基于PLC的自动点胶机控制系统

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东北大学硕士学位论文第1章绪论

增加企业负担，能够极大地提高我国电子产品的数量和质量，具有深远的意义。

1.2控制系统的内容

工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题，虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。机械设备的自动化大幅度带动了电子信息技术的发展，降低生产成本，提高生产效率，提高了我国微电子产业的发展。

运动控制(MotionControl)寻常是指在繁杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动确切的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。运动控制的实质是根据预定的方案，将上位控制系统做出的决策命令，变成某种期望的机械运动，以得到确定的位置、速度、加速度或特定的运动形式。

运动控制系统多种多样，但从基本结构上看，一个完整的运动控制系统常由上位控制器、执行电机、机械传动机构和位置检测元件等组成。其结构图如图1．1所示。上位控制器寻常是运动控制卡、具有运动控制功能的PLC、数控系统(CNC)或单片机系统等。

位置检测上位控制驱动器执行电机机械结构

图1．1运动控制系统结构框图

Fig.1.1Thechartofmotioncontrolsystem

其中的上位控制器是指以中央规律控制单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。它的主要任务是根据运动控制的要求和传感器件的信号进行必要的规律、数学运算，为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。电机通过传动机构带动机械结构运动，便可以得到预期的运动参数和运动形式[14-19]。

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东北大学硕士学位论文第1章绪论

1.3控制系统的分类

1.3.1按位置控制原理分类

运动控制系统根据位置控制原理，即有无检测反馈传感器及其检测部件，可分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方案。

(1)开环控制系统

无位置检测反馈装置，其执行电机一般采用步进电机。此类系统最大的特点是控制便利，结构简单，价格低廉。控制系统发出的位移指令信号流是单向的，所以不存在稳定性的问题。且由于机械传动误差不经过反馈校正，位置精度一般不高。如图1．2所示。

指令脉冲驱动器执行元件工作台

图1．2开环控制系统结构框图

Fig1.2Thechartofopenloopcontrolsystem

(2)半闭环控制系统

位置反馈采用转角检测元件，直接安装在伺服电机或丝杠端部。由于具有位置反馈比较控制，可以获得较大的定位精度，大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。丝杠等机械传动误差不能通过反馈校正，但可采用软件定值补偿的方法来适当提高其精度。如图1．3所示。

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东北大学硕士学位论文第1章绪论

指令脉冲位置控制单元速度控制单元执行元件工作台速度检测单元位置检测单元

图1.3半闭环控制系统框图

Fig1.3Thechartofsemi-closeloopcontrolsystem

(3)全闭环控制系统

采用光栅等检测元件对被控单元进行位置检测，可以消除从电机到被控单元之间整个机械传动链中的传动误差，得到很高的静态定位精度。但由于在整个控制环内，大量机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙均为非线性，动态响应时间又十分大，使得整个闭环系统的稳定性校正很困难，系统的设计和调整也相当繁杂。如图1．4所示。指令脉冲位置控制单元速度控制单元执行元件工作台速度检测单元位置检测单元

图1．4闭环控制系统结构框图

Fig．1．4Thechartofcloseloopcontrolsystem

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东北大学硕士学位论文第1章绪论

1.3.2按被控量的性质和运动控制分类

(1)位置控制

它是指转角位置或直线移动位置的控制。位置控制按数控原理分为点位控制(PTP)和连续轨迹控制(CP)。点位控制是点到点的定位控制，它既不控制点与点之间的运动轨迹，也不在此过程中进行加工或测量。如数控钻床、冲床、镗床、测量机和点焊工业机器人等。连续轨迹控制又分为直线控制和轮廓控制。直线控制是指被控对象以一定速度沿某个方向的直线运动(单轴或多轴联动)，在此过程中要进行加工或测量，如数控镗铣床、大多数加工中心和弧焊工业机器人等。轮廓控制是控制两个或两个以上坐标轴移动的瞬时位置与速度，通过联动形成一个平面或空间的轮廓曲线或曲面。如数控铣床、车床、凸轮磨床、激光切割机和二坐标测量机等。

(2)速度控制和加速度控制

速度控制既可单独使用，如输送机、工作台、主轴和卷绕机等这样的机械速度控制；也可以与位置控制联合成为双回路控制，但主回路是位置控制，速度控制作为反馈校正，改善系统的动态特性，如各种数控机械的双回路伺服系统。

