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玩具自动压轴机控制系统硬件设计
玩具自动压轴机控制系统硬件设计
摘要
本设计以玩具厂的某些齿轮与轴装配的自动压轴机为控制对象，设计玩具自动压轴机的控制系统的硬件部分。
本设计以西门子S7-224PLC为核心，以三菱伺服运动系统、气缸及电磁铁等作为执行单元，以电感式传感器为检测单元配合不同的装配模块构成玩具自动压轴机，其设计装配速度可以达到60次每分钟。
同时利用西门子TP177BPN/DP系列触摸屏为人机交换界面，采用MPI通信方式进行参数设定和监视，并自动统计装配数量等参数。
设计内容包括硬件选型、电气系统的设计及安装。
本设计基本实现了压轴机的控制要求，可移植到自动压轴机的实际应用中去。
关键词：
玩具礼品；PLC控制；伺服驱动；自动装配；
TheHardwareDesignofAutomaticAssemblingToyAxisControlSystem
Abstract
Thisdesigntakestheautomaticassemblingmachinewhichisusedfortheassemblagebetweensomekindsofplasticgearsandsteelaxlefromthetoyfactoryascontrolobjective.Andtheaimistodesignthehardwarefortheautomaticassemblingmachine.ThiscontrolsystemisbasedonSIEMENSS7-224PLC,whichconsistofMitsubishiservocontrolsystem,cylinder,solenoidunit,sensorsanddifferentassemblingmodels.Anditsassemblingspeedisupto60timesinaminute.ThecontrolsystemcanexchangedatawithSIEMENSHMIbyMPIcommunicationmode,whichusercansettheoperatingparametersandmonitoritsrunningstate.Thisdesignincludethehardwaredesign,selectionandinstallation.Thisdesignbasicallyachievestherequirementsforthemachineandcanbeputintotheapplicationofproducing.
Keywords：
Toy;PLCcontrol;Servodrive;AutomaticAssembling
1.绪论
1.1本课题研究的目的、意义
玩具礼品业是汕头市澄海区最具特色、最有活力的支柱产业。
澄海的玩具产业省内占有重要份额，并且是中国玩具出口基地。
根据澄海玩具协会给出的资料显示，澄海现有玩具礼品生产企业3300多家，从业人员超过10万，年产值超150亿，产品70%以上出口，畅销世界100多个国家和地区，年出口量达10亿美元。
在玩具礼品业的拉动下，澄海工业生产形势十分喜人。
玩具业已成为澄海区域经济优势和潜在的经济发展动力。
但澄海玩具业的发展也碰到许多瓶颈，其中“民工荒”问题在澄海日益突出，特别是在装配部门，其当前使用的装配机器多为半自动型，生产效率较低，需要较多的劳动力。
另外2010年3月，广东省宣布最低工资标准上调20%，企业必须提供更高的工资来争取更多的劳动力。
伴随着民工荒和工人工资的增长，本来就十分微薄的利润，现在更是雪上加霜。
企业面临着提高生产效率的难题，减少装配环节的工人数量，提高装配效率是头等大事，急需实现装配过程的自动化。
在塑料玩具的装配中，有些工序是很费工时，并且是大量的重复性动作，比如压轴、上螺钉。
对于压轴加工而言，目前企业普遍是采用人工送料、下料的半自动化作业，机械压轴，无论是做齿轮减速器时齿轮与轴的装配，还是做轮式玩具时轮圈与轴的装配，都是采用这种方式，装配效率不高。
为解决这种装配效率低下的问题，本设计尝试建立一个利用西门子S7-224PLC为核心，以三菱伺服运动系统、气缸及电磁铁等作为执行单元，以电感式传感器为检测单元配合不同的装配模块构成玩具自动压轴机，取代当前半自动化的装配模式。
1.2本课题研究的内容
