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中達電通股份有限公司
摘 要：在分析剪折機嵌入式控制系統(tǒng)的基礎上，提出基于臺達機電自動化平臺的全自動剪折機解決方案。給出變頻器主驅(qū)電機轉(zhuǎn)數(shù)；PLC驅(qū)動步進電機脈沖頻率；步進電機變速定標等重要控制技術設計。
關鍵詞：商標 全自動 PLC
1 引言
剪折機是服裝、鞋類等行業(yè)的商標加工類設備。剪折機用于帶狀商標剪切和折燙成型加工，首先通過切刀對商標進行冷切或者熱切，然后經(jīng)過模具對剪切完成的商標進行各種形狀的折燙，可以實現(xiàn)對商標的切片、兩邊折、對折、中間折等，實現(xiàn)帶狀商標加工。自動剪折機外觀如圖1所示。模具和各種剪折方式如圖2所示。
傳統(tǒng)的剪折機是以儀表顯示為主，采用單板機等嵌入式專用系統(tǒng)實現(xiàn)控制，商標長度通過機械調(diào)節(jié)。為了市場需求和自身發(fā)展要求，應用PLC和變頻器以及觸摸屏等通用電氣自動化平臺技術開發(fā)全自動化剪折機，是剪折機設備廠家的迫切需求。
圖1 自動剪折機外觀圖
圖2 模具和各種剪折方式
2 系統(tǒng)設計
2.1 系統(tǒng)分析
原剪折機是由電機帶動凸輪機構使送料機構送料、模具來回運動和切刀上下運動，一個行程完成送料、剪切和折燙等動作，電機速度、手自動啟停控制、狀態(tài)檢測和故障判斷則由單片機控制板控制，每次加工不同長度的商標之前，需要手動調(diào)整轉(zhuǎn)盤，從而設置出所需長短尺寸，用戶反應該電氣配置存在配件采購麻煩，控制板電氣保護差、維護困難的缺點，希望能通過電氣改造提高機器的性能和使用便利性。
2.2 臺達自動化平臺設計
根據(jù)機器的特點和用戶需求，項目設計基于臺達自動化體系平臺。選用臺達的SC系列PLC來替代控制板做為控制用，M變頻器進行電機控制，3.8吋觸摸屏取代面板按鈕；計數(shù)器，定長送料部分則由步進電機控制。
（1）PLC部分：選用臺達12SC11T主機，如圖1所示。
圖3 SC主機外觀圖
該主機是臺達S系列中偏向運動控制的一款，非常適合需要高速控制定位的場合，比如伺服位置控制，數(shù)控加工等，本機配置點數(shù)比較精簡，可以通過其強大的擴展功能輕易實現(xiàn)多點數(shù)，本項目中另外加16SP（DI 8點，DO8點）做為I/0擴展用。
（2）變頻器部分：選用臺達M系列015M21A型變頻器，如圖4所示。
特點：
輸出頻率0.1~400Hz
可設定V/F以及矢量控制
載波頻率可達15kHz
支持MODBUS通訊
內(nèi)含PID反饋功能
零速力矩保持功能
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圖4 臺達M系列變頻器
M系列臺達變頻器家族中的迷你高功能型，應用廣泛，本項目中主要利用其變頻和通訊功能，通過MODBUS通訊可以很方便地實現(xiàn)上位機對變頻器進行參數(shù)設定和讀取，從而實現(xiàn)對機器速度的準確實時監(jiān)控。
（3）人機界面：選用臺達3.8吋AS3.8BSTD型觸摸屏，如圖5所示。
特點：
8灰接藍白STN，256色
解析度：320*240像素
支持RS485/RS232/RS422通訊
支持USB存儲、鼠標、打印
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圖5 臺達AS觸摸屏
通過臺達人機可以方便地控制和監(jiān)視，原按鈕和計數(shù)器功能都可以通過畫面實現(xiàn)，使控制箱面板更加簡潔，提高了產(chǎn)品的檔次，適應了市場需求。
3 控制系統(tǒng)設計
3.1 主驅(qū)電機
主機要求速度達到0~150切/分，送料長度控制在0.2mm精度，工作長度范圍在40mm-240mm。電機減速比設計為1：10，若要求達到200切/分，則當電機轉(zhuǎn)速：n=150*10=1500轉(zhuǎn)/分，要求輸出頻率為：f=n·p/60=1500·2/60=50Hz，速度要求滿足。
3.2 送料步進電機