(3)同步控制

同步控制是两轴或两轴以上的速度或位置的同步运动控制。如平行物料传送带、整列绕线机、大型印刷机的多轴平行传动等，有的除了同步启动、还要求位置同步，其同步精度要求较高。

(4)力和力矩控制

塑料薄膜、钢带、布和纸张等卷取机是恒张力控制，自动组装机的拧紧螺母以及自动钻孔等场合，应采用力矩与位置同步控制[15]。

1.3.3按驱动方式不同分类

运动控制系统按驱动方式不同可分为电气控制、液压控制和气动控制，它们各有特点和应用范围。由于计算机控制、电力电子器件、伺服电动机和位置检测传感器的迅速发展，电气伺听从机械主传动的电力拖动扩展到机械的伺服进给系统，就是由伺服电动机驱动机械系统的机电伺服系统，它广泛应用于各种运动控制设备。

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1.4课题来源及研究目的

1.4.1课题来源

本课题来源于企业协作项目，研究采用运动控制技术实现电子工业中自动涂胶作业，解决涂胶工艺中均匀性、一致性和快速性的问题，可以极大的提高产品质量和生产效率，增加企业利润。同时可以降低工人工作强度，改善工人工作条件，降低劳动力成本。

目前公司使用手动点胶机在电子产品上点胶，该工艺方法简单，成本低廉，但是浪费劳动力，速度慢，而且精度差。市场上出售的自动点胶机通过控制系统来控制胶枪运动的轨迹，以达到对不同喷涂对象的喷涂，这减少了因工人技能熟练程度不同造成的精度参差不齐，提高了生产率，但是其价格昂贵且不适合本企业的生产实际。本课题针对企业生产需要，开发一套自动点胶机控制系统，通过运动控制器和高精度的运动平台实现点胶系统的确凿定位，使用多组传感器对点胶过程运行状态信息进行测量和采样。实现对点胶系统各运动部件的控制，兼顾经济实用的原则，使点胶机适用于点，直线，圆，椭圆以及方形等规则产品的点胶。

1.4.2论文的主要研究内容

本论文深入探讨了运动控制系统的关键技术，介绍了运动控制领域的一些新技术、新产品，辩证的选择适合企业需求的运动控制产品。开发了一种基于松下FPX一L60PLC的平面运动控制系统，提出了研制一种主要实现点位运动控制功能的控制方案，而且在这套运动控制系统中利用PLC程序来编写逐点比较法插补程序，可实现轮廓运动控制。在上位PC机设计操作界面，通过调用PLC的程序，来实现点位运动控制。具体地讲开发本运动控制系统所要进行的主要工作有：

(1)分析了各种类型控制系统的结构和应用特点，控制技术当前在国内外发展状况，比较了当前各种运动控制器的功能与优缺点。

(2)分析了在本套控制系统中采用PLC的主要优点，建立了以PC机为上位机，PLC为运动控制器来根据PC机输入的用户指令控制步进电机运行的平面开环运动控制系统。(4)解释了点位运动控制和逐点比较法宣线插补与圆弧插补运动的数学函数的建立，重点讲解了PLC运动控制程序对于用户通过操作界面输入的数据的存储与控制应用，详细说明白PLC程序的编制过程。

(5)使用松下电工的可编程智能操作面板GT10的画面制作工具软件GTWIN，编制出一套适合界面友好、操作便利、功能强大，运行可靠快捷的触摸屏界面。

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东北大学硕士学位论文第2章点胶机的控制方案

其次章点胶机的控制方案

2.1点胶机简介

点胶机由“机械＋电机＋运动控制器〞组成。点胶机结构示意图如图2-1所示：

通讯接口运动控制器电机机械接收指令

图2.1点胶机结构示意图

Fig．2．1Thesketchmapofthestructureof

Adhesiveinjectingmachine

机械部分就是一个三自由度的传动机构平台。胶头可以通过机械的移动定位到空间的任意一个（X，Y，Z）坐标。运动控制卡实际上相当于一个智能的电子计算机。它发脉冲给电机的驱动器，使电机带动机械运动。它可以控制机械走出各种各样的轨迹，灵活的控制运动速度、加速度，进行高精度的定位。

点胶控制系统是针对点胶加工车间的工人设计的，所以根据实际生产需要，在满足运动性能指标的前提下，适应在点胶过程中的灵活快速的要求，不仅要提高产品的可靠性，有效降低产品成本，还要操作简单快捷。参考市场上的点胶机产品，结合企业实际生产状况，选择适合的运动控制器。

