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基于PLC的丝网印刷机控制系统
基于PLC的丝网印刷机控制系统设计
摘要
由于丝网印刷在基板的大小和形状方面没有限制，可适应油墨，印刷油墨层厚度可调的特性而被广泛使用，因此，对开发控制精度高，性能高，操作简易方便的丝网印刷机是非常有必要的。
在本文主要介绍采用高性能的三菱PLC对原有老旧的丝印机电气控制系统进行设计改造的过程。
在开发之前，对丝网印刷机的工作流程进行了详细分析，进而明确了控制系统的任务，再从硬件和软件两个方面进行改造。
在硬件设计方面，本文采用了三菱FX系列的PLC，其中选择了高性能的微处理器FX2N，并对其余各个模块进行了准确选型，完全满足了设备的要求，详细设计了触摸屏、电气原理图与PLC的通信接口。
在印刷回墨控制方面，采用了交流伺服驱动系统来控制同步带实现图形的印刷。
在软件设计方面，该程序可仿真调试实现，手动程序，自动程序和复位程序三个部分。
根据模块化的编程方法，对梯形图中的重要模块进行了详细的描述。
在人机界面方面，利用相应软件开发出了触摸屏中的各个功能界面，提高了操作性能，方便操作者操作体验。
关键词：
丝网印刷,可编程控制器,伺服驱动,触摸屏
DesignofcontrolsystemforscreenprintingmachinebasedonPLC
Abstract
Becauseofnorestrictiononthesizeandshapeofthesubstrateinthescreenprinting,inktoadaptto,theprintinginklayerthicknessadjustableproperties,whichcanbewidelyused.Therefore,todevelophighcontrolprecision,highperformance,simpleandconvenientoperationofthesilkscreenprintingmachineisverynecessary.
Inthispaper,theuseofhigh-performanceMITSUBISHIPLCtotheoriginaloldscreenprintingmachineelectricalcontrolsystemdesignandtransformationoftheprocess.Beforethedevelopment,theworkflowofthescreenprintingmachineisanalyzedindetail,andthenthetaskofthecontrolsystemisdefined,andthenthehardwareandsoftwareofthetwoaspectsarereconstructed..
Intheaspectofhardwaredesign,thispapermakesuseoftheMitsubishiFXseriesPLC,inwhichtheselectionofthehighperformancemicroprocessorFX2N,andtotherestofthemodulesofthecorrectselection,fullymeettherequirementsoftheequipment,thedetaileddesignofthecommunicationinterfaceoftouchscreen,electricalprinciplediagramandPLC.Intheaspectofprintinginkcontrol,ACservodrivesystemisusedtocontrolthesynchronousbeltprinting..
