基于PLC的点胶机控制系统设计毕业论文

基于PLC的点胶机控制系统设计毕业论文 本科毕业设计(论文)说明书 基于PLC的点胶机控制系统设计 学 院 机械工程学院 专业班级 机械工程及自动化6班 学生姓名 叶剑桐 学生学号 201130086502 指导教师 刘其洪 提交日期 2015年5月10日 华南理工大学广州学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期:2015年5月10日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华南理工大学广州学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即:按照有关要求提交学位论文的印刷本和电子版本;华南理工大学广州学院图书馆有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务;可以采用复印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的的前提下，可以公布论文的部分或全部内容。 学位论文作者签名: 日期:2015年5月10日 指导教师签名: 日期:2015年5月10日 作者联系电话: 电子邮箱: 2 摘 要 随着信息产业的发展，人们对电子封装的要求越来越严格，对生产效率也越来越高，从手工劳动力逐渐向机械化趋势，控制机械的生产速度已经满足不了现在化的生产，点胶机提高了生产效率和电子封装的精准稳定性。目前，我国电子产品生产企业主要是沿海一些中小型企业，点胶机的运用经济省钱、操作简单、控制精准、安全可靠、更改方便，数控型的自动化点胶机系统有极大的发展空间。 本文分析的是一种基于PLC的点胶机控制系统，使用PLC(即可编程控制器)为系统控制器，控制点胶机各机械部分的运动，保证其精准性与稳定性。 本文主要分析有以下方面: 1) 分析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 较当前各种运动控制器的功能与优缺点; 2) 设计控制系统的组成，由可编程控制器、机械结构以及上位机操作部分组成; 3) 分析可编程控制器特点，选取适合型号作为本次分析系统的控制器，因素包括I/O 数量及输入、输出类型，还有扩展单元; 4) 设计点胶机的传动方式、执行元件和控制系统硬件; 5) 分析点胶机的运动控制; 6) 软件编程和触摸屏软件界面开发，PLC程序梯形图和人机操作界面设计; 7) 各部分结论分析以及出现问题分析。 关键词:自动点胶机;运动控制系统;PLC(可编程控制器);触摸屏 I Abstract With the development of information industry, people in electronic packaging requirements more stringent, the production efficiency is more and more high, from manual labor to machine gradually trend, control of mechanical production speed has not satisfied the present production, dispensing machine improves the precision production efficiency and stability of electronic packaging. At present, China's electronic products manufacturing enterprises are mainly small and medium enterprises in coastal areas, dispensing with economic saving, simple operation, accurate control, convenient change, automatic dispensing system for NC type has great development space. The analysis in this paper is a kind of control system for dispensing machine based on PLC, using the PLC (programmable controller) as the controller, control each mechanical part dispensing machine movement, ensure the accuracy and stability. 1) analysis of the structure and application characteristics of various types of control system, control technology currently in development at home and abroad, comparison of various current motion controller function and advantages and disadvantages; 2) composed of scheme design of the control system, composed of a programmable controller, the mechanical structure and the upper computer operating parts; 3) analysis of the programmable controller features, select the appropriate model as the analysis of the system factors including I/O type controller, the number and the input, output, and the expansion unit; 4) transmission mode, design dispensing