2.2点胶机的机械结构

为了防止胶水的固化，目前点胶机形式大都采用AB双液点胶，其中A料桶用于装本胶，B料桶用于装催化剂，当A胶遇到催化剂时，胶水才开始固化。点胶机的机械示意图如3.1所示。

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东北大学硕士学位论文第2章点胶机的控制方案

混料罐A计量泵A带轮工作台同步带搅拌器电机混料罐B计量泵B

图3.1点胶机的机械示意图Fig3.1ThemechanicalschemesofAdhesiveinjectingmachine

点胶机主要由机床机构，混料机构，传输机构等几大部分组成。（1）机床机构部分

主体为一个XY方向工作平台；工作平台上有一个可纵向运动同步带机构，该同步带机构由步进电机驱动，控制机床的主要纵向运动；纵向同步带机构上带有一个横向可运动的涂胶嘴机构，该机构由伺服电机驱动，控制机床的主要横向运动；涂胶嘴机构由可上下的同步带运动机构和涂胶嘴两部分组成，涂胶嘴的功能是控制涂胶的流量，可上下的运动机构由伺服电机驱动控制涂胶嘴的高度位置，平日默认在最高处，当工作时要按工艺下降一定高度。工作后回到默认位置。

（2）传输机构

本部分主要实现：A、B料罐液体混合料分别通过传输管道与一台计量泵连接，通过计量泵分别传输到注胶嘴内直流电机搅拌器内，将两种液体进行充分混合，当涂胶时，开启注胶口，密封胶从注胶嘴流出。

（3）混料机构

主要由A、B料罐，A、B搅拌器，A、B加热器，A、B液位限定器及直流电机搅拌器组

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东北大学硕士学位论文第2章点胶机的控制方案

成。A、B料罐由液位限定器控制液体料的容量，不工作时不需要搅拌和加热，在正式涂胶工作前依照工艺提前搅拌，并按工艺保持恒温，这样，是为了保证液体料在注胶口的充分混合[23]。

2.3运动控制系统的控制要求分析

研制这套基于PLC的平面运动控制系统的主要针对点位运动控制的运动控制系统，可实现点胶机的点位运动和运动轨迹的要求。

2.3.1点位运动

点位运动的特点是移动部件在移动中不进行加工，只要求以最快的速度从一点移动到另一点，并确凿定位。至于点与点之间的移动轨迹(路径与方向)并无严格要求,各坐标轴之间的运动并不相关。点胶机的点位控制主要包括胶枪的原点回归和快速移动，以及手动微调设置。要求坐标位置具有较高的定位精度，为了提高生产效率，采用机床设定的最高进给速度进行定位运动，在接近定位点前进行降速，以便低速趋近终点，从而减少运动部件的惯性过冲和因此引起的定位误差，在移动过程中对运动轨迹没有任何要求。

2.3.2轮廓控制

轮廓控制是能够对两个或两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行连续相关控制，使胶枪与工件间的相对运动符合点胶要求，在工件平面进行各种轨迹的点胶。在这类控制方式中，要求数控装置具有插补运算的功能，即根据加工程序输入的基本数据(如直线的终点坐标、圆弧的终点坐标和原系坐标或半径)，通过数控系统的插补运算器的数学处理，把直线或曲线形状的相关坐标点计算出来，并边计算边根据计算结果控制两个或两个以上的坐标轴协调运动。

(1)直线插补

直线插补用以控制两个坐标轴(或三个坐标轴)以联动的方式，按程序段中规定的合成进给速度插补出任意斜率的平面(或空间)直线。工件相对于胶枪的现时位置是直线的起点，为已知点，因此程序段只要指定终点的坐标分量，就给定了加工直线的必要条件。

（2）圆弧插补

圆弧插补分在所选择的平面上按顺时针以及逆时针的两种圆弧加工。在圆弧加工程序段除了要指定圆弧终点坐标之外，还必需指定圆弧的圆心相对于圆弧起点在X、Y、Z

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东北大学硕士学位论文第2章点胶机的控制方案

方向上的相对坐标。因起点是现在已知的，便可以确定圆心的坐标，程序段中又给出了圆弧的终点坐标，这样就能加工圆弧了。

(3)椭圆插补

椭圆方程的因变量有长短轴以及起点和终点的坐标值，在相对坐标系可以根据前一点的坐标判断下一步的进给方向。由于各个象限需要进给的方向和偏差的递进值不同，并且椭圆方程的因变量比直线和圆要多，更简单发生错误，是本文中的难点。