Insoftwaredesign,theprogramcansimulatedebugging,manualprocedures,automaticproceduresandresetproceduresforthreeparts.Accordingtothemethodofmodularization,theimportantmodulesintheladderdiagramaredescribedindetail..Intheman-machineinterface,theuseofthecorrespondingsoftwaretodevelopatouchscreeninthevariousfunctionalinterfaces,improvetheoperationperformance,easyoperatortooperateexperience.
KeyWords:
Screenprinting,programmablecontroller,Servodrive,touchscreen
1绪论
1.1丝网印刷及丝网印刷机
丝网印刷就是将丝状物绷在网框架上，通过制作网版来进行印刷。
相比国外，丝网印刷在中国出现的比较早，夹颉印花方法的出现时间就可以追溯到秦汉时期。
在印刷行业有四大印刷方法分别是：
凸印、凹印、平印、孔印。
夹颉印花方法也是丝网印刷，归属于孔版印刷类，是在领域中应用最为广泛的一种[1]。
丝网印刷具有如下特点：
（1）适应性强。
可以在多种形状的表面上进行丝网印刷。
例如：
平面，曲面，球面，凹凸面上等等。
此外，丝网印刷还可以在不同材料的承印物上进行印刷，比如：
硬物、软物都可以。
（2）墨层相对比较厚实，有明显比较强的质感和立体感。
在胶印、凸印和凹印的墨层中，凹印墨层最厚，也只有13微米左右，但仍然比较薄，丝网印刷墨层相比于其它方式的墨层厚度，印刷立体质感和质量都很好，这是该印刷方法的优点。
（3）可忍受强光，光泽靓丽。
因为漏印是丝网印刷的一大特点，所以可以使用不同颗粒大小的颜料进行印刷，例如：
浆料，粘结剂。
此外，油墨调配方法简单也是丝网印刷的一大特性，比如，可以在油墨中直接放入耐光颜料合理进行调配就可以使用。
因此，丝网印刷产品有很强的耐光性，在广告、标牌领域应用广泛。
（4）印刷面积大。
就其它印刷方法所能达到的科技水平而言，由于受到机械设备的限制，其所能达到的最大印刷面积也不过为全张尺寸。
但是丝网印刷可以打破这种限制进行大面积的印刷，现在最大幅度可达到3米×4米，但事实上可印刷的面积不仅限于此，它可以印刷更大的面积[11]。
丝网印刷根据承印物形状的不同可以分为两类：
平面印刷和曲面印刷。
目前就国内市场而言，平网平台式丝网印刷机的销售量占据了市场几乎所有的份额。
图1.1丝网印刷机结构图
丝网印刷机是推广丝网印刷技术的关键所在，只有适应现代工业发展的设备才能将此技术发扬广大，这就使得丝网印刷机的技术更新变得越来越重要。
1.2国内外丝网印刷机发展现状与趋势
1.2.1国外丝网印刷机发展现状及趋势
近代社会以来，欧洲的丝网印刷行业发展较快，尤其是美国，在上世纪八十年代后期，从事丝网印刷的厂商达到5000家左右，年产值高达30亿美元，占美国印刷业总交易额的10%。
同样是工业发达的德国，在丝网印刷领域也不甘落后的同时，生产的丝网印刷承印物种类繁多，眼花缭乱，而且品质优良，在行业内享有非常好的口碑。
特别是在滚筒丝印机方面，德国SPS设计的全自动设备仍然是世界的领头羊，其它国家简直可以用望尘莫及来形容。
进入2000年以后，时代科技日新月异，同时国际上已经使用着的丝网印刷制版技术和其设备材料的不断改进，以其惊人的更新换代速度融入这个科技飞速发展的时代。
从上世纪末欧洲及美国连续两届国际展览会上可以获悉，许多其它行业的先进技术被广泛应用于丝网印刷行业，新产品多种多样，令人惊讶，例如丝印前的电脑处理系统，电子成像技术等先进技术。
同时在其它方面，例如，丝印还可以和其它印刷方法组合进行印刷，静电印刷也被广泛运用于丝网印刷领域，使丝网印刷一直保持活力。
丝网印刷行业如此强势的发展劲头，让其在印刷业的地位有上升了一个台阶。
在当下很多液晶屏、触摸屏等电子显示领域，丝网印刷被大量应用，亚洲的日本和韩国两大巨头生产的设备一直占据着中高端市场。
还有日本的帝国油墨厂，都采用了电子计算机技术来进行管理，完全实现了现代化管理。
在发达的欧洲，型轮转丝网印刷机、由微机程控的多色网印联动机在网印企业中已经应用，并且设备的材料还比较先进。
从近几年的发展形势可以看出，当前世界丝网印刷的发展体现主要体现在四个方面：