machine execution of hardware components and control system; 5) analysis of dispensing machine motion control; 6) software programming and touch screen interface software, the PLC program of ladder diagram and the man-machine interface design; 7) the study analysis and problem analysis. Key words: automatic dispensing machine; motion control system; PLC (programmable logic controller); touch screen II 目 录 摘 要 ................................................................. I Abstract .............................................................. II 第一章 绪论 ............................................................ 1 1.1背景 ............................................................ 1 1(2控制系统的内容 ................................................. 1 1(3控制系统的分类 ................................................. 2 1(3(1按是否型成闭合回路分类................................... 2 1(3(2按被控量的性质和运动控制方式分类......................... 4 1(3(3按给定值信号的特点分类................................... 4 1(3(4按控制系统元件的特性分类................................. 5 1(3(5按驱动方式不同分类....................................... 5 (4课题研究目的 ................................................... 5 1 第二章 点胶机的控制方案 ................................................ 7 2(1点胶机简介 ..................................................... 7 2(2点胶机的机械结构 ............................................... 7 2(3运动控制系统的控制要求分析 ..................................... 8 2(3(1点位运动................................................. 8 2(3(2直线插补................................................. 8 2(3(3系统操作界面的设计要求................................... 8 2(3(4运动控制系统控制方案..................................... 9 2(4三菱FX系列PLC................................................. 9 2(4(1三菱FX系列PLC特点...................................... 9 2(4(2三菱FX系列PLC编程元件................................. 11 2(5本章小结 ...................................................... 11 第三章 点胶机的驱动方案 ............................................... 12 3(1点胶机的传动方式 .............................................. 12 3(2点胶机执行元件分析 ............................................ 13 3(2(1步进电机................................................... 14 3(2(2电机的脉冲控制............................................. 15 III 3(3点胶机控制系统硬件 ............................................ 16 3(4本章小结 ...................................................... 18 第四章 点胶机运动控制分析 ............................................. 19 4(1点位控制 ...................................................... 19 4(2插补运动控制 .................................................. 20 4(3本章小结 ...................................................... 21 第五章 软件编程 ....................................................... 22 5(1脉冲指令 ...................................................... 