此次设计基于PLC以及伺服运动系统，在外围电路中加入由交流接触器和继电器，控制电磁阀及电磁铁等运动器件，再利用人机界面进行监控及参数设置，组成一个玩具自动压轴系统。
本课题涉及到的内容主要是运用PLC及伺服系统进行定位及多点动作。
需要根据实际工作过程确定PLC的输入输出点数、伺服系统的型号，设计外围控制及运行电路，以及传感器的运用。
整个系统共有三个工位及六个装配模块：
其中一号工位负责进行自动送轴与用电感式传感器进行检测其是否到位，二号工位负责送齿轮与用光电传感器进行检测其是否到位，三号工位负责装配；每个模块到达指定工位进行相应动作，但需根据上工位检测结果判断当前工位的动作，各模块在伺服电机的控制下中循环运作；各工位相应动作由气缸作为原动件。
1.3本课题研究的方法和手段
本课题的研究方法和手段是理论设计与实际调式相结合。
通过学习PLC相关模块的原理及使用方法、伺服系统的原理及控制方法、电路设计理论知识，进行电气系统的硬件选型、设计电气原理图、布局图及布线图，再进行安装及调试工作，最后根据调试结果得出控制规律和结论。
2.压轴机控制系统的总体设计方案
2.1压轴机工作流程介绍
压轴机简化图
系统自动装配过程示意图：
图2-1系统工作流程图
如图2-1所示，整个系统设计共有三个装配工位：
其中1号工位负责进行自动送轴与用电感式传感器进行检测其是否到位；2号工位负责送齿轮与用光电传感器进行检测其是否到位；3号工位负责装配。
整个压轴机配有六个装配模块，每个模块到达指定工位进行相应动作，但需根据上工位检测结果判断当前工位的动作，各模块循环运作；各工位相应动作由气缸作为原动件。
在每个装配过程中，每个模块需经三个工位才能完成。
当模块到达某一工位时，此时定位完成，在每个工位上的模块都有压紧装置使其固定在工位上。
以甲模块为例，当其进入1号工位固定后，系统将自动完成送轴动作，装在1号工位的传感器将检测送轴是否到位，并将检测结果传送到PLC；完成这一步骤之后，电机转动将甲模块带到2号工位，此时系统将根据1号工位的检测结果即送齿轮是否成功决定2号工位的动作，若送轴成功，系统将进行送齿轮动作，装在2号工位的传感器将检测送齿轮是否到位，并将检测结果传送到PLC，若送轴失败，系统将不对甲模块进行送齿轮及下一工位的装配。
同理，当二号工位完成相应动作之后，甲模块将进入3号工位，进行相应的装配。
1号工位和2号工位各安装一传感器检测相应动作是否完成，其中1号工位检测金属轴故采用电感器式传感器，2号工位检测塑料齿轮故采用光电传感器。
PLC经检测输入信号及运算后，从而控制各个输出点的动作。
参数设置与过程监控借助人机界面与PLC进行MPI通信来完成。
2.2压轴机控制系统设计
由于压轴机所装配的齿轮及金属光轴尺寸均较小，故系统的运动精度要求较高，本设计采用伺服系统，借助其定位模式，将PLC输出的高速脉冲串作为伺服电机的驱动信号，从而带动链条运动对模块进行定位；并要求可控制伺服电机的正反转，方便调试与维修。
各模块到达指定工位时的压紧与松开，将由PLC控制电磁铁的通电情况完成。
其中各工位的执行动作由PLC控制气缸完成，检测各工位的动作由传感器进行。
为使上述各工位顺利完成其设计功能，并能够快速、准确的进行装配，综合上述各工位设计的功能及初步确定的主要电气元件与执行元件，确定系统以PLC为控制核心的初步控制图及运动时序图。
图2.2-1系统初步控制图
根据压轴机设计的装配速度60次/分，并综合考虑硬件的响应速度、动作时间等因素，将系统各动作时序进行设置。
图2.2-2系统运动时序图
2.3玩具自动装配系统的技术要求
玩具自动装配系统除了要满足以上功能要求以外，还需要满足技术性能指标的要求。
玩具自动装配系统的技术性能指标包括伺服系统的精度要求、传感器响应速度要求、气缸技术要求。
1.伺服系统精度要求
以下图齿轮与光轴为例
图3.2-1齿轮、光轴尺寸图
虽然装配模块上采用漏斗形导料口，但由于光轴较狭长，直径仅有1mm，若定位精度不高，落轴的成功率将十分低下，导致整个装配系统的工作效率。
故整个装配系统的硬件精度必须控制在0.5mm以下。
考虑到机械制造、安装的误差，伺服系统的定位误差将更为严格，仅为0.05mm，必须选用高性能的伺服系统。
2.传感器响应速度要求
由于装配系统的设计装配速度为每分钟60次，即在一秒中的装配周期里，包含系统一次模块定位用时、齿轮与光轴的落料时间、响应速度最慢的模块压紧与松开用时、用时最多的气缸执行动作及传感器响应时间等。