一是丝网印刷行业创造出的价值在整个印刷业中的份额越来越高；二是丝网印刷可应用的领域越来越多，特别是在显示器领域；三是计算机技术也被广泛应用于丝网印刷和网印制版方面；四是丝网印刷机械向全自动化、高精度、高速度方向发展。
1.2.2国内丝网印刷机发展现状及趋势
在中国，20世纪80年代中期，一开始比较有影响力的企业包括北京706厂和广东胜江网印机制造厂两家厂商，其生产的半自动丝网印刷机填补了中国的空白，打破了国外在我国该行业内的垄断地位。
随着国内技术的快速发展，不再局限于两家企业，丝网印刷设备逐渐形成一定规模，并不断进行更新换代，但大都停留在设计简单、加工粗糙阶段，没有进行深化。
1999年，排除手动设备，国内生产的丝网印刷机就达到5000台，销售额将近2个亿。
步入新世纪以来，我国现有丝网印刷机厂商早已超过上世纪末的200家，其中具备比较强的生产能力的还未超过100家，主要分布在沿海地区相对较发达的省市，比如上海、广东、福建等地。
产品品种相对比较齐全，甚至还包括全自动、多色、曲面机等高端设备。
和发达国家相比，我国丝网印刷机发展起步比较晚，市面上的丝网印刷设备主要以平面印刷为主，技术水平比较低，特别是滚筒丝印机的生产，一直被欧美国家垄断。
在八色全自动平面丝网印刷机的生产领域，尽管已填补了我国该机型的空白，但在网印轮转机、全自动制版流水线领域尚处于空白。
国内和发达国家的差距主要体现在三个方面：
设备的高质量、精密化方面远远不及发达国家；设备的高速度、数字化发展比较滞后，比如还没有开发出全套的网印轮转机。
国内生产的设备虽然没有进口设备精度高、稳定性强，但是凭借性价比高的优势还是引起了众多丝印厂家的关注与兴趣，例如相同类型性能一样的设备价格也比国外低很多。
中日合资成立的南京熊猫日立科技有限公司，成功自主开发出新一代的全自动丝网印刷机，该公司销售的高精度NP04XP型丝网印刷机，还比国外同类型丝网印刷机销售价格低30％。
随着国内丝网印刷机的快速发展，其主要发展趋势大致体现在以下三个方面：
一是手动控制的丝网印刷设备会逐渐减少，最终退出市场；二是全自动丝网印刷设备向高精度、大平面、高品质发展；三是全自动丝印机、丝印生产线呈现出上升势头。
在将来一段时期内，国内市场的丝网印刷机仍然是手动、半自动和全自动产品共存的局面，但全自动丝网印刷机在市场上的份额会逐步提高。
自从中国加入世界贸易组织以来，国外的先进设备一直占据着主体，因此提升本国丝网印刷机的高端产品变得越来越重要。
1.3课题研究的背景、目的及意义
本课题来源于中北大学联合培养基地北京清大天达光电科技有限公司的开发项目。
该公司生产的设备主要以平面丝网印刷为主，用于液晶屏生产工艺中的的银点印刷。
在触摸屏的生产中，由两块玻璃叠加组合而成，其中上面的玻璃称为面玻璃，下面的玻璃称之为底玻璃。
触摸屏在面玻璃与底玻璃组合之前，需要在底玻璃上丝印银点。
为了满足生产需求，需要在早先设备上安装视觉定位系统对底玻璃位置进行精确调整。
当前国内少数厂商采用了最新的机器视觉定位技术，取得上述调整位置过程的自动化，在数秒内即可实现调整过程，大大提高了生产效率，全部印刷过程从上料到下料用时不到20秒，并且印刷的位置精度高达0.02mm。
北京清大天达光电科技有限公司就是上述厂家之中的一家，尽管公司之前开发的丝网印刷机已基本实现了上述需求，但是半自动化的丝网印刷机造成的生产效率已经满足不了市场的需求，所以在原先产品的基础上，开发全自动的、高精度的丝网印刷设备成为该公司的首要问题。
通过对原先丝网印刷机的客观深入分析，其缺陷主要体现在五个方面：
（1）原丝网印刷机还停留在半自动状态。
进行生产时，需要员工事先将底玻璃搬运到工作台的指定位置上，再由操作人员手动操控手柄和按钮，进行位置调整和银点的印刷，完成后再由操作人员将底玻璃搬运到下一工序的设备上。
这种工作方式耗费人力物力比较大，生产效率完全满足不了市场的需要。
（2）原丝网印刷机控制系统采用步进电机驱动器驱动步进电机对跑台进行定位控制，经过多家客户的使用情况反映，当跑台处于运动状态时，行程不足或者过冲的情况经常出现在印刷位，没有精确到达指定印刷位置，出现位置偏差，造成了不合格产品的出现。
（3）原丝网印刷机部分机构的控制仍由工控机来完成。