22 5(2梯形图 ........................................................ 22 5(3本章小结 ...................................................... 24 第六章 操作界面设计 ................................................... 25 6(1界面设计 ...................................................... 25 6(2 PLC与触摸屏要注意的问题 ...................................... 27 (3本章小结 ...................................................... 27 6 第七章 结论 ........................................................... 28 7(1结论 .......................................................... 28 7(1未来展望 ...................................................... 28 参考文献 .............................................................. 29 致谢 .................................................................. 31 IV 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1背景 随着现代科技的发展，电子信息技术越高，人类逐渐步入信息时代，无论是电脑、电视、手机等家用电器电子设备，还是军事、航空、航天领域，都离不开电子产品的的封装制造，因此，对于电子封装的要求越来越高，数量越来越多，效率也正在逐步提升，这使得点胶机的运用越来越广泛。 我国是电子产品的生产大国、出口大国，电子制造主要分部在我国东南沿海地区，也是我国沿海地区的支柱产业。因为我国劳动力充足，使得电子生产领先于世界，电子工业也取得较大的成就，但是，随着电子机械自动化的发展，人工制造的速度远远不足以拟补自动化不发达的缺陷，在人口缺乏的地区更是跟不上基本水平，我国在电子工业生产发展中就存在着极度不平衡的现象。因此，我国电子工业有两个方面，一方面，电子工业的发展如火如荼，在轻工业中占的比重越来越大，另一方面，电子工业中自动化程度很低，生产效率低下，工作条件恶劣。因此，虽然我国是电子制造业大国，生产规模庞大，但与发达国家相比，电子产品的质量水平和生产效率都很低，制造装备的落后是一个最主要的原因。 然而，电子产品的有焊接、贴片、组装、涂胶，打螺丝等各个环节，这些中涂胶工序的数量大，精细，花费人工多，耗时时间长，减低了一个电子产品的生产效率，同时工人的工作条件，恶劣的环境因素，往往影响电子产品的质量。一大部分的涂胶都是由人工去完成，人工涂胶速度慢，完成率低，喷涂效果不均匀，层度轻的影响美观，严重的导致线路短路，发生设备故障，影响使用者的安全。为了改变现状，自动点胶机的使用，速度快，喷涂精准，提高产品的品质和生产率，保护人身安全。 点胶机主要用于将要喷涂的材料，通过浇口实现点、涂和轨迹的变化，精准到产品每一个位置。轨迹上有直线轨迹、曲线轨迹和椭圆轨迹。 自动点胶机是一种为电子精密设备密封要求而研制的自动涂胶设备，以设备硬件为基础，控制系统技术为核心，根据程序，做点、直线、圆弧等任意不规则的点胶产品。所以，自动点胶机的工作效率和工作质量，主要取决于运动控制系统。 1(2控制系统的内容 【运动控制(Motion Control)通常是指在复杂的条件下，通过将指定的方案或动作指令，规划转变成有目的性的机械运动，实现机械6运动精准的位置控制、路径控 1 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 制、速度控制、加速度控制、力的强度控制和转矩或力矩的控制，使运动单位以非常准确的的设定速度在规定的时间到达准确的位置的可控运动。】运动控制的定义分析，如表1-1所示。 路径 从一个初始位置到一个终点位置，以理想的方式行动。 动作 有相应快慢和动作稳定性来衡量。 位置 有绝对位置和相对位置。 表1-1 运动单元的运动特点 运动控制系统具有多样性，但每一种运动控制系统都有一个基本结构，所有结构的离不开由上位控制器、执行电机、机械传动机构和位置检测元件，基本结构图由图1-1所示。 位置检测 上位控制器 驱动器 执行电机 机械结构 图1(1 运动控制系统结构框图 其中，上位控制器作为整个运动控制系统的核心，如人的大脑，把方案指令控制讯号传送到下位驱动器中，然后驱动如神经，对数据进行转换，驱动执行电机则是能量提供动力，电机带动机械结构为执行单元，最后再通过传感器等定位设备，如眼睛一般对运动元件的位置、速度等，再反馈到控制器进行分析,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，得到预期的动作幅度。 1(3控制系统的分类 1(3(1按是否型成闭合回路分类 2 第一章 绪论 根据位置控制系统原理，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 一个控制系统，输入信号中不包含输出端反馈回来的信号时，则为开环控制系统。优点是，结构容易实现，方便和成本低。缺点是精度低，容易受干扰。所以运用在对控制要求不高的小型机器设备，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 (2) 半闭环控制系统 【一个控制系统，在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角，间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。】半闭环控制系统稳定性好，使用广泛，为大多数中小型数控机床所采用。如图1-3所示。 