PLC的桌面型全自动锁螺丝机控制系统设计探究

 PLC的桌面型全自动锁螺丝机控制系统设计探究

王鲁凯1,牛永生2,崔韶飞1

1.宁波三星医疗电气股份有限公司 315000  2.宁波奥克斯智能科技股份有限公司 315000

摘要：本文介绍了一种以PLC为核心的全自动螺丝锁控制系统，采用三菱FX5U系列PLC为控制核心，与触摸屏、编码器配合使用，实现对螺丝锁的自动化控制。系统采用气动、气缸作为执行元件，通过PLC对其进行控制，触摸屏则用来显示控制过程。整个系统由多个部分组成，其中包括：机械部分、电气部分和软件部分。其中，机械部分包括：夹具系统、上料系统和自动锁紧系统；电气部分包括：电机、气动元件、步进电机和电磁阀等；软件部分包括：触摸屏画面的设计与人机界面的设计。在此基础上，通过分析自动化锁螺丝机控制系统的工作原理，构建了PLC程序的框架结构。该设计方案在实践中取得了良好的应用效果。

关键词：PLC；桌面型全自动锁螺丝机；控制系统；可编程

1.控制系统组成

在控制系统中，采用三菱FX5UPLC作为核心，将PLC、触摸屏、编码器、气动执行机构等进行有机结合，从而实现对螺丝锁的自动锁紧与自动上料。在生产过程中，主要采用两种控制方式：一是通过触摸屏画面来控制系统的动作；二是通过编码器来控制系统的动作。在具体操作过程中，将PLC输入的信号作为I/O地址进行编程，然后通过触摸屏画面对系统的动作进行监控，同时可以对人机界面进行监控。为了使系统能够连续工作，必须确保电气部分能够正常工作。在PLC程序设计中，需要针对螺丝锁的操作过程建立相应的逻辑关系。该设计方案中采用了模块化设计思路，根据螺丝锁的不同使用要求设置不同的程序模块。

2.螺丝锁紧机构的设计

螺丝锁紧机构主要由两部分组成，包括螺丝锁紧机构和输送机构。在设计的过程中，将螺丝锁紧机构分为三个部分，分别是螺丝锁紧、上料和输送。在对其进行设计时，要考虑到所用的机械结构以及具体的工作流程。在设计过程中，要遵循以下原则：①上料机构的设计。利用自动上下料的方式，对螺丝进行自动上料；②螺丝锁紧机构。采用机械手来实现对螺丝的自动锁紧，要通过控制气缸和伺服电机来实现对机械手的控制；③上料输送机构。采用气动装置将螺丝输送到上料位置，然后进行下一步的工作。在实际操作中，要注意各个部分之间的配合关系，保证各个部分能够很好地完成工作任务；同时还要考虑到系统运行过程中可能会出现的问题以及解决办法。只有这样，才能保证系统能够安全、高效地运行。

3.PLC硬件的选型与接线

系统选用三菱FX5U系列PLC，具有高速处理能力强、操作简单等优点，特别适用于自动化控制系统。本设计选用S7-300系列PLC作为执行部件，进行自动化控制系统的设计与开发。其中，输入信号有三路，分别是按钮输入、位置检测输入和电磁阀的开/关信号。输出信号有五路，分别是气缸的直线运动、步进电机的旋转运动、夹具的旋转运动和夹具的下降运动。考虑到系统控制精度高、要求可靠性高等特点，将PLC控制回路划分为三个部分，分别是：电源模块、CPU模块和IO模块。各部分之间采用插拔方式连接，通过扩展模块连接至触摸屏。

4.触摸屏的画面设计

为了更好地进行人机对话，应在触摸屏画面中设计人机界面，并且在用户输入时，要充分考虑到操作人员的操作习惯，尽可能减少人机界面操作的时间。该系统采用了西门子公司的TINYIN触摸屏。它具有操作简便、使用寿命长等特点，非常适合在生产线上使用。（1）主画面：主要是对系统的设备工作状态进行显示，包括：设备名称、当前正在运行的设备、当前运行的设备是否运行等内容。为了方便用户对设备状态进行观察，可以在主画面中加入相应的图标。（2）主界面：主要是对设备各模块进行控制，包括：控制按钮、手动操作按钮、系统故障报警按钮等内容。为了使用户能够更加方便地进行操作，在主界面中加入了自定义按钮和自定义图标，可以根据实际需要添加相应的按钮和图标。（3）报警画面：主要是对系统运行状态进行显示，包括：故障报警、运行状态显示等内容。

