电机、六相步进电机甚至是八相步进电机等。其相数越多步距角则越小，但结构也就越复杂。相数指的是步进电动机内部线圈组数，目前常用的主要有两相、三相、四相和五相步进电动机。由于步进电动机的相数不同，使得其步距角也不同，一般两相步进电动机步距角为0.9/1.8、三相为0.75/1.5、五相为0.36/0.72.在没有细分驱动时，人们主要靠选取不同相数的步进电机达到个人对步距角的要求9。在调节周向的结构中，把与大胶辊印压的版辊和一端的斜齿轮标为部分1，抽象为空心圆筒，做回转运动，重量估计为5kg；相啮合的另一端斜齿轮和心轴及连接部分标为部分2，做水平直线运动，同样抽象为空心圆筒，重量估计为2.5kg；蜗轮标为部分3，做回转运动，重量估计为1.5kg。对于周向步进电动机的负载转矩计算，将如下进行部分1的惯量为J1=W1（D12+d12）/8式中，W1为重量（kg）；D1为圆筒外径（cm）；d1为圆筒等效内径(cm)所以，J1=5（17.32+9.52）/8=130.65（kgcm）部分2的惯量为J2=（W2/4）（D2）2式中，W2为重量(kg)；D2为等效直径(cm)所以，J2=（2.5/4）7.52=35.16（kgcm2）部分3的惯量为J3=W3（D32-d32）/8式中，W3为重量(kg)；D3为圆筒外径(cm)；d3为圆筒等效内径（cm）所以，J3=1.5（5.82+2.52）/8=5.14（kgcm2）因此，计算换算到周向电动机轴的总负载惯量JC:JC=(J1+J2+J3)G2 G2蜗轮与蜗杆的减速比 =(130.65+35.16+5.14)(229) =0.8131（kgcm2）在调节轴向的结构中，把与大胶辊印压的版辊标为部分4，抽象为空心圆筒，做水平直线运动，重量估计为3.5kg,；轴套管标为部分5，因管壁薄，重量轻，所以转动惯量可忽略；蜗轮标为部分6，做回转运动，重量估计为1.5kg。对于轴向步进电动机的负载转矩计算，将如下进行部分4的惯量为J4=（W4/4）（D42-d42）式中，W4为重量（kg）；D4为圆筒外径（cm）；d4为圆筒等效内径（cm）所以，J4=（3.5/4）（17.32+9.52）=182.91（kgcm2）部分5的惯量为J50部分6的惯量为J6=W6（D62-d62）/8式中，W6为重量（kg）；D6为圆筒外径（cm）；d6为圆筒等效内径（cm）所以，J6=1.5（5.82+2.52）/8=5.14（kgcm2）因此，计算换算到轴向电动机轴的总负载惯量JL:JL=(J4+J5+J6)G2 G2蜗轮与蜗杆的减速比 =(182.91+0+5.14)(229) =0.8944（kgcm2）JC=0.8131（kgcm2）比较可知，轴向的电动机所受的负载惯量较大，所以按轴向负载惯量来计算电动机所需的转矩。设步进电动机所运转的最高转速为600rpm（r/min），此时的驱动脉冲频率f为6600/1.8=2000pps（Hz）故，轴向电动机所受的负载转矩为：TL=0.894410-4（1.8/180）（2000-0）/0.15 =0.0375（Nm）取转矩的安全系数SF=1.7，则SFTL=0.0637（Nm），考虑到传动过程中的摩擦损耗选取转矩为0.1Nm的步进电动机。选用时代超群品牌的39BYG两相混合式步进电动机 39HBS22BJ4-TR0（货号），如图3-1所示。此步进电动机综合了反应式和永磁式的长处，不单输出的力矩大、动态性能好，且步距角小。这种电机基本步距角是1.8/步，配上半步驱动器之后，步距角减少成为0.9，配上细分驱动器之后其步距角可细分达到256倍之多 (0.007/微步)。技术参数如表3-1所示10。