指令 执行元件 工作台 位置 速度 控制单元 控制单元 脉冲 速度 检测单元 位置 检测单元 图1-3半闭环控制系统框图 (3) 闭环控制系统 3 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 一个控制系统，输入信号中包含有输出端反馈回来的信号，则为闭环控制系统，或称为反馈控制系统。如图1-4所示。 这是一种自动控制系统，其中包括功率放大和反馈，使输出变量的值响应输入变量的值。通过传感器的元件，测量运动部件的位置、速度和加速度等，反馈到控制器中进行分许，以相对和绝对量与理想位置进行比较，得出差值，在再控制运动元件运动至完全到达理想位置。 同开环、半闭环控制系统相比较，闭环控制系统有防干扰性、精准性，能改善系统的的响应特性。但是对测量元件要求较高，以至于成本也较高，适用于要求精度高的机床所使用。 执行元件 工作台 位置 速度 控制单元 控制单元 脉冲 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 1(3(2按被控量的性质和运动控制方式分类 (1)点位运动控制 即只对终点位置有要求，起点到终点的过程与轨迹不作要求的运动控制。所以此控制要求点精度要高，运动速度要快，在加速度段与减速度的采用控制迅速准确。 (2)连续轨迹运动控制 该控制又称为轮廓控制，主要应用在传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制。对小线段加工时，有多段程序预处理功能。 (4) 同步运动控制 同步运动控制是实现多个轴一起运动，相互协调控制，以达到运动过程中各个轴的同步性，保证系统的同步控制。 1(3(3按给定值信号的特点分类 (1)恒值控制系统 4 第一章 绪论 是在生产过程中被控量在保持恒定的值不变。 (2)随动控制系统 是给定信号随时间的变化规律事先不能确定的控制系统，随动控制系统的任务是在各种情况下快速、准确地使被控量跟踪给定值的变化。 (3)程序控制系统 它的给定值按事先预定的规律变化，是一个已知的时间函数，控制的目的是要求被控量按确定的给定值的时间函数来改变。 1(3(4按控制系统元件的特性分类 (1)线性控制系统 一个控制系统中，当输入特性与输出特性呈线性特性，控制系统的动态过程可以通过线性微分方程来表达出来时，则称控制系统为线性控制系统。 (2)非线性控制系统 一个控制系统中，当输入特性与输出特性呈非线性特性，系统的动态过程要通过非线性的方程来描述，则称其控制系统为非线性控制系统内。 1(3(5按驱动方式不同分类 运动控制系统按不同的驱动方式可分为电气控制、液压控制和气压控制，不同的驱动方式都有其特点。电气控制为电气设备控制的二次回路;液压控制为用液压设备进行控制;气压可能就是以气动阀、气管等气压设备控制。 1(4课题研究目的 本文分析的是自动点胶机中控制系统的关键技术，介绍企业运用的点胶机的例子简单分析其结构，深入分析每个结构涉及到的知识内容，通过模拟设计一种自动点胶机，开发控制系统，使用基于可编程控制器PLC的点胶机控制系统，控制各个执行元件和运动结构，提出研究一种实现点位运动控制功能的控制方案，在上位PC机中设计控制界面，通过调用PLC的程序，来实现主要功能。主要进行的工作有以下方面: 1) 分析以不同角度分类的各种控制系统结构; 2) 设计控制系统的组成方案，由可编程控制器、机械结构以及上位机操作部分组成; 3) 分析可编程控制器特点，选取适合型号作为本次分析系统的控制器，因素包括I/O 数量及输入、输出类型，还有扩展单元; 4) 设计点胶机的传动方式、执行元件和控制系统硬件; 5 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 5) 分析点胶机的运动控制; 6) 软件编程和触摸屏软件界面开发，PLC程序梯形图和人机操作界面设计; 7) 各部分结论分析以及出现问题分析。 6 第二章 点胶机的控制方案 第二章 点胶机的控制方案 2(1点胶机简介 点胶机是由机械部分、驱动电机部分和运动控制器部分组成。点胶机结构图2-1如下所示: 接收指令 通讯接口 运动控制器 驱动电机 机械 图2-1 点胶机结构示意图 机械部分是一个三轴(三个自由度)传动机构平台，胶头可以通过机械传动机构移动到平台空间的(X、Y、Z)坐标的任意一点。运动控制器相当于人的大脑，它把信号发送脉冲给驱动电机，提供动力带动机械部分。运动控制器根据指令方案控制灵活控制胶头运动速度、加速度到达期望位置，体现出精准性、高效性和灵活性。 企业根据产品的特点，参考市场上的点胶机产品，选择最适合的型号，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。 2(2点胶机的机械结构 点胶机的机械结构主要由机床结构、传输结构和点胶机构组成。 (1) 机床结构 机床结构是由主体为XY方向的平台，具有适当的重量承受机械运动时产生的振动，使得工作不受影响。工作平台上有一个可纵向运动的同步带传动机构，由一个伺服电机提供运动动力，控制机床的纵向运动。横向运动由横向放置的同步带传动机构控制，也是一个步进电机驱动。点胶口机构上，由一个上下放置的同步带传动步进电机驱动，默认最高点为初始状态，工作时，下降到工件的准确位置，完成动作后，回复初始最高点，等待下一步的执行。 (2) 传输结构 传输结构的作用是把胶水总储存罐里的胶水传输到点胶机构的注射器中，等待注 7 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 射动作，当注射器内的胶水用完，自动执行传输动作。 (3) 点胶结构 点胶结构是符合工件需要的形状，设置适合大小的点浇口，控制每次点胶的量。 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，主要实现点胶机的点位运动和直线运动轨迹要求。 2(3(1点位运动 点位运动就是是从一点移动到另一点，无轨迹，并且准确定位。至于点与点之间的移动轨迹并无要求，各个坐标之间没有相互关系，是独立的。点胶机的点位控制主要包括三个方面，一方面是胶枪的原点回归，二方面是胶枪的快速移动以及三方面的手动微调设置。要求每一个坐标有较高的定位精准，为了能提高点胶机的工作效率，采用机床设定的最高的进给速度进行点位运动，当移动部件接近定位点时，为了能准确到达定位点，降低进给速度，以至于低速接近至定位点，从而减少因为运动惯性而产生的冲击力导致定位误差，在这移动的过程中，对于移动的轨迹没有任何的要求，只求快速。 