送料長度由步進電機控制，要求控制精度為0.2mm，送料輥周長115mm，減速比1:2，設置步進驅(qū)動器細分數(shù)使每轉(zhuǎn)一圈對應脈沖數(shù)為600，送料輥每轉(zhuǎn)1圈電機需轉(zhuǎn)2圈，則每個脈沖對應送料長度為：L=115/2*600=0.096mm<0.2mm，滿足控制要求。
3.2 PLC高速脈沖輸出接口
送料長度范圍40mm~240mm，則要求每次發(fā)送脈沖數(shù)為416~2500。最大速度150切/分，每完成一次動作的最短時間為0.4秒，每次送料占用時間是總行程的1/2，則送料最短時間為0.2秒，由于加減速時間和找標的時間大致為0.1秒，所以要求脈沖發(fā)送頻率最高：2500/0.1=25000脈沖/秒，SC最高可以輸出頻率達到200kHz，SC系列PLC高速脈沖輸出接口完全滿足要求。
3.4 定標實現(xiàn)
帶狀商標上有位置色標，色標間隔反應了商標的長度。定標送料就是通過光學傳感器檢測色標位置，每次檢測到色標就停止送料，等待切刀完成剪切動作。由于步進電機的特點，當起始發(fā)送脈沖頻率過高則容易出現(xiàn)失步堵轉(zhuǎn)，因此需降低起始頻率，通過一個加速和減速過程，即以較低的速度起動，而后逐漸加速到某一速度運行，再逐漸減速直至停止。進行合理、平滑的加減速控制是保證步進驅(qū)動系統(tǒng)可靠、高效、精確運行的關鍵。
定標采用兩步走的方式，先按設定長度高速走一段定長，通過D1340設置加減速時間，離色標還有1~2mm的距離時開始低速找標，色標檢測到則產(chǎn)生一個中斷信號進PLC，在中斷程序中對M1334進行置位，使DDRVI的Y10立刻停止脈沖輸出，電機馬上停止。
3.5 PLC接口設計（表1）
表1 I/O接口定義
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輸入 |
名稱 |
輸出 |
名稱 |
|
X0 |
光眼1 |
Y0 |
變頻啟動停止 |
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X1 |
光眼2 |
Y1 |
變頻點動 |
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X2 |
計數(shù) |
Y10 |
脈沖輸出 |
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X3 |
限位/停車位 |
Y11 |
脈沖方向 |
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X4 |
放料微動信號 |
Y20 |
送料電機 |
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X5 |
收料斗已滿信號 |
Y21 |
自動指示燈 |
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Y22 |
報警蜂鳴器 |
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Y23 |
備用 |
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Y24 |
電磁閥 |
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Y25 |
頻率設定來源選擇 |
注：晶體管輸出信號經(jīng)過繼電器轉(zhuǎn)接后控制外部電路。
4 結束語
經(jīng)過全新電氣改造的自動剪折機，無論從產(chǎn)品外觀還是性能上都有了提高，經(jīng)過上帶連續(xù)生產(chǎn)，證實了產(chǎn)品性能上完全達到了用戶的要求，由于采用了人機界面使得在操作便利上有了非常大的提高，雖然產(chǎn)品的控制點數(shù)不多，卻涵蓋了臺達從PLC、變頻器到人機界面幾大產(chǎn)品的應用，是臺達自動化產(chǎn)品和機械的又一次成功結合。
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