虽然各个动作的在某些时间点是重合的，但为保证机械装置用时，应提高传感器等电子元件的响应速度，故其响应时间需在5ms以下。
图3.2-2装配工位示意图：
3.气缸技术要求
装配力的计算
进行加压的速度不超过5-7mm/s时，压配的最大力是发生在工序临终的时刻，可以按式2.3-1确定：
式3.2-1
式中：
————压配时的摩擦系数，根据机械手册，塑料与钢的摩擦系数为0.1
————配合表面直径（mm），
=1mm
————装配零件接触长度（mm），
=5.5mm
P—————垂直接触表面的压力（N/
）
连接零件受弹性变形，垂直压力可以由下式确定：
式3.2-2
——————实际的过盈量（mm），以最大的过盈量来计算，取0.04mm
———外部零件的直径比，根据实际条件，齿轮分3部分计算，以各部分所占比例的不同来计算。
=
=2.6
—————————内部零件的直径比，
=0
——————————内部和外部零件材料的弹性模量（N/
），内部材料为不锈钢，其弹性模量为
=2.06
Mpa，外部材料为ABS塑料，其弹性模量为
=2.7
Mpa
——————————内部和外部零件材料的泊松系数（根据材料查资料可得），
=0.26，
=0.35
因此由上次可知：
63.27（
）
129.14N
根据所算的数据，即最大压入力为129.14N。
预留20%的余量，故装配气缸的最小推力约为160N。
3.玩具自动装配系统硬件选型
3.1PLC型号选择
整个控制系统的原理方框图如3.1-1所示。
图3.1-1系统原理方框图
如图3.1-1所示：
HMI与PLC之间采用MPI通信交换数据，PLC作为控制器控制伺服系统与各工位的动作，并处理各工位的反馈信号。
根据自动装配系统的功能，PLC所需的输入、输出点如表3.1-1所示。
表3.1-1
编号
PLC输入信号
PLC输出信号
1
微动开关
伺服电机（高速脉冲输出）
2
电感式传感器
落轴气缸
3
光电传感器
推齿轮气缸
4
伺服定位完成
装配气缸
5
伺服报警
电磁铁
6
落轴行程开关
电机正\反转
7
推齿轮行程开关
伺服ON
8
装配行程开关
共计
8
7
如表所示，自动装配系统共需8个输入点，7个输出点，其中一输出点为高速脉冲输出，考虑到今后实际应用中系统可进行改进，需预留部分点数。
结合表3.1-1及实验室现有资源，确定PLC型号为西门子S7-224。
其技术资料如表3.1-2。
表3.1-2
特性
CPU224
特性
CPU224
外形尺寸
120.5×80×62
扩展模块数量
7
程序寄存器
带运行模式下编辑
不带运行模式下编辑
8192字节
12288字节
本机I/O
数字量
模拟量
14输入/10输出
---
数据寄存器
8192字节
高速计数器
单相
两相
6路30KHz
4路20KHz
掉电保护
100小时
脉冲输出
2路20KHz
模拟电位器
2
实时时钟
内置
通讯口
1-S485
浮点数运算
是
数字I/O映像大小
256（128输入/128输出）
布尔型运算速度
0.22毫秒/字节
图3.1-2
在本设计中选用S7-200系列CPU224的依据有：
1、14个输入点与10输出点，比系统所需的6个输入与8个输出相比，仍有未使用部分可供今后扩展
2、CPU224共有2路高速脉冲输出，最高频率达到20KHz，符合本设计的使用要求。
3、含有1路RS485通讯口，可与人机界面进行数据交换，方便用户监控及修改参数。
4、指令执行速度达到0.22ms/条，符合使用要求。
5、S7-200系列允许在程序中立即读写I/O,允许我们直接访问真正的输入点和输出点，有利于程序的响应。
6、S7-200系列允许捕捉窄脉冲，更易于采集现场信号。
3.2伺服驱动系统的选择
目前国内市场的伺服驱动系统可大致分为欧系、日系及国产三类。
欧系产品性能最优越，但价格较高。
日系产品性能次之，可满足中高精度要求，并且价格较之低廉。
国产产品虽然价格较低，但其性能及稳定性未能符合本设计要求。
结合玩具自动装配系统的设计要求及未来生产与调试，但用于机械部分仍在设计阶段，无法进行实物调试，故本设计采用两种方案。
选择三菱伺服MR-J2S-40A系列放大器和HC-KFS43系列电机用于实验室调试进行相关验证；选择安川伺服SGDV-5R5A系列放大器和SGMJV-08ADA211系列电机用于实际生产。
3.2.1三菱伺服驱动系统
结合玩具自动装配系统的设计要求及实验室现有设备，选择三菱伺服MR-J2S-40A系列放大器和HC-KFS43系列电机。