2(3(2直线插补 直线插补是轮廓控制的其中一项，轮廓控制是对两个或两个以上的的运动坐标进行连续地对位移和速度相关控制，使胶枪与工件间的运动轨迹达到相应的点胶要求。因此对于这种运动控制方式，要求数控装置具有插补运算的功能，即对加工数据与工件之间的基本运算，通过数控系统进行插补的数学处理，把理论点与实际点相关坐标计算出来，并控制胶头移动正确的轨迹。 2(3(3系统操作界面的设计要求 系统操作界面是操作人员直接跟运动控制系统的桥梁，操作人员通过界面对机器进行控制，输入指令，接受指令，读取数据，将永和的运动控制指令传输到运动控制器PLC中。系统操作界面体现的是简洁性，无需要用户对机器控制原理充分了解，只要清楚操作即可完成工作工序。所以对设计系统操作界面的要求:简单、明了、直接、清楚，就能降低使用者的要求，让更多的人能进行操作，降低技术缺乏的压力。系统操作界面也有手动控制和自动控制，手动控制是根据操作员的意愿控制部件的移动动作，自动控制是根据上传程序方案，自动运行运动，记录数据，自动报警的功能。 8 第二章 点胶机的控制方案 根据点胶机的界面要求，本研究课题选用三菱G15系列的触摸屏，因为学校实验室也使用过进行人机交流，使用起来更加熟悉。其界面设计软件为GT Designer, 该触摸屏为黑白机，在明亮、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。而且此型号，占用位置小，机体紧凑，安装方便，可以安装在任何地方。用一根数据线就能连接三菱fx系列的PLC，也能直接跟电脑连接通讯，操作简单，节省布线所花的时间，不仅画面清晰，轻轻触碰就能完成动作，快关明显容易操作。 2(3(4运动控制系统控制方案 这是一个基于PLC的点胶机控制系统的设计，是现代常用的经济性的控制系统之一，另外一种是采用单片机来控制，单片机控制系统成本虽然会比PLC的便宜，灵活性也好，效益也不错易于产品化，但是抗干扰性差，稳定性方面会比plc控制系统较差，可能需要长期维修的，使用起来不够PLC系统安全可靠。 PLC系统质量保证，功能齐全，配套完善。PLC发展过程中，越来越多的大中小型企业在开发、生产和产品中运动到PLC为核心控制部分，适用性实用性强。PLC型号系列不断在更新，适合各种规模的企业工业控制场合使用，同一样的PLC工作原理，让厂家能更好的熟悉运用，有一定的互换性。而且，PLC编程方便，容易修改程序，大大减少企业开发修改方案的周期。 本课题研究的点胶机是专为小型LED灯涂胶，矩形阵列的LED减低了研究开发的难度，却更能清晰了解点胶机的运动控制系统，达到一样的目的。点胶机通过PLC运动控制系统的点位运动，对每一颗LED灯涂胶，重复循环，达到完全自动化。 2(4三菱FX系列PLC 2(4(1三菱FX系列PLC特点 FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，近几年来连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。微型PLC体积小，结构美观的外部结构，处理反应速度高，功能强大，灵活多变的配置适合开发用户的不同要求，使用起来也方便。 (1) FX1S FX1S体积虽小，但功能强大: ? 输出类型分为晶体管输出和继电器输出，CPU的I/O点数分别有10、14、20、 9 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 30: ? 2000步存储容量，是以前的FX0S的2.5倍: ? 定位和脉冲输出功能: ? 能通过模块连接扩展板，增加输入输出点数，添加拓展模块。比如数字量模块、模拟量模块，将模拟量转化成数字量传送到CPU分析或者讲数字量转化为模拟量传送到CPU分析和显示模块等等。 ?网络和数据通讯功能 (2) FX1N FX1N系列在功能比FX1S更加的强大，处理速度更快，更添加了特殊功能模块和拓展板，使得PLC用得范围更广，能普及到各个领域的控制管理上。微小的体积，方便安装携带，通信链接和特殊功能模块得到提升。 ?输出类型分为晶体管输出和继电器输出，CPU的I/O点数分别有14.24.40.60，可扩展到128点。 ?8000步存储容量 ?定位和脉冲输出功能 ?能通过模块连接扩展板，增加输入输出点数，添加拓展模块。比如数字量模块、模拟量模块，将模拟量转化成数字量传送到CPU分析或者讲数字量转化为模拟量传送到CPU分析和显示模块等等。 ?网络和数据通信功能 通过485/232/422通讯线实现PLC与PLC，PLC与电脑，PLC与变频器等通讯链接。 ?CC-LINK 通过FX2N-16CCL及FX2N-32CCL，可充当CC-LINK主站或从站。 (3)FX2N FX2N系列PLC体积上是FX1N系列的两倍左右，但是运行处理速度大大提升，达到0.08μs/step的超高运算速度，性能上也比上代有明显的进步，各种丰富的软元件，增加控制的多样化。CPU内置程序容量8000步，可拓展步数增加到16000步，实现更大型的程序编写。最大IO点数也增加到128个，最大拓展到256个，输出类型依旧分为晶体管输出和继电器输出。能采用多种不同的特殊功能模块，实现在温度控制领域，定位控制领域等的控制开发。通过FX2N-16CCL及FX2N-32CCL，可充当CC-LINK主站或从站。 (3) FX3U 10 第二章 点胶机的控制方案 ? 节省空间:其体积仅相当于以前ANS系列PLC的60% ? 节省配线:优越的模块插口设置可节省配线时间和空间 ? 安装灵活:有多种主基板和扩展基板供选择 ? 强大的网络功能:相比前产品更为支持CC-LINK，在软件GX-Developer的设置下，可以方便地使用CC-LINK模块，减小编程时间。并且支持MODBUS，Profibus，DeviceNet，ASi，太网等等。 ? 高性能模块:提供有多种特殊功能模块，功能更为强大。并且有相关设置软件，编程及调试更加方便 除了FX系列的PLC以为，三菱PLC还开发一种新的PLC，Q系列的PLC，改变以往的编程方式，设备模块化，功能强大更方便技术提升与设备维护，适合大型的PLC控制。 2(4(2三菱FX系列PLC编程元件 (1)输入(X)输出(Y)继电器 (2)辅助继电器(M) (3)定时器(T) )作为设定值，也用数据寄存器(D)。 