图3-1 时代超群39BYG250-22两相混合式步进电动机表3-1 39BYG两相混合式步进电动机类型混合式步进电机型号39HBS22BJ4-TR0相数2温升80K Max环境温度-20+40C绝缘等级B级绝缘电阻100M绝缘强度1000VAC 50Hz 1mA1Min步距角1.8静转矩0.1Nm相电阻24.2相电感26mH绕组串联电流0.48A适配驱动6209、8731系列机身长22mm止口22mm定位孔距31mm出轴长13mm轴径5mm轴处理单轴圆形出线方式接插件出线数4线长280mm净重130g3.1.2 驱动器的原理和选择步进电动机需要专门的驱动器来给它供电，二者是一个整体。驱动器的基本组成部分包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲功率放大器三个部分，步进电机的转速以及所停的位置和脉冲的频率以及脉冲数量有关。驱动器的三部分中的变频型号源，脉冲分配器和功率放大器三者串行运行，将所需要的脉冲送到步进电机并给步进电机提供驱动所需要的合适电流与电压，从而使步进电机能够进行正转，反转，停转等相关运作。图3-2所示11。图3-2 步进电动机驱动器的方框图变频器是一个脉冲频率由几赫兹到几万赫兹能不间断变动的信号发生器，一般由单片机或微处理器（CPU)产生。传统的脉冲分配器是由门电路和双稳态触发器两部分组成的逻辑电路，其作用是将单路脉冲转换为多相循环变化的脉冲信号。随着连续脉冲信号的输入，各路输出电压轮流变高和变低，利用微处理器进行并行控制时可不用脉冲分配器。从分配器或微处理器输出的电流仅仅几毫安，不能直接驱动步进电动机。一般要放大到几至几十安培的电流，因此在分配器后面应装有功率放大电路，使用放大信号去驱动步进电动机。根据驱动要求和与所选的步进电动机的型号匹配，选用东芝原装芯片TB62209研发的一款性能卓越的两相步进驱动器ZD-6209-V2，如图3-3所示。它接口采纳超高速的光耦隔离，具备高集成度、高可靠性和高抗干扰能力等。适用于42以下步进电机。图3-3 ZD-6209-V2原型图它的主要功能为：1. 整步、二细分、四细分、八细分、以及十六细分可调；2. 电流0.5-1.5逐级可调；3. 过热自动保护；4. 自动半流可选；5. 电流衰减四档可调；6. 电源和工作状态LED指示；7. 支持脱机、使能以及锁定等功能。表3-2 步进电机驱动器工作条件项目最小额定最大单位环境温度-3080输入电压（DC）82432V输入频率016000Hz输出电流0.51.5A接口电压H4.555.5VL000.5V3.1.3 检验系统的参数选择并确定驱动器的细分数1. 斜齿轮理论范围：斜齿轮的参数：Mn=2.25，Z1=74，=1321413.351。分度圆直径：。正反调节在周向产生的变动范围：。单向调节在周向产生的变动范围：。对应的单向调节在周向调节角度：。2. 斜齿轮实际范围：销可左右移动距离范围是-6+6mm，设L1是销单向移动距离，取5mm（考虑接触表面的粗糙度，和最大调节量必须满足要求的情况），L2为齿轮周向移动距离。所以：，即。换算到单向可调节的最大角度为：。3. 调整刻度板座与外轴套啮合：该调整用M361.5细螺纹，即与调整刻度板座配合安装的蜗轮转动一圈，可使销移动1.5mm。所以，在单向调节下，蜗轮可转动3+1/3圈。4. 蜗杆与蜗轮的啮合：参数的选取：中心距a=40mm，模数m=2mm，分度圆直径d1=22.4mm，蜗杆头数Z1=2，直径系数q=11.20，蜗轮齿数Z2=29。转动29圈，蜗轮转动2圈。在单向调节下，蜗杆可转动48+1/3圈。5. 步进电机的转动：若将步进电动机按两相四线来接线，则其步距角为0.9电机轴最大接受脉冲数为：满足最大调整误差，电机轴接收的脉冲数为：即，电机需要转动148+1/3圈。