2.3.3系统操作界面要求

运动控制系统操作界面是使用者对于本套运动控制系统的最直观的了解，它直接面对用户，接受用户的指令，并把用户的运动控制指令传输到运动控制器PLC中。使用者无需明白整套运动控制器的运动原理，只要了解操作即可。所以这就要求运动控制系统的界面操作简单明白，以降低对使用者或进行培训者的要求。这套运动控制系统有两种运动方式，分别为点位运动、轮廓插补中的直线插补运动和圆弧插补运动，所以运动控制操作界面也要能进行两种运动控制轨迹的选择和控制参数输入。用户应能控制运动控制系统的启动运行，应设置有专用的启动按钮，以使用户能保持对系统运行的控制。

根据点胶机的界面要求，本课题选用松下GT30触摸屏进行人际交流，其画面制作工具软件，简称GTWIN。该触摸屏为黑白机，在敞亮、易读的液晶画面上，不仅能显示信息、图形，还可以根据需要自由的显示按键、指示灯、PLC数据、图表、时钟等，使运行状况一目了然。该触摸屏安装便利，机体很紧凑，可安装在很小的空间里。用一根电缆就能与松下FP系列或者三菱电机FX系列的机种直接连接，因此布线时间大幅度减少。液晶和触摸式面板，不但可以明了的显示画面，只要轻轻触摸，就可以进行开关操作或者输入数据，便利快捷。

2.4运动控制系统控制方案方案确定

运动控制器是整个点胶机的“心脏〞。点胶机的工作状况通过运动控制器调理控制，每个工作状态都有相应的线路控制，它直接影响点胶机的工作状态，影响产品的涂胶质量。其主要功能有：上下位机问通信、传递控制参数、监控状念和故障诊断与报警，以及数据处理等。

实现数控系统运动控制的寻常方法可以有两种：一是采用全功能的数控装置，这种装置功能十分完善，联动轴数在五轴以上，但其价格却很昂贵，而且大量功能对点位控制来说是多余的，大量企业承受不起昂扬的费用；二是经济型数控装置，这种装置功能

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东北大学硕士学位论文第2章点胶机的控制方案

相对较弱，最多联动轴数为二轴或三轴，抗干扰能力弱，控制精度不高，但其价格较为低廉，适合一些控制要求不高的项目。

全功能性的数控系统大致有四种：

1、传统数控系统。如FANUCO系统、MITSUBISHIM50系统、Siemens810系统等，这是一种专门的封闭体系结构的数控系统。人机界面必需使用专门的开发工具，耗时耗力，用户无法进行自主研发，修改不便。

2、“PC嵌入NC〞结构的开放式数控系统。如FANUCl8i、16i系统、Siemens840D系统、Numl060系统、AB9／360等数控系统。它的NC部分依旧是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的，因此用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构繁杂、功能强大，但价格昂贵。

3、“NC嵌入PC〞结构的开放式数控系统。它由于开放体系结构运动控制卡+PC机构成。这种运动控制卡寻常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制能力。可以使用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统，被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。

4、SOFT型开放式数控系统。这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I／O之问的标准化通用接口。与前几种数控系统相比，SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。

在我国微电子封装设备上使用的数控系统中，大多数实力比较强的企业都使用进口的高档数控系统，也有一些企业使用国产数控。纵观这些数控系统，都具有十分强大的功能，能够适应多种生产环境。当然功能越强，造价就越高，并且有好多功能企业根本就没有使用，这就造成了巨大的浪费。中国电子制造业的发展，中小批量生产的占据主流，这就要求点胶机数控系统能满足不同加工需求，迅速高效、低成本，并能大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求新一代数控系统具有便利的修改维护功能，以适应未来车间面向任务和订单的生产组织和管理模式。所以针对我国的中小制造企业来说，发展经济型专用数控系统就显得尤为重要了[29]。

目前，经济型控制系统常用的有两种：一种是采用可编程规律控制器（PLC）系统，二是采用单片机控制系统。其性能比较如下：

1、PLC系统不需要附加硬件设计且软件编程简单，易学易用，设计周期短，开发费用低，但是PLC控制器价格昂贵。对单项工程或重复数目极少的项目，采用PLC是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好。单片机控制器成本低，而且灵活性更好，功能强