采用程序储存器内的常数(K (4)状态(S) 状态S是对工序步进控制简易编程的重要软元件，经常与步进梯形图指令STL结合使用。 (5)计数器(C) (6)数据寄存器(D)(V)(Z) 2(5本章小结 把点胶机的课题分成了两个部分，简单了解点胶机的机械结构，深入对点胶机的运动控制系统进行了分析，对市面上的点胶机透彻研究，根据实际对比数控系统，可编程控制系统和单片机控制系统，得出PLC运动控制系统仍然是先进发展的主流，高效、稳定成为自动化生产的重要技术之一。本课题通过开发点胶机的点位运动来研究分析运动控制系统，处理简单的运动轨迹，有限的产品点胶，正是一些中小型企业的主要选择。通过分析了各个型号的PLC特点，根据实际使用和机械特点，不同PLC优缺点的比较，也因为本人对三菱PLC最为熟悉，最后决定使用三菱FX3UPLC 和三菱G15的触摸屏。 11 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 第三章 点胶机的驱动方案 在进行点胶机驱动设计时，要从总体到每个结构的关系，控制系统与驱动的相互协调。因为，点胶机的动作大部分是由逻辑运算控制组成的，给予多少个脉冲就运动多少个距离，所以选择PLC(可编程控制器)来完成机床的动作控制。点胶机的驱动系统，是通过接受从可编程控制器传来的信号脉冲来控制电机的转矩和转动圈数，从而带动机械结构的控制胶枪和工件完成理想的目的动作。所以驱动系统就是实现对工作台的控制，使工作台根据运动控制按指令执行动作。 3(1点胶机的传动方式 在XY平台上，传动方式可分为两种，一种是基于单轴运动模式，另一种是基于多轴协调运动模式。因为本课题只要实现点胶机控制系统的点位控制，所以工作平台只需要采用单轴运动模式即可。 单轴运动模式运用坐标系的方法，描绘出点胶的每个点的位置进行计算。 图3-1 XY工作台示意图 12 第三章 点胶机的控驱动方案 一个控制进给系统，一般由运动控制器、驱动器、驱动电机、机械传动装置和执行元件组成。每个部分执行着不同的工作，其中，机械传动装置是将一个力的形式改变成另一种形式的表现，过程中还会有能量的损失。本文所分析的点胶机传动，就是把驱动电机的旋转运动转变为工作台的直线运动。控制示意图如图3-2所示。 控制器 接口电路 执行部件 传动机构 XY工作 台 图3-2 控制进给示意图 每一台点胶机工作平面都是由电机为两轴提供动力达到空间运动。传动机构就成为将电机旋转运动转化为XY方向直线运动的媒介，可以通过丝杆光杆、齿轮齿条，链传动和带传动等达到这个目的。不同的传动方式，也决定了熬能、运动精度、稳定性等因素影响系统的变化。所以根据对比每种常用传动方式优缺点来决定传动方式的选用。 (1)丝杆螺母传动:学校很大一部分机床都是使用丝杆螺母来作传动机构，结构简单，安装方便，寿命低成本高，容易受到外来物质影响传动效率。 (2)齿轮齿条传动:耗能小，可靠，噪音低，传动功率大，效率高。 (3)同步带传动:传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比;传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低;传动效率高，维护费用低;速比范围大。相对于V型带传送，预紧力较小，轴和轴承上所受载荷小;利用齿形带传动代替传统丝杠传动，相对齿轮齿条传动中能量损耗较小，可靠，噪音低，传动功率大，效率高。 3(2点胶机执行元件分析 执行元件，是根据上位控制传达下来的控制信息，将其他能量(常用有电能、液体、气体等)转化为机械能的机构或其他不同形式，以达到想要的运动状态。它直接作用于受控对象。 分为三种，电动执行元件、气动执行元件和液压执行元件。本课题就是采用电动执行元件，将电能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的电磁元件。常用的有伺服电动机、步进电动机、继电器等。 13 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 3(2(1步进电机 本课题的点胶机使用的是步进电机，因此对步进电机加以分析。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机的优势: (1) 电机旋转角正比于脉冲数; (2) 有较好的位置精度和运动重复性; (3) 优秀的响应效率; (4) 可靠性高; (5) 控制简单，控制使用成本低; (6) 转速范围比较宽; (7) 可以急速同步旋转。 步进电机的缺点是:控制不当容易产生共振，难以运转到较高的速度和转矩，能源利用率低，负载超量会破坏同步，高速工作会发出噪音和振动。 根据实际情况，控制要求、成本等多个方面，点胶机的运动控制，就是对胶枪的对位移动和上下移动，与数控机床相比，精度要求远远降低，步进电机充当点胶机的驱动元件，符合要求。 电源 脉功 冲率 指令步进电机 分放 脉冲 配 大 驱动器 图3-3 步进驱动系统原理框图 14 第三章 点胶机的控驱动方案 3(2(2电机的脉冲控制 选择MIGE米格FHB364，电机体积小，重量小，符合课题要求。 步进电机是一种精密控制位移的旋转调速专用的电机，控制方法简单，成本低，在行业上广泛运用在开环控制。不能直接使用PLC对点击直接控制，步进电机驱动器是控制步进电机的设备，它通过从PLC传送过来的脉冲信号，转化为电机运动所需要的角位移、转速、方向、制动加载状态和自由状态。一个脉冲信号控制电机转动一个步距角。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、脉冲数计算 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: 0S3601 (3-1) ,，N,S2 SS12N:必要脉冲数 :物体移动的距离 :距离电机旋转一周移动的距离 ,步进角 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。 自启动运行方式 自启动运行方式是指在驱动电机旋转和停止时不经过加速、减速阶段，而直接以驱动脉冲速度启动和停止的运行方式。 自启动运行方式通常在转速较低的时候使用。同时，因为在启动/停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。 