6. 计算周向步进电动机的调节精度：计算电机接受一个脉冲后的转动使得齿轮的转动量，即为步进电动机的调节精度所以，电机转动一圈，可使周向转动量为：角度转过：轴向调节，版辊左右移动距离范围与销的一样是-5+5mm。电机轴最大接受脉冲数同样为：，也可取数值为个。轴向调节精度：。精度足够，能够满足该印刷机的精度要求。因此，所选的步进电动机以及驱动器可用。步进电动机选择两相四线的接线方式，将其步距角从1.8调整成0.9，步进驱动器的细分数设置成2，所给的蜗轮和蜗杆的参数符合要求，调整刻度板座与外轴套啮合的细螺纹选择正确。3.2 定位控制模块由于主单元选的FX-2NPLC的高数脉冲输出口只有两个，而要达到对10个步进电动机的控制定位，就需要PLC扩展定位控制模块。本课题选用5个海亿自动化设备有限公司提供的FX-2N-20GM，来满足操控的要求，如图3.4所示。该定位控制模块可以独立操控两根轴（控制轴的数目表示控制电机个数）；定位语言定位单元配有一专用的定位语言（cod指令）及顺序语言（基本、应用指令）；当连上一通用的手动脉冲发生器（集电极开路型）之后，则手动进给管用；当连上一带有绝对位置（ABS)检测功能的伺服放大器之后，每次启动时的回零点均可以被保存下；当连上一FX-2N系列PLC时，能读/写定位数据，连上一FX-2NC系列PLC时，需要一FX-2NC-CNV-IF，定位单元也可以不用任何PLC来单独运转。该模块的性能规格如表3-3所示12。图3-4 三菱定位控制模块FX-2N-20GM表3-3 FX-2N-20GM性能规格项目FX-2N-20GM控制轴数目两轴(两轴或两根独立同步轴）应用PLCFX-2N和FX-2NC系列PLC的母线衔接。所占I/O点数目为8 点。连接FX-2NC系列PLC时须要FX-2N-CNV-IF。程序存储器内置RAM(7.8K步）可选存储器:FX-2N-EEPROM-16(7.8K步），不可以应用带时钟功用的存储器板。电池带有内置FX-2N-32BL型的锂电池,大约3年的长寿命（1年质保）。定位单元命令单元：mm，deg，inch，pls，（相对/绝对）最大命令值为999,999（当间接规定时为32位）累积地址-2,147,483,648，到2,147，483,647脉冲速度指令最大200kHz，153,000cm/min（200kHz或更小）。自动梯形模式加速/减速(插补驱动为100kHz或者更小）零点回归手动操作或者自动操作。DOG信号机械零点回归（提供DOG搜索功能）。通过电气启动点设置，可进行自动电气零点回归。绝对定位检测采纳具备ABS检测功用的MR-J2和MR-H型伺服电动机时，可进行绝对位置检测。控制输入操作系统：单步操作输入（依赖参数设定）、FWD(手动正转)、RVS(手动反转）、ZRN(机械零点回归）、STOP、START(自动开始）、手动脉冲发生器（最大2kHz）机械系统：LSF（正向旋转极限）、LSR（反向旋转极限）、DOG(近点信号）中断：4点伺服系统：PGO（零点信号）、SVRDY（伺服准备）、SVEND(伺服结束）一般用途：主体有X0到X7。使用扩展模块可使X10到X67为输入。（最大点数：48点）控制输出伺服系统：CLR（清楚计数器）、FP(正向旋转脉冲）、RP（反响旋转脉冲）。一般用途：主体有Y0到Y7，使用扩展模块可使Y10到Y67为输入。（最大点数：48点）控制方法编程方法：程序经过专用编程工具写入FX-2N-20GM，就可以开始定位操作。程序号000到099（两轴同步）、0x00到0x99和0y00到0y99（两独立轴）。0100（子任务程序）指令定位Cod编号系统（通过指令cods使用)。19种。