5.PLC程序设计

按照程序的框架结构，自动锁螺丝机控制系统的程序主要有启动、暂停、循环和停止等。其中，启动程序主要是通过继电器以及触点等实现启动功能，当动作完成后，需要等待一段时间后才能执行下一个循环。而停止程序则是通过继电器以及触点等实现停止功能，当达到指定位置后，会将命令传送给电磁阀。在这个过程中，还需要考虑到电磁阀的开关时间问题。如果时间过短，会影响到整个系统的运行效果；如果时间过长，则会影响到设备的使用寿命。因此，在设计时需要根据实际情况进行优化。在手动模式下，为了保证操作人员的人身安全，需要将程序设置为手动。在自动模式下，需要通过按钮对气动系统进行控制，当启动按钮被按下时，则执行相应的动作。在每次锁螺丝结束后，需要将执行程序中的最后一个循环语句清零，然后才能再次执行下一个循环。

6.PLC的PLC梯形图程序

在实际应用中，由于PLC程序具有较大的可扩展性，可以根据实际需要进行修改。本系统中采用的是三菱FX5U系列PLC，根据设备工作过程及动作要求，绘制了相应的梯形图。由于本系统中涉及到的元器件较多，因此需要对相应的元件进行编号，以便在执行程序时能够准确定位。同时为了避免因程序执行错误而导致设备出现故障，因此在程序执行之前需要对元件进行检查，确保其工作正常。同时，还要将程序中的一些主要的按钮设置成紧急停止按钮，当出现故障时能够及时停止设备的工作。①生产线，将组装好的成品输送到下一工序；②一种用于对生产线上的制品进行辨识的智能视觉系统，利用一台智能摄像机，辨识出制品的数量，种类，相对于校准点的位置，相对校准姿势的旋转角，并将辨识的结果传送给主控制系统 PLC；③采用工业机器人对生产线上的成品进行焊接，并按照 PLC主控制系统的指令，完成成品的焊接；④托盘生产线，负责将货物托盘送至目视探伤站，并通过目视定位辨识将货物托盘送至抓取站；⑤打包机械臂对成品进行判断，并对成品进行打包，将成品放到打包流水线上的特定箱内，对不合格的成品进行打包，并将成品放到废料库里。⑥ AGV智能装卸机器人，它把包装好的商品连接到堆栈立库系统，沿着放置好的条状磁带，把商品送到三维仓储中心；⑦三维仓储与堆垛机械，堆垛机械能根据要求，将成品堆放在三维仓储中。该部分系统利用工业以太网总线，将工业机器人、主控流水线 PLC、码垛机立库系统 PLC、码垛机立库系统触摸屏、主控流水线触摸屏、视觉系统、变频器、 AGV机器人和编程开发计算机等都通过以太网进行连接。程序开发电脑主要负责调试程序的开发，视觉系统的识别，和机器人的演示等程序的编写。码垛立库系统与主控制管道的触摸屏负责对码垛立库系统、主控制管道的操作参数进行管理，并对系统中的报警与提示信息进行处理。该系统运用了世界上最先进的控制理念和最新的控制产品，使用了网络化控制模式。

结束语：

综上所述，本系统设计中，以三菱FX5U系列PLC作为控制核心，触摸屏为人机界面，通过PLC对动作顺序、锁紧次数、工作时间等进行控制，从而实现了对全自动螺丝锁的自动化控制。实践表明，该系统能够有效提高工作效率，降低人工成本，具有较高的实用价值。在实际应用中，还应注意：采用气缸作为执行元件时，应根据实际需要进行选择；为了满足不同产品的加工要求，应对系统进行适当改进；控制系统的控制程序和工作参数的设定要合理。

参考文献：
[1]李敏,胡彬铤,王慧.基于PLC+HMI的桌面型雕铣系统设计与开发[J].价值工程,2020,39(21):174-176.

[2]覃羡烘,黄永程,杨斌.基于PLC的桌面型全自动锁螺丝机控制系统设计[J].山东工业技术,2018(07):5-6+48.