计算自启动运行方式的驱动脉冲速度方法如下公式所示: NV, (3-2) T V驱动脉冲速度N必要脉冲数T定位时间 图3-4自启动运行方式 15 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 3(3点胶机控制系统硬件 点胶机的控制系统硬件选用的好坏直接关系到点胶机控制系统的工作稳定效率，精准效率，具有重要的意义。经过控制系统的选择、驱动元件的选择和传动机构的选择，结合课题实际情况，得出自动点胶机的主要硬件配置如表3-1所示。点胶机电气原理图如图3-5所示。 产品 数量 类型 三菱PLC FX3UC 1 三菱触摸屏 GT15 1 FHB364 步进电机 2 步进电机驱动器细分差动输入 步进驱动器 2 同步带与带轮 2套 移动平台 1个 4VDC电源 1个 电源 气杆 一个 表3-1自动点胶机主要硬件配置 16 第三章 点胶机的控驱动方案 3-5点胶机电气原理图 17 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 3(4本章小结 本章分析的是点胶机的驱动方案，也是一台点胶机能否稳定工作的重要部分，它包括着驱动元件、传动方式。针对这两点，深入了解到驱动电机、电机驱动器的选择，首先正确认识传动方式中，常用的传动方法有齿轮齿条，丝杆光杆，带传动链传动，同步带传动等等，都是为了将电机的旋转转化为运动元件的在平台上的直线运动，对比这些传动方式的优缺点，根据实际要求，寻求最佳方式。最后采用步进电机和同步带传动，还要通过网上查找资料，对步进电机的工作原理以及控制方式分析透彻，根据具体要求寻找合适的电机型号，然后因为是使用PLC可编程控制器作为运动控制系统，通过传输脉冲信号和频率来控制电机工作，而且还要学会脉冲数进行运算，多少的脉冲信号控制多少的电机角位移，使得点胶机能更精准的完成运动，综上所准备的得出点胶机驱动控制的硬件配置列表。最后为了对整个系统清晰概括，使用电气CAD对系统作电气图，也对电气知识有了一定的了解。 18 第四章 点胶机的运动控制分析 第四章 点胶机运动控制分析 4(1点位控制 在点胶运动过程中，点位控制一般运用在胶枪的上下、和XY轴上的快速运动，以及手动微调上，主要实现的一个点精准移动到另一个点的的位置，并没具有运动轨迹。 在本运动控制系统中，分为两种，一种是自动运行，另一种是手动控制。 自动运行，程序开发人员或操作员把机器自动运行的程序上传到PLC中，通过触摸屏自动运行按钮，让点胶机自行完成复位，上料，点胶，换料所有工序，操作员在一边检查。 手动控制，通过触摸屏输入坐标值，与PLC通讯，存入数据储存器中，进行程序对比运算，得出脉冲数，再传送到驱动器中，控制电机的运转，胶枪到达目的坐标。或者，通过方向键，手动控制胶枪位置。手动控制流程图如图4-1所示。 数据输入 数据处理 开始运行 计算X方向所 需脉冲数 计算Y方向所 需脉冲数 X轴电机运 行 是否到达目 标点 Y轴电机运 行 是 否 结束 图4-1点位运动控制流程图 19 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 4(2插补运动控制 因为本课题分析到的点胶机并没涉及到轨迹运动，但是为了更全面分析点胶机的运动控制系统，所以对插补运动进行一个简单的概括分析。 因为，在点胶过程中，胶枪的移动是通过一定脉冲量开控制电机转动的，所以，要作出轨迹运动，就要把运动轨迹划分为一段段小直线，线段越小，直线越多，轨迹就更准确，也就能无限逼近理想轨迹。 插补运算所采用的原理和方法很多，目前常用的各种插补算法大致分为基准脉冲插补和数据采样插补。 逐点比较法，每走一步都要和给定轨迹比较一次，根据比较结果来决定下一步的进给方向，使胶枪向减小偏差的方向并趋向终点移动，所走的轨迹应该和给定轨迹相差不大。如图4-2. 开始 偏差判别 坐标进给 偏差计算 终点判别 否 是 结束 图4-2 插补过程 20 第四章 点胶机的运动控制分析 4(3本章小结 本章讲的是点位控制和插补轨迹控制的深入分析，这两个作为点胶机控制系统程序的核心内容。点位控制，从数据输入，经过CPU将数据进行算术处理分析，然后拟定XY坐标轴作比较后，得出最简捷的路线，得出目的坐标相对位移需要的脉冲数，将数据转化为脉冲信号传送到电机驱动，驱动电机转动控制移动元件运动到目的位置。插补运动，使用逐点比较法，沿着轨迹做小距离线段位移，每移动一个坐标点，就对前一个坐标左相对位移的偏差运算或者对起点终点坐标作绝对位移的偏差运算，直到到达目的位置，停止平面移动作下一步动作，精准控制运动元件。这一步一步都需要严谨，需要实际去测试。通过对这些知识的分析，使我更加清楚整个控制过程的结构。 21 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 第五章 软件编程 使用三菱编程软件GX DEVELOPER编程，一般分为两种编程方式，一种是梯形图，另一种是SFC图。 5(1脉冲指令 对步进电机编程会用到以下运动指令 (D)PLSY [PLSY K1000 K5000 Y0] PLSY是脉冲输出功能，用来驱动步进电机或伺服电机。PLSY 有两个源操作数[S1 S2}和一个目标地址操作数[D].S1指定脉冲频率，S2指定脉冲数，D指定脉冲输出元件号 这里K1000表示脉冲频率是1000Hz。K5000表示输出5000个脉冲。Y0表示脉冲输出点是Y0。 (2)ZRN、DZRN [DZRN K20000 K3000 X012 Y000] DZRN是回原点指令，K20000是回原点速度，K3000是爬行速度，X12是近点开关，Y0输出脉冲。 (3)DDRVA、DDRVI [DDRVI D256 K20000 Y000 Y004] DRVI 相对位置定位 以现在位置开始 距离D256 速度K20000 脉波输出Y0 方向信号Y04。 DRVA 绝对位置定位 (4)DVIT、DSZR DVIT中断定位 DSZR原点回归 5(2梯形图 以下是本课题点胶机控制系统程序举例。 (1)程序一开始，先对所有状态、寄存器、计数器和输出继电器进行复位， 22 第五章 软件编程 (2)胶枪复位程序 (3)送料程序 (4)传送控制 23 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 (5)点位控制 按距离计算脉冲数，给定脉冲量移动胶枪位置。 