顺序LD，LDI，AND，ANI，OR，ORI，ANB，ORB，SET，RST和NOP应用30种FNC指令参数12种系统设置，27种定位设置。19种I/O控制设置M codsM00：程序停止（WAIT）m02：（定位程序结束）、m01及m03到m99可任意应用。（AFTER模式和WITH模式），M100（WAIT）和mEND)被子任务程序应用。软元件输入：X0到X67，X372到X377输出：Y0到Y67辅助继电器：M9000到M9175（专用）*、M0到M99(通用）以及M100到M511(通用和电池备用区）*指针：P0到P255数据寄存器：D100到D3999（通用和电池备用区）*（16位）、D0到D99（通用）、D9000到D9599（专用)以及D4000到D6999（文件寄存器和锁存继电器）*变址寄存器：Z0到Z7（32位）和V0到V7（16位）自我诊断“参数错误”，“程序错误”，和“外部错误”可通过显示和错误码来诊断。3.3 FX-2N系列PLC扩展单元根据主单元选择的FX-2N系列，本课题选择FX-2N-32ET扩展单元作为整体控制的一部分。在该系列的产品中，FX-2N是功能最强、速度最高的微型PLC，因此完全满足本设计的需求。用特殊功能模块和功能扩展板，可以实现模拟量的控制、位置的控制以及联网通信等功能。FX2N系列PLC性能规格见表3-4所示13。表3-4 三菱FX2N系列PLC技术参数名称性能规格运算控制方式存储程序反复运算方式、中断命令输入输出控制方式批处理方式程序语言继电器符号+步进梯形图方式程序存储器最大存储容量16K步，有磁盘保护功能内置存储器容量9K步可选存储卡盒RAM8K指令种类顺控先进梯形图顺控指令27条，步进梯形图指令2条应用指令128种298个运算处理速度基本指令0.08/指令应用指令1.52-数百/指令输入输出点数扩展并用时输入点数X0-X287184点（8进制）扩展并用时输出点数Y0-Y287184点（8进制）扩展并用时总点数256点辅助继电器一般用500点保持用524点保持用2048点特殊用156点定时器100ms200点10ms46点3.4 FX-2N串行通信扩展板PLC和PC机通过PLC内置通信板和专用电缆来连接，以此实现二者之间的通信。通信的格式决定了计算机链接和无协议通信方式的通信设置（数据长度、奇偶校验形式、波特率和协议方式等）。因此为了保证PLC和计算机之间通信时发送和接受数据可以正常且正确的完成，系统通信必须按照规定的通信协议格式来处理。PLC程序能对16位特殊数据寄存器D8120设置通信格式。D8120可以设置通信数据长度、奇偶校验形式、波特率以及协议方式，设置b0是最低位，b15是最高位。设置好以后，需要关闭PLC电源，然后重新接通电源之后才能使设置有效14。3.5 旋转光电编码器旋转光电编码器可以分为绝对式和增量式，该课题选择的是增量式旋转光电编码器。增量编码器是一种以脉冲形式输出计量角位移的传感器。它的码盘是在360的圆周上细分若干等份线条，线条越多则分辨率越高。一般增量编码器有三条码道，即A、B、Z道。A、B道的相位差为90，用来判别转动方向；Z好比于记录增量编码器转过的圈数。增量式旋转光电编码器它主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。它的特点是每产生一个输出脉冲信号就会对应于一个增量位移，它能产生和位移增量等值的脉冲电信号，电信号由上位仪表或计算机显示或者控制被测“物体”的姿态。而Z相信号在编码器旋转一圈时只有一个脉冲，一般用来做零点的依据。旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时得让屏蔽线接地，用来提高抗干扰性15。