（4）原丝网印刷机使用5个CCD获取玻璃边缘进行定位的算法。
当前采用2个CCD的双角点对位方法已经在平面丝网印刷机行业广泛推广。
（5）原丝网印刷机功能单一。
例如缺乏测厚功能，在未调整工作台或刮刀（回墨刀）高度的情况下丝网印刷机对不同厚度的底玻璃同时进行印刷，会造成印刷质量的下降。
针对原先设备的上述缺馅，本课题对该设备的的电气控制系统进行升级改造，研发出一套拥有功能全面、PLC单独控制、性能先进、高精度的全自动印刷的新型丝网印刷机，同时具有手动功能，将其命名为TSTD丝网印刷机，开发其对于公司乃至于国内的丝网印刷设备都具有积极的推动作用，意义重大。
1.4本文研究的主要内容
本课题钻研的主要内容是在原有的丝网印刷机的基础上，以PLC为基础改造原本老化老旧的继电器控制系统，再对可编程控制器硬件和软件的编排，设计出一套可以具备自动和手动一体的高性能，高可靠性，线路简单的电气控制系统。
本文的主要内容是先对丝网印刷机的电气控制系统进行总体设计，而后是系统的硬件设计和软件设计，最后再对所设计的软件进行仿真与调试。
本次课题设计的重点是将原来的由继电器控制的系统改造为由可编程控制器控制的系统，达到实现维护维修，检测方便，控制速度快的目的。
2系统的总体设计
2.1丝网印刷机的工作原理
丝网印刷是把带有图案的模板附在丝网上，运用油墨渗透过印版的原理进行印刷的。
通常丝网是由尼龙、玻璃、聚酯、丝绸或则金属网制造而成的，把承印物直接放置在带有模板的丝网下面，丝网印刷油墨或涂料在刮墨刀的挤压下穿过丝网未堵塞的网孔使图案印刷到承印物。
丝网上的模板把一部分不需要的丝网小孔封住使得颜料不能通过丝网，而只有图像部分能够穿过油墨，所以在承印物上只有图形部分有印迹。
丝网印刷由五部分构成，即丝网印版、刮板、油墨、工作台、承印物。
如图2.1所示。
由电机传递动力，让刮刀在运动中挤压油墨和丝网印版，使丝网印版与承印物形成一条压印线，因为丝印网具有张力，对刮刀产生一个回弹力，所以丝网印版除压印线外都不与承印物相接触。
油墨在刮刀的挤压力的作用下，通过网孔，从压印线漏印到承印物上。
在印刷过程中，丝网印版与刮刀做相对运动，而丝网在印刷过程中，不断处于变形和回弹状态。
刮刀在完成单向印刷后与丝网印版同时脱离承印物返回，进行回墨操作，则完成一个印刷循环。
丝网印刷机的主要结构一般分为：
大臂升降结构、应刷工作台、印刷机构、印物定位、网版加持以及网台距调节、气动部分、电动部分和电气控制部分[1]。
网框
丝网
刮墨刀
油墨
承印物
印刷台
图2.1丝网印刷机的工作原理图
2.2设计原则
（1）操作性
在现代印刷机的特点是自动化程度高，可以直接控制印刷机送料，输送油墨，润湿，印刷，收纸装置，可以控制颜色，自动清洗，印刷质量，可以监控印刷机的工作状态及故障显示。
运营商为了方便操作，控制和故障排除，也与印刷，印前系统的车间，管理信息系统，构建在一个完美的数字网络环境管理、生产管理等部门，真正的印刷系统是数字化，网络化和自动化。
（2）接近性
在印刷机结构紧凑，机器占地面积比较小的前提下，各机组和色组之间要有比较宽敞的空间。
现有印刷机看重人机协调关系，在设计理念上符合人类工程学的观点。
这样，操作者在更换印版、橡皮布、衬垫，洗涤滚筒和进行机件调整、维护、保养时，有足够的操作活动空间。
（3）安全性
为了保证操作者在工作中时人身和机器的安全，印刷机上必须设计保护装置，而且要灵敏高、可靠强，万无一失，只要机器发生故障，就自动停机。
这一点必须保证。
（4）经济性
印刷机的价钱是权衡印刷机具有竞争力的重要因素，只有价廉质优的印刷机才会具备强有力的竞争力。
应该按照经济能力，寻求最合理的性价比，同时还要长期保证印刷机良好的机械精度，有较长的使用寿命，保证印刷品具有良好的质量。
（5）适应性
印刷机应具有较强的适应性，能印刷从薄纸到塑料和玻璃等承印材料；同时也要快速、方便，安全地进行单双面印刷的相互转换。
以满足不同层次和印品要求。
（6）艺术性
印刷机的造型应比例协调、和谐、平整。
和谐的外形和颜色可使操作者减少疲劳，使操作者有一个良好的工作情绪和环境，以更好地工作。
2.3整体设计
（1）大臂升降结构
①大臂擦版位升降小于400mm.