5(3本章小结 在学习编程的过程中，通过阅读三菱PLC编程说明书，更加熟悉了三菱PLC编程中的指令使用，巩固以前在学校实验课学过的运动指令知识，结合旧知识看懂新认识的运动控制指令，并通过自己对运动控制知识不断琢磨。在学习期间，也会遇到不懂的情况，在分析例子的时候会不理解指令的作用和不懂程序，都是通过上网在专业论坛，知识群体中请教学习，也学习例子教程，熟悉指令使用方法，一一解决所有问题，也要学习工业用编程的全面性，往更稳定更严谨的程序编制。使用三菱编程软件GX DEVELOPER编写程序，熟悉里面的每一个功能，追求对整个软件的可以熟悉运用。 24 第6章 操作界面设计 第六章 操作界面设计 随着科技技术在不断发展，越来越多的工厂采用机电一体化的生产流程，人与机器“交流”更是通过触摸屏来实现，PLC控制器的强大趋使触摸屏与PLC的组合成为主导形式。它们提供的人机界面，是操作简单化，无疑是21世纪自动话领域的巨大革命。 本课题采用的是三菱GT15系列，GT15系列触摸屏为彩色机，明亮、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。而且此型号，占用位置小，机体紧凑，安装方便，可以安装在任何地方。。触摸屏的画面制作工具软件GT Designer， 具有强大的图形编辑功能, 能容易地创建直观的屏幕画面。利用该软件提供的部件库, 可以快速地开发监控画面, 提高开发效率。 6(1界面设计 界面的设计，要考虑: (1) 点胶机的工艺过程; (2) 与PLC的通讯要方便; (3) 能够写入数据控制点胶机的运动; (4) 而且结合操作员能方便操作。 本课题设计界面只要分为两个部分，自动控制和手动微调控制。进入界面，可以看到系统的名称，开发者的联系电话，如图6-1. 图6-1首界面 25 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 然后单击屏幕，自动跳转下一个界面如图6-2所示。 图6-2自动控制界面 自动控制界面包含材料数的合计，电机脉冲、电流和电压的监测，按下启动按钮，启动点胶机自动控制程序，按下停止和复位也是点胶机的停止和复位，然后切换手动按钮，界面跳到如图6-3所示。 图6-3手动微调控制界面 此界面是直接控制点胶机胶枪位置，可以通过上下左右调整位置，和通过输入起点坐标和终点坐标实现移动。 除了基本的操作界面，还增加了自动报警记录，对点胶机发出的故障问题给操作人员提醒记录，如图6-4所示。 26 第6章 操作界面设计 图6-4报警记录界面 6(2 PLC与触摸屏要注意的问题 (1)运算问题:注意脉冲数的计算以及插补位置的计算; (2)语法问题:使用GX编程软件编程时，要注意语法问题; (3)设置问题:编程软件选择的PLC类型要一致，触摸屏与PLC通讯的参数要一致，网络类型要一致; (4)方案问题:运动控制系统方案要简洁等。 6(3本章小结 本章通过三菱触摸屏软件GT Desginer3对三菱触摸屏GT15系列进行自动点胶机控制系统界面设计，基于已有的触摸屏知识，更加掌握界面设计的技术，从四个方面来分析界面的要求，使这次设计更专业化，提高自己的技术，巩固所学的触摸屏知识。而且，在实际使用触摸屏时，要注意触摸屏与PLC通讯的通讯线，注意每个键控制的继电器，注意语法的错误等。 27 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 第七章 结论 7(1结论 本文开发了一种基于PLC的点胶机控制系统，着重对运动控制系统中的点位控制与直线控制进行研究，并开发运动控制系统以及点胶机的人机界面。 其中做了如下工作: 根据题意论述了点胶机的发展历程，价值前景，对点胶机硬件部分提出自己见解，分析当今运动控制系统的结构内容，研究点位控制和直线轨迹控制。学习PLC运动控制编程，用PLC编制运动控制程序，应用三菱PLC与三菱触摸屏组成相互通讯，设计人机界面，开发软件。 通过以上工作得出结论: (1) 结合PLC运动控制器的点胶机系统，根据调较要求，可以提高点胶精度，产品 质量; ) 用三菱PLC与三菱触摸屏组合成控制系统以及人机界面，方便操作，简便实用; (2 (3) 本文对点胶机控制系统进行分析，只采用点位控制来控制点胶机，只要研究其 结构特点，实现LED排列阵列的点胶运动。根据用户程序完成所有点胶运动， 或者在界面输入坐标位置，实现手动微调。 (4) 基于PLC的自动点胶控制系统满足企业生产要求，在广大电子元件点胶工艺中， 可以节省劳动力，缩短工作周期，提高生产效率。以至于节省企业投入成本， 提高同一产品的竞争力，对我国电子企业的发展产生重要作用。 7(1未来展望 基于PLC的点胶机控制系统，本文主要对点位控制和直线轨迹的研究进行开发，以及使用触摸屏进行人机界面的设置，在整个运动控制领域中，只分析了一小部分，还有很多复杂的更深入的问题没有涉及到。 所以对于未来，可以使用精度准确度的更高的半闭环控制系统和全闭环控制系统来设计，添加位置监测，以及点胶机的运动控制轨迹更加复杂化，可以适用于更多的产品点胶。操作界面也可以设计到更加的美化，增加其可操作性。 28 参考文献 参考文献 (1)祖国庆.点胶机器人的应用[M]，西南交通大学出版社,2006. 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(27)WangQjan(Current Status and Development Trends of Di stributed Control Systerm( E1ectric Age，2003. 30 致谢 致谢 在完成毕业论文期间感谢指导老师的悉心指导，无论是论文的选题还是整个论文框架的设计，都给予了我很大的帮助，指导老师的理论知识，学习方式，开拓了我的视野，使我以完成论文为媒介提高自己的更有效率的学习方法，无论是对学习还是生活的态度都深深地影响了我。 在四年的大学生活中，不得不感谢所有教育过我们的任课老师，校园生活中起指导作用的班主任和辅导员老师，特别是徐文斌老师，在老师的帮助下提供了机械创新中心这个学习知识的平台，让我从中，实践学到的知识加以利用，体验企业工作，不断改进学习方法，找到属于自己学习方式。同时，也感谢一起四年的同学，在快乐在相互帮助中成长，给予我生活学习中很多帮助。 另外，还要感谢家里辛苦工作，养育我的父母亲，多年的照顾，并理解支持我投入学业。 31