增量编码器主要用于测量速度、加速度、转动方向和角度等。本课题选用徐州华宇电子测控有限公司的增量式光电编码器GDZ38-360（输出PNP型）,它具有体积小，重量轻、安装时方便、互换性好、抗干扰性强、工作寿命长的特点，外径38、止口20、轴径6（D型切口），适用于精密工作环境。电缆有侧出和后出，如图3-5所示，主要技术指标如表3-5所示。图3-5 增量式光电编码器GDZ38-360表3-5 增量式光电编码器GDZ38-360型号GDZ38-360分辨率单圈脉冲数360引线长度10.1m(可定制）电源电压DC6-30V消耗电流40mA信号输出形式O（集电极开路）使用环境温度-25+65防护等级IP64启动转矩0.4Ncm允许最高机械转速3000min轴允许负载径向25N，轴向15N3.6 CCD工业相机工业相机（亦称作“机器视觉相机”）由图像感光芯片和数字化的数据接口，两大基本部件组成。像素把光线的强度转换成为电压输出。这些像素的电压以灰度值的形式输出，全部的像素放在一起就形成了图像，发送给了计算机。其基本的分类按芯片类型可以分为CCD相机和CMOS相机。按传感器的结构特性可分成线阵相机和面阵相机；按扫描方式可分为隔行扫描相机和逐行扫描相机；按照分辨率大小可分为普通分辨率相机和高分辨率相机；按输出信号方式可分为模拟相机和数字相机；按输出色彩可分为单色（黑白）相机和彩色相机；按输出信号速度可分为普通速度相机和高速相机；按响应频率范围可分为可见光（普通）相机、 红外相机和紫外相机等16。 本课题选用了维视数字图像技术有限公司的MV-USB2.0（带帧存）高分辨率数字工业摄像系列的MV-120SC/SM，如图3-6所示。 图3-6 MV-USB2.0系列的（带帧存）高分辨率数字工业摄像4 电气控制系统线路图电气控制系统线路图是把很多电器元件用一定的图形表示出来并且按照特定要求连接成的图形。下面介绍本课题所用的三种电气控制系统线路图：PLC控制线路图、电控柜电器元件布置图以及电器安装接线图。4.1 PLC控制线路图它是采纳电器元件展开的方式绘制而成，包含全部电器元件导电部分以及接线端点，然而并不依照电器元件的实际安置位置来绘制，也不可以反映电器元件的大小，如图4-1所示。该图展示本课题所用的所有元器件及简单的接线方式。所用元器件有：1. PLC主单元FX-2N-128MT，2. PLC扩展单元FX-2N-32ET，3. 通信扩展板FX-2N-32-BD，4. RS-422接口的通信电缆，5. 定位控制模FX-2N-20GM，6. 步进电动机驱动器ZD-6209-V2（10个），7. 两相混合式步进电39HBS22BJ4-TRO，8. 增量式旋转光电编码器GDZ38-360（PNP），9. CCD工业相机MC-120SC/SM，10. 计算机。4.2 电控柜电器元件布置图电器元件布置图主要是标明电气设施上一切电器元件的实际位置，为生产机械设备的制造、安装以及维修提供特定的材料，电器布置图能够按照电器控制的简单程度集中绘制或者独自绘制。绘制时，设备的轮廓线可以应用细实线或者是点划线来体现，全部能见到的和需要表示明白的电气设施，全部都用粗实线画出简单的外形轮廓，电器元件布置图的设计可以根据部件原理图。电器元件的安置应该留心（在同一组件中），体积大并且比较重的电器元件应该安装到电器板下面，而发热元件应该安装在电器板上面；强电、弱电分开并且留心屏蔽，来避免外界干扰；电器元件的安置应该思考整齐、好看并且对称。该布置图，如图4-2所示。4.3 电器安装接线图电器控制线路的安置接线图，是为了方便安置电器设备、电器元件进行配线或检修电器毛病的。安装图中能表现出每个电气设施中每个元件的空间位置以及接线状况，它可在安装和检修时对照原理图应用。