②升降由气缸提供动力。
③使用高精度线性滑轨作为大臂升降导向。
（2）印刷结构
①印刷、回墨运动由同步伺服电机控制。
②刮刀、回墨刀升降均由气缸提供能源，而且印刷压力可由调压开关调整控制。
③刮刀和回墨行程由左右臂上的光电行程开关调整大小，改变左右臂的位置即可完成对印刷行程的调节。
（3）印刷工作台
①印刷工作台主要采用铝制，因为铝较软，所以表面镀上一层光滑的钢片。
②印刷工作台也可以利用吸盘设计为吸气功能。
③印刷工作台也可以调整位置的升降，调整左右位。
（4）网板定位
工作段的可升降定位支撑梁上可以完成网板定位，可调节其位置，定位支撑梁设计为气缸气动控制。
（5）气动部分
主要包含气泵机、气缸、气压控制表、气控开关、输气管道等。
主要作用是由气泵机提供气源，气泵机通过输气管道为气缸提供源动力能源。
丝印机的大臂升降、刮刀、机头的左右运动的阀门等均采用气动。
（6）电气控制部分设计为通过PLC控制电磁阀的开通或者关闭，来控制整个丝印机的运动，后文会有更详细的介绍。
（7）人机操作面板，如图2.2所示:
图2.2控制面板图
3系统的硬件设计
3.1三菱FX2N基本单元的I/O地址分配（如表3.1）
表3.1I/O地址分配表
名称
代号
输入
名称
代号
输出
开始通电
SB0
X0
大臂下降
YV5
Y0
断电停止
SB1
X1
大臂上升
YV6
Y1
手动
SB2
X2
刮刀下降
YV1
Y2
自动
SB3
X3
刮刀上升
YV2
Y3
复位
SB4
X4
印刷
KM1
Y4
大臂下限位
SQ1
X5
回墨
KM2
Y5
大臂上限位
SQ2
X6
回墨刀下降
YV3
Y6
刮刀上限位
SQ3
X7
回墨刀上升
YV4
Y7
刮刀下限位
SQ4
X8
原点指示灯
HL1
Y8
左移限位
SQ5
X9
右移限位
SQ6
X10
刮刀下降
SB5
X11
印刷
SB6
X12
刮刀上升
SB7
X13
回墨刀下降
SB8
X14
回墨
SB9
X15
回墨刀上升
SB10
X16
大臂下降
SB11
X17
大臂上升
SB12
X18
3.2丝网印刷机的电气原理图
丝网印刷机的工作流程如下：
通电→大臂下降→刮刀下降→印刷→刮刀上升→回墨刀下降→回墨→回墨刀上升→大臂上升→原点复位。
其中回墨和印刷公用一个电机，其他为气缸驱动控制。
根据流程绘制电气原理控制图，如下图3.2所示为丝网印刷机的电气控制原理图：
图3.2电气原理控制图
图中中KA0、KA1、KA2、KA3分别是通电、手动、自动、复位中间继电器线圈，分别按下相应按钮，相应的线圈得电，相应继电器开关闭合，就能选择相应的模式。
3.3丝网印刷机的PLC接线图
如下图3.3所示为丝网印刷机的PLC原理接线图：
图3.3PLC接线图
图中数字接口接PLC电源24V的正负极，6和8接负极，另外两接口接正极。
3.4伺服电机的选型
伺服电机的工作原理是当电机得到一个外来的脉冲，转子就会转动相应的角度，通过相应转动的机构，移动相应的位移。
而且伺服电机每转动一个单位角度，就会产生一个相对应的脉冲，这样就与伺服电机接收脉冲形成一个闭合循坏回路称为伺服闭环系统。
这样的伺服循坏系统通过统计发出和受到脉冲的数量，来精确的控制电机的转动以达到控制相应位移运动的目的，目前系统的最大精度能够达到0.001mm。
伺服电机以接入电流的类型分为直流伺服电机和交流伺服电机。
与步进电机相比，伺服电机具有质轻、力大、响应快、高速度、小惯量、力矩稳定、容易实现智能化、其电子换相方式灵活、可以方波换相或正弦波换相、寿命长，辐射小等优点，所以在市场上应用比较广泛[7]。
交流伺服电机还可以分为同步伺服电机和异步伺服电机，其中同步伺服电机由于其具有较大的功率区间，还能提供较大的转动惯量，速度和功率，而在控制领域运用广泛，基于这些优点，在设计时我们选用同步交流伺服电机。
本次设计选用了三菱的PLC，而与之相对应的伺服电机也应选用三菱生产的伺服电机系列。
根据资料显示，在印刷回墨过程，需要电机的输出功率在0.75KW左右，所以选用三菱公司生产的伺服电机型号为HF-SP102,相对应的基本规格参数如下表3.4所示：
表3.4伺服电机HF-SP102的规格参数
适用驱动器
MR-J3-100A，MR-J3-100B
额定输出功率（连续特性）（kW）]
1.0
额定转矩（连续特性）[N.m]
4.77
额定速度
2000r/min
额定电流[A]
5.3
最大电流[A]
15.9
最大速度
3000r/min
最大转矩[N.m]
14.3
编码器分辨率
262144
瞬时允许速度
3450r/min
3.5PLC的基本结构与选型
可编程控制器简称PLC，PLC是专为工业应用，采用了典型的计算机结构，硬件电路主要由中央处理器即CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路以及编程器等外接口组成，现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。
输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。
图3.5为典型的PLC基本结构简图。
（1）CPU模块
CPU是PLC的核心，起中枢神经的作用，实质上就是微处理器。
每台PLC必须有一个CPU，它可以由PLC系统程序
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