MR-J2S系列是在MR-J2系列的基础上开发的具有更高性能和更高功能的伺服系统，其控制模式有位置控制，速度控制和转矩控制以及它们之间的切换控制方式可供选者。
1、该伺服放大器应用领域广泛，不但可以用于工作机械和一般工业机械等需要高精度位置控制和平稳速度控制的应用，也可用于速度控制和张力控制的领域。
2、该产品还有RS-232和RS-422串行通讯功能，通过安装有伺服设置软件的个人计算机就能进行参数设定，试运行，状态显示和增益调整等操作。
3、与MR-J2S系列配套的伺服电机编码器采用了分辨率为131072脉冲/转的绝对位置编码器，所以比MR-J2系列具有进行更高精度控制的能力，采用高性能的CPU，大大提高产品的响应性，速度环路频率响应提高到550HZ。
4、多种系列伺服马达适应不同控制需求，马达上的编码器均支持ABS模式，只要在伺服放大器上另加电池，就能构成绝对位置系统。
5、使用更为方便，具有优异的自动调谐性能，机械分析功能，可以轻松实现抑制机械振动，增益搜索功能，可以自动找出最佳增益值。
在实验室中，采用滚珠丝杆模拟链条带动装配模块，其负载比实际负载小，故其功率为50W已满足运动要求，其编码器分辨率为131072也满足压轴机定位的设计要求，可验证本设计的电气接口设计，软件设计的正确性。
3.2.2安川伺服驱动系统
对于实际生产，由于系统采用链条传动，并带有6个金属装配模块，运动过程中链条与导轨之间存在摩擦；且运动频率较高，设计起停次数达到120次/分，要求伺服电机的转矩大于0.6Nm。
故对伺服系统要求较高，需要较大的额定转矩，较低的转动惯量。
结合实际产生调试及产品的性价比，选择选择安川伺服SGDV-5R5A系列放大器和SGMJV-08ADA211系列电机。
相比于同类产品，系列伺服拥有以下优点：
1、拥有行业内较高的放大器响应性，可以最大程度的减少整定时间。
2、通过增加和改进振动抑制功能，提高了系统的跟随性能。
3、编码器分辨率高达1048576个脉冲/转，定位精度高，满足设计要求。
SGMJV-08ADA211系列电机为中惯量伺服电机，其瞬时最大转矩由之前的300%提高到350%，可很好的克服系统的惯性；设计容量为750W。
其具体技术参数对比如表3.2.2-1.表3.2.2-1
参数
额定转矩
瞬时最大转矩
额定转速
最高转速
额定角加速度
转子转动惯量
单位
Nm
Nm
r/min
r/min
rad/s2
10-4kg.m2
数值
2.93
8.36
3000
6000
15200
1.57
由表3.2.2-1所示，伺服系统的功率达750W，额定转矩为2.93Nm，大于设计要求的0.6Nm，保证的系统的快速响应性。
最高转速达6000r/min，可满足设计装配速度60次/分的运动速度要求。
3.3传感器的选择
为满足系统对塑料齿轮与金属光轴的检测要求，即响应时间5ms以下，检测物体分别为非透明材料与磁性金属，能对各尺寸的元件进行有效、快速的检测，并综合各模块的安装条件选择传感器的外形尺寸。
选择奥托尼克斯BA2M-DDT型号NPN型光电传感器与欧姆龙TL-Q5MC1型号NPN型电感式传感器。
其技术参数如表3.3-1所示。
表3.3-1
BA2M-DDT
TL-Q5MC1
检测距离
2m
5mm±10%
检测物体
不透明、半透明、透明物体
磁性物体
响应时间
1ms
2ms以下
电源电压
DC12-24V
DC12-24V
消耗电流
15mA以下（NO时30mA以下）
10mA以下
响应频率
约800HZ
500HZ
控制输出
NPN型
NPN型
3.4人机界面的选择
为更好的让系统与用户之间进行交互和信息交换，本设计包含有一人机界面。
相比文本显示文档，触摸屏更易使用，且能更直观的表现系统的运行情况。
因此在本设计中采用了西门子触摸屏SIMATICTP177BPN/DPcolor。
该触摸屏不仅性能优越,且拥有2MB的用户存储器，通过电缆直接与西门子PLC进行数据交换，有良好的通用性。
SIMATICTP177BPN/DP面板为一256色的5.7英寸的STN显示屏，屏幕分辨率达到320*240，使用方便。
该触摸屏的功能强大，除了支持一般功能外，还支持文本和图形列表，系统用户的管理，变量的定义，配方等功能，有模拟量和离散量报警两种报警，报警类别或等级可以任意定义，能很好地对一些复杂的控制系统的状态进行监控。
还提供各种丰富的接口,包括一个内置USB接口，一个标准的多媒体卡插槽以及一个以太网接口。