它是依据电器位置安放的合理性以及经济性的准则来安置的。图中虚线框中的接线，可根据电器原理图进行。实际工作中，接线图常与电器原理图（即，本课题的PLC控制线路图）结合起来使用。如图4-3所示。图4-1 PLC控制线路图图4-1（续） 控制线路图图4-2 电控柜电器元件布置图图4-3 电器安装接线图4.4 控制面板的设计根据可自动对版的高速曲面印刷机的专利说明以及相关按钮和指示灯等的设备需要，光电对版自动控制系统的操作面板的设计如图4-4所示。图4-4 光电对版自动控制的控制面板5 自动对版控制系统软件设计在分析控制要求后，要确定I/O设备和PLC的硬件系统配置，然后进行I/O端口分配和电气控制线路图的绘制，接下来就进行程序的编写。本次使用三菱专用编程软件GX-developer8.86和仿真软件GX-Simulator6-cn17。5.1 编程软件和仿真软件编程软件GX-developer8.86适用于Q系列（Q模式）、Q系列（A模式）、QnA、A和运动CPU（SCPU）以及FX全系列可编程控制器。维护LD、IL、SFC、ST及FBD、Label语言程序设计，网络参数的设定，可进行程序在线修正、监控以及调试，具备异地读写PLC程序等功能。其特点有：软件的通用性，程序的标准化，丰富的编程语言。编程软件的功能可分为共用功能（包括工程、在线、诊断、窗口和帮助等内容）和设置功能（包括编辑、查找/替换、转换、显示等内容）。其主界面如图5-1所示。图5-1 GX-developer主界面GX-Simulator6-cn是在Window上运行的软件包。在安装GX-developer8.86的计算机内追加安装GX-Simulator6-cn，就可以完成不在线时的调试。不在线调试功用内包含软元件的监督调试以及外部机器的I/O模拟操作等。若使用GX-Simulator6-cn，就可以在一台计算机上进行顺控程序的开发以及调试，所以就能够有效进行顺控程序的修正后的确认。提高了现场调试的效率。此外，为了能够执行本功能，必须事先安排GX-Simulator6-cn进行模拟调试。GX-Simulator6-cn仿真软件的功能包括从GX-Simulator6-cn菜单执行的功能以及从GX-developer8.86菜单执行的功能。其主界面如图5-2所示。图5-2 从GX-developer8.86菜单执行逻辑测试的功能5.2 梯形图梯形图是被应用最多的图形编程语言，被叫做PLC的第一编程语言。梯形图的编程方式与传统的继电器-接触器控制系统电路图十分类似，直观形象而且很容易被熟习继电器控制的人所掌控，非常适用于开关量逻辑的控制，异同点是特定的元件和构图的规则。这样的表达方式非常适用于简单的控制功能的编程。例如图5-3a所示的继电器控制电路，图5-3b所示的用PLC完成其功能的梯形图。a） 接触-继电系统图 b） PLC梯形图图5-3 接触-继电系统图和PLC梯形图梯形图的组成是触点、线圈以及应用指令等。触点代表逻辑输入条件，比方按钮、行程开关、接进开关以及内部条件等。线圈代表逻辑输出的结果，用来控制外部指示灯、交流接触器以及内部的输出标志位等。梯形图编程办法的要点：梯形图按照自上而下、从左到右的顺序排列。每一个继电器线圈都是一个逻辑行，也就是一层阶梯。每一个逻辑行起始于左母线，之后是触点的各种衔接，最后止于继电器线圈，右母线可有可无。整个图形呈现出阶梯状，梯形图是形象化的编程手段。梯形图的左右母线是不连接任何电源的，因此梯形图之中是没有切实的物理电流，只有“概念”电流。“概念”电流只能从左到右流动，层次的变动只能先上后下。1. 