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东北大学硕士学位论文第3章点胶机的驱动方案

根据电动机的类型，目前将交流伺服系统分为同步型交流伺服系统和异步型交流伺服系统。寻常永磁同步交流伺服系统在定位运动控制系统，特别是在数控机床进给伺服中应用广泛。同步型交流伺服系统依照驱动电流的波形及工作原理，又可分为矩形波电流驱动的交流伺服系统和正弦波电流驱动的交流伺服系统。从发展趋势来看，正弦波驱动将成为主流。

图3.5交流伺服系统控制框图Fig3.5ThechartofACservosystem

主控制系统位置比较速度比较驱动器交流伺服电机速度反馈位置环位置反馈交流伺服电机一般由永磁同步电机、转子位置传感器、速度传感器组成，交流伺服电机和它的驱动器组成一个伺服系统。交流伺服系统是一个典型的速度闭环系统；伺服驱动器从主控制系统接收电压变化范围为

Ui?UiUi?Ui—的速度指令信号。电压从变化到

的过程中，伺服电机可实现从反转最高速变化到零，然后再变化到正转最高速[34]。但

是，这种交流伺服系统只能实现对速度的闭环控制，还不能直接实现对位置的闭环控制。要实现对位置的闭环控制，必需在电机和控制系统间构成一个位置环,如图3.5所示。

3.2.3电机的脉冲控制

在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。点胶机执行机构功能主要包括点胶轨迹控制、胶枪上下移动定位两部分，对于精度的要求并不是很高，在工作中对电机的要求也相对于数控机床宽松好多。考虑到运动控制器的选取和系统的实际要求，本课题选用步进电机作为执行元件，接受运动控

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东北大学硕士学位论文第3章点胶机的驱动方案

制器的控制。

自动点胶机工作时步进电机处于低速，三相电机的步距角在1.5°左右，使用时工作效率高，噪音低。通过静力矩和电流的分析，选择斯达特57BYG350B型电机。

步进电机作为一种控制缜密位移及大范围调速专用的电机,由于控制方法简单，成本低廉，广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行需要有脉冲分派的功率型电子装置进行驱动,这就是步进电机驱动器。它接收控制系统发出的脉冲信号，依照步进电机的结构特点，顺序分派脉冲，实现控制角位移、旋转速度、旋转方向、制动加载状态、自由状态。控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。角位移量与脉冲个数相关。

1、必要脉冲数的计算

必要脉冲数是指传动装置将物体从起始位置传送到目标位置所需要提供给步进电机的脉冲数。必要脉冲数按下面公式计算：

N?S1S2?3600?(3-1)

N:必要脉冲数

?步进角

S1：物体移动的距离

S2：距离电机旋转一周移动的距离

2、驱动脉冲速度的计算

驱动脉冲速度是指在设定的定位时间中电机旋转过一定角度所需要的脉冲数。驱动脉冲数可以根据必要脉冲数、定位时间和加/减速时间计算得出。（1）自启动运行方式

自启动运行方式是指在驱动电机旋转和中止时不经过加速、减速阶段，而直接以驱动脉冲速度启动和中止的运行方式。

自启动运行方式寻常在转速较低的时候使用。同时，由于在启动/中止时存在一个突然的速度变化，所以这种方式需要较大的加/减速力矩。

自启动运行方式的驱动脉冲速度计算方法如下：

V?NT(3-2)

V驱动脉冲速度N必要脉冲数T定位时间

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东北大学硕士学位论文第3章点胶机的驱动方案

图3.6自启动运行方式Fig3.6self-startingoperationmode

（2）加/减速运行方式

加//减速运行方式是指电机首先以一个较低的速度启动，经过一个加速过程后达到正常的驱动脉冲速度，运行一段时间之后再经过一个减速过程后电机中止的运行方式。其定位时间包括加速时间、减速时间和以驱动脉冲速度运行的时间。

加/减速时间需要根据传送距离、速度和定位时间来计算。在加/减速运行方式中，由于速度变化较小，所以需要的力矩要比自启动方式下的力矩小。加/减速运行方式下的驱动脉冲速度计算方法如下：

V?N?N1?tT?t（3-3）

图3.7加减速运行方式Fig3.7decelerationoperationmode

3.3点胶机控制系统硬件

点胶机控制系统的驱动状况好坏关系到控制系统的精度，具有重要意义。本章表达点胶机的机械结构，分析了XY工作台的传动方式。详细介绍了同步带传送与传统传动方式的