本设计中计算机与触摸屏之间的通信通过太网接口实现，下载与上传组态程序。
3.5开关电源的选择
开关电源不仅需为本系统的直流电气元件提供稳定直流24V电源，而且需要有足够的功率供给。
系统在各个工位的动作，由PLC直接驱动或控制继电器的通断电进行控制。
由于三个工位采用气缸作为执行元件，对应的电磁阀功率较小，故采用PLC输出点直接驱动，故在计数功率时,PLC按最大功率计算，不再统计三个电磁阀的功率。
三个工位的压紧装置由电磁铁构成，其电流较大，故采用PLC控制继电器通断进行控制电磁铁的线圈。
系统各直流电气元件的功率需求如表3.5-1所示。
表3.5-1
名称
功率
数量
总功率
PLC
约18W（最大负载时）
1
18W
TD400
约5W
1
5W
BA2M-DDT
0.5W
1
0.5W
TL-Q5MC1
约0.2W
2
0.5W
伺服系统供电
约5W
1
5W
人机界面
约8W
1
8W
共计
约40W
上表所列为本设计中用到的直流电气元件功率情况，共计40W,考虑到今后的扩展，开关电源型号选择明纬S-60-24系列。
3.6主要元件列表
表3.6-1
名称
型号
数量
备注
推导齿轮气缸
CM2L40-120A
1
SMC
1#电磁阀
SY5220-4GD-C6
1
SMC
装配用气缸
C95SDB32-100
1
SMC
2#电磁阀
VQZ3220-4LB-C8
1
SMC
送轴机构用汽缸
CM2L32-100
1
SMC
3#电磁阀
SY5320-4GD-01
1
SMC
3#配管
T0604B-20
1
配管一卷长度为20m，SMC
伺服系统
安川SGDV-5R5A系列放大器和SGMJV-08A系列电机
1
功率要求400w-750w、扭矩大于0.6Nm
西门子PLC
6ES721-1AD23-0XB8
1
S7-200系列CPU224
开关电源
S-60-24v
1
继电器
MY2-JDC24BYOMZ
5
欧姆龙
电感式传感器
TL-Q5MC1
5
欧姆龙
光电开关
BA2M-DDT
1
AUTONICS
微动开关
1VAP2-6
1
欧姆龙
电磁铁
SDL-0940K
4
广州市番禺区东涌思德隆电子（吸合频率达到1s/次）
西门子显示屏
SIMATICTP177BPN/DPcolor
1
4.布局设计
4.1.三菱伺服布局设计
由于三菱伺服系统采用单相220V交流电源，无需变压器就可直接供电，故整个系统采用单相220V电源供电，其他直流电气元件采用开关电源供电。
因此，采用三菱伺服的压轴机系统的硬件较为简单。
对于三菱伺服，系统中采用三个空气开关（2个双极，一个单极）控制电源通断，一为总开关，一控制交流用电部分，一为控制直流用电部分。
正常情况下，系统的启动与停止由按钮与交流接触器组成的控制电路控制。
考虑到该系统是为检验及模拟本设计的正确性，使用实验室提供的木板进行实物设计，为使其具有通用性及扩展性，特预留部分位置且预装另一伺服驱动及固态调压模块。
为使各电气元件正常工作，并且方便接线，免受其他元件的电磁干扰，保证良好的通风，保持必要的距离。
具体布局如图4.1-1。
图4.1-1
4.2.安川伺服布局设计
本设计选用的安川伺服系统采用三相220V交流电源，而国内采用的三相电为380V，故需选用合适的变压器进行供电。
整个系统的总电源也为三相四线制电源。
其他电气元件与三菱伺服方案相同。
为减少整个压轴机的尺寸，将变压器及开关电源安装在压轴机底部，充分利用其空余空间，将其他电气元件统一安装在一电柜里，电柜设计尺寸为400mm×400mm。
具体如图4.3-1。
图4.3-1
5.接线设计
5.1PLC接线
西门子PLC的输入与输出有源型与漏型之分。
所谓源型即电流由PLC的I/O口流出，漏型则是电流从I/O口流入PLC内部。
为使整个系统保持统一的电平关系，本次设计中的PLC采用源型输入与源型输出。
即对于输出，将开关电源的正极作公共端；对输入，将开关电源的负极作公共端，这样可对应于NPN型传感器的输出。
其中PLC的I/O口能通过对最大电流为1A,系统使用的三个电磁阀均为1W左右，其最大电流为40mA，故可用PLC直接驱动电磁阀。
系统所用的电磁铁的功率较大，故使用PLC控制继电器从而控制电磁铁的方法。
5.2伺服驱动系统接线
本次设计中使用伺服系统的定位功能，故采
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