该梯形图所用部分元器件的介绍：扩展模块的X100为高速脉冲输入口，对应接编码器的A相，X101接编码器的C相；辅助继电器M8000，在PLC运行时接通，可以应用于运行监控；辅助继电器M8002，仅仅是在PLC运转第一个周期内产生一个脉冲（初始脉冲），来进行初始化处理；计数器C251为高速计数器；数据寄存器D0D199，其为通用型，没有断电保持功能，当PLC停止运行时，数据全部清除为零；数据寄存器D200D7999为断电保持型。2. PID控制算法：PID控制算法是当前工业控制中最常见的控制算法，简称PID控制，又称PID调节。PID控制用于算法结构简单、工作可靠、稳定性能好及调整方便，且当不完全了解一个系统和被控对象，或者不能通过有效的测量手腕来取得系统参数时，适宜使用PID控制技术18。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分及微分计算出控制量进行控制。理想的PID算式为:式中：u(t)控制器的输出； e(t)偏差（设定值与测量值之差），r(t)-z(t)； Kc控制器的比例系数； Ti控制器的积分时间常数； Td控制器的微分时间常数。PID控制算法在PLC编程中有专用的编程指令，该编程指令功能号为FNC88，具体使用格式如图5-4所示。图5-4 PID功能指令格式下面对PID功能指令的操作数作如下的相应解释：目标值（S1），是PID控制系统的给定值，在该控制系统中就是误差设定值，即误差控制系统希望达到的控制误差。测定值（S2），是控制系统的反馈值，在该控制系统中对应的是计算机传给PLC的当前值。参 数（S3），参数要占用从D100开始的25个寄存器。D100只是这一系列参数的首地址，其余的参数都紧随地址D100。这些参数必须在PID控制器工作之前用MOV指令赋值。输出值（D）就是PID控制器经过PID控制算法得到的控制量输出值。3. PID的参数初始化图5-5 PID的参数初始化M8002在PLC运行第一个周期内产生一个脉冲（初始脉冲），进行初始化的处理：PLC中的D200写入所要调节系统的误差设定值为2m；D201写入比例增益为100%；D202写入积分时间为1s；D203写入微分增益为60%；D204写入微分时间为1s。如图5-5所示。4. 定位模块参数的初始化图5-6 定位模块参数的初始化M8002在PLC运转第一个周期内产生一个脉冲（初始脉冲），进行初始化处理：PLC中的D250写入电机最大脉冲输入量2000Hz/s（电机的步距角为0.9/步，因此最大脉冲输入量设置成2000Hz/s，对应最大运转速度是300r/min）；D252写入电机启动后的加速时间是0.5s；D254写入电机快停止时的减速时间是0.5s。如图5-6所示。5. CCD相机控制程序段图5-7 CCD相机控制程序段当C251计数值从0累积到270时，C251的常开触点闭合，启动CCD相机拍摄。当C251的数值积累到360时，高速脉冲复位指令DHSCR将C251置0，这时闭合的C251的常开触点断开，CCD相机拍摄停止，K270的数值是根据调整合适的CCD相机拍摄窗口而调整其大小。如图5-7所示19。6. 将PID的参数写入计算所用的单元中指定D500D524的24个寄存器为PID参数使用。D500写入采样时间为1s；D501写入0，表示动作方向为“正方向”，即给PID的输入的误差当前值大于误差的设定值时，PID开始进行计算并输出；D502写入滤波常熟为60%，对传感器信号滤波；把D201的数值比例增益100%写入D503；把D202的数值积分时间1s写入D504；把D203的数值微分增益60%写入D505；把D204的数值微分时间1s写入D506；把D520写入输入变化上限为1mm；把D521写入输入变化下限为0。如图5-8所示。图5-8 将PID的参数写入计算所用的单元中7. 把给定位模块的参数写入定位模块中图5-9 把给定位模块的参数写入定位模块中把PLC数据寄存器D250和D251的数值电机最大运转速度300r/min（2000Hz/s）写入1号定位模块的缓冲寄存器BFM#9208和BFM#9209，为32位。D250和BFM#9208存入低16数据，D251和BFM#9209存入高16位数据。同样，把D252和D253的数据分别写入1号定位模块的BFM#9216和BFM#9217，把D254和D255的数据分别写入1号定位模块的BFM#9218和BFM#9219。BFM#9208、#9209，#9216、#9217和#9218、#9219，分别是1号定位模块控制X轴（C1电机）的最大运行速度、加速时间和减速时间的参数存放地址。这时1号定位模块控制C1电机的三个参数分别是最大运行速度300r/min、加速时间0.5s和减速时间0.5s。1号定位模块缓冲寄存器BFM#9408、#9409，#9416、#9417,和#9418、#9419分别是控制Y轴（L1电机）的三个参数。如图5-9所示。8. 电机的启停控制和急停图5-10 电机的启停控制和急停X103闭合，使Y101闭合，从而将M0置1，M1置0，并进行PID计算，再用TO指令将校正所需的输出量写入1号定位模块的缓冲寄存器BFM#9286中。该地址单元为定位模块给X轴（C1电机）的脉冲总量，1号定位模块的缓冲寄存器BFM#9486对应的为Y轴（L1电机）的脉冲总量。如图5-10所示。9. 把电机的启停信息写入对应定位模块中图5-11 电机的启停控制和急停把PLC的辅助继电器M0、M1、M2、M3的信息写入1号定位模块的缓冲寄存器BFM#20的16位。每个辅助继电器的数值占用4位，从M0开始写入低4位，依次进行，从而控制X轴（C1电机）的启停。定位模块的缓冲寄存器BFM#20专用于写入启停等信息的地址单元。该部分是每个功能部分的描述，完整的程序见附录1。如图5-11所示。5.3 指令表PLC指令表的编程语言是和汇编语言类似的助记符编程语言，同样是由操作码以及操作数组成。因此，由指令组成的程序称为指令表程序。应用指令表编写的程序比较难浏览，程序中的逻辑关系很难被一眼看出，所以在程序设计中较少用，在设计时普遍采纳梯形图编程。并且如果使用PLC编程软件编制程序时，其梯形图的编程语言图和指令表的编程语言是一一对应的，因此本次编程采用软件编辑梯形图，然后转换成指令表。部分指令表如图5-12所示，完整的程序见附录20。图5-12 部分指令表6 总结光电对版自动控制系统是曲面印刷机实现质量保证的关健因素，本文针对这一主线,对曲面印刷机光电对版自动控制系统的关键技术做出了分析与研究。介绍了用软件编写梯形图和指令表，具体说明了不常用的元器件和PID控制算法。同时，也具体介绍了控制的电机运转所需要的各个程序段设计：PID的参数初始化、定位模块参数的初始化、CCD相机控制程序段、将PID的参数写入计算所用的单元中、把给定位模块的参数写入定位模块中、电机的启停控制和急停和把电机的启停信息写入对应定位模块中。本课题所设计的整个梯形图和指令表，可见附录。随着对印刷质量要求到逐渐提高，套准误差的出现再所难免，但如何最小化的降低套准误差还需要进一步研究，利用机器视觉技术分析印刷品质量已成为一种流行趋势，印刷品质量的实时在线监测与调整将成为很重要的研究方向，由于时间限制与实验条件有限，本文的研究工作也存在一些不足之处，所以需要进一步提高曲面印刷机的套准精度，以及研究验证自动套准系统的各项关键技术。参 考 文 献1 马维金,杜文华.可自动对版的高速曲面印刷机.中国