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基于三菱PLC 的塑瓶车间吹瓶机设计
摘 要：本文主要论述以三菱公司所产FX-2N 系列PLC 为控制核心，结合各种光电及位置感应式传感器等元器件，结合FX-2N 系列PLC 简单易于操作人员操作，且价格低廉等优点，论证并设计了此型输液用塑瓶吹瓶机。同时也介绍了FX-2N 系列PLC 在吹瓶机交流伺服系统及位置控制中的应用。首先根据工艺要求配置了吹瓶机及其交流伺服电机控制的硬件系统；然后按吹瓶机控制动作要求，以位置控制方式为例重点阐述了吹瓶机交流伺服控制的程序设计。通过软硬件的合理设计实现了吹瓶机的快速高精度跟踪控制。
关键词：梯形图；机械手；指令语句；吹塑原理
引言在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从可编程控制器和机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。可编程序控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动控制装置,国际电工委员会的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计[1]。它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出。PLC 具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点[2]。广泛应用于工业控制领域，随着PLC 价格的不断下降，相对于其他控制器件，其本身具有的稳定性高、功能齐全、应用灵活、适用面广等优点就更为凸显，特别是应用在现代化工业化大生产中所带来的高效率，高效益，高收益，其优点表现更是明显。
出现后便受到普遍重视，其应用发展也十分迅速。原因在于与现有的各种工业自动化控制方式相比，它有一系列受用户欢迎的特点，主要是：可靠性高、抗干扰能力强、配套齐全、功能完善、适用性强、易学易用、系统的设计量小、维护方便等[1.2]。
所设计的吹瓶机的工作原理及大体流程吹瓶机的设计原理吹塑机英语全称BLOW MOULDING MACHINE，简称BMM 。其基本工作原理为：向软化的热塑性的型坯中充气，使其紧贴到封闭模具的冷却表面，被吹胀的型坯凝固，形成中空塑料制品[4]。机器主要由机架、链条驱动机构、上胚机、理胚机、进胚机械手、加热灯箱、吹瓶机构及出瓶机械手组成。机器运行由PLC 来控制。除链条由伺服电机驱动外，吹瓶机各控制动作主要由气缸来完成。根据工艺要求，机器运行先开启伺服电机驱动链条进位，从上胚到最后出瓶一个制造周期的全过程的动作分为上胚、理胚、胚道、加热、吹制及出瓶个阶段。正常的生产是重复执行这7 个阶段的过程。伺服系统控制是吹瓶机控制的关键。本文以两腔机（吹制模具为两腔模具）为例介绍交流伺服系统的设计。
控制要求吹瓶机的控制要求设计为自动运转方式。但要求关机时可手动闭合模具；开机前要手动打开模具，运转初始化后自动进行。按下总启动按钮打开总气阀供给气缸操作空气，在满足下列联锁安 全条件并且伺服系统处于原点时按下伺服出瓶启动按钮，伺服、冷却风机胚旋转电机同时启动。
基于三菱PLC 的塑瓶车间吹瓶机的硬件选型主控元件选型在此设计中，由于机器总控制点数（I/O 点数）在80 左右，所以根据成本及需求的因素，选择小型PLC 较为合适。而在小型PLC 中，三菱公司出品的FX2N 系列比较成熟，性价比也较好，而且操作较为简便。在三菱FX2 系列PLC 当中，点数在80 左右的当属型，其总共有80 个I/O 端口，已满足设计需求，无需设计扩展模块[3]。这样既节省了成本，也降低了操作难度。故此设计选用三菱公司FX2-80MR 型PLC。
机器伺服电机的选型（1）公转伺服电机的选择：
鉴于公转伺服电机要求电机有较大的转矩，所以功率要求较大，且转速不需要太高[5]。
为了更好地实现机器主轴所要求的力矩转速特性，此设计将采用富田电机公司的型变频主轴电机。其性能参数为：基准频率：50HZ；基准转速：
；连续额定功率：7.5kw 连续额定转矩：50nm。
（2）合模伺服电机的选择：
合模伺服电机要求与公转伺服电机很相似，也要有较大的转矩，但功率不需很大，要求转速基本与公转电机大致相当[5]， 故电机亦选择富田电机VFNX 系列， 型号为。其性能参数为：基准频率：50HZ；基准转速：1500r/min；连续额定功率：2.2kw 连续额定转矩：15nm。
（3）手指侧移动作伺服电机：
转速要求为，手指能在0.5S 内运行2M，即运行速度为4M/S。电机转轴的直径为10mm，加装直径20mm 的转轴套，据此可计算出电机的转速如下：N=4m/s*60/3.14*0.02m≈根据这些要求，可选富田电机VFNX80L2-50-1.5-4 型号，其性能参数为：基准频率：50HZ；基准转速：4000r/min；连续额定功率：1.5kw 连续额定转矩：16.2nm。
加热道灯管的选型根据设计要求，将选用广州市新得锐丰光电科技有限公司生产的PHILIPS 13168Z/98 型吹瓶机专用灯管。性能参数为：额定功率：2000W；额定电压：230V。
其它各控制传感器件的选型根据设计具体需求，将选用传感器件型号基于三菱PLC 的塑瓶车间吹瓶机的程序设计储胚上胚机构动作要求及程序设计上胚电机驱动上胚传送带，将瓶胚送至储胚道，并将储胚道蓄满。同时上胚器公转，公转由机器公转伺服电机链条及齿轮传动，与加热段公转夹具同步。要求当储胚道蓄至规定数量瓶胚时上胚电机停转。由反射板光电传感器延时5s 控制，此光电置于储胚道中上部(无瓶胚遮挡时光电开关打开)。上胚器上胚由控制开关。当灯管温度达到要求温度后开始上胚，开关为一电磁继电器，置于上胚器上部，储胚道下端，开关由人工手动控制（手动打开时间大体为灯箱灯管打开1 分钟后即可）。
令 I/O 端口地址安排如下：
：机器总启动开关 Y0：公转伺服电机：上胚反射板光电开关 Y1：上胚电机驱动：上胚器上胚控制开关 Y2：上胚控制器此段 PLC 控制梯形如图4-1：
公转机构及加热灯箱组设计要求公转机构夹具，即公转头共500 个。公转速度为0.3m/s。加热灯箱组共12 组，每组共根灯管上下排列。可根据瓶胚即所造成品规格不同，可选择打开其中的4—6 根加热灯管，灯管开关控制为手动控制。每个公转夹具可自转，由公转链条结合公转导轨壁实现，以使瓶胚加热过程受热均匀。为防止公转机构及即热机构骨架过热，由车间统一提供的冷冻水系统进行骨架降温。在完成加热及取胚后绝不允许由漏取的瓶胚，若有则机器停止运转。
令 I/O 端口地址安排如下：
：防漏胚反射板光电开关 M0：机器停转辅助继电器：灯管总开关：第一排灯管开关 Y28：第一排灯管：第二排灯管开关 Y29：第二排灯管：第三排灯管开关 Y30：第三排灯管：第四排灯管开关 Y31：第四排灯管：第五排灯管开关 Y32：第五排灯管：第六排灯管开关 Y33：第六排灯管：机器故障急停按钮模具动作及吹瓶过程要求及程序设计模具为两腔式，并可根据产品规格改换相应模具。底模在上，底模由气缸实现动作，底模气缸有两限位感应式传感器控制其动作。两腔式模具内中空，通以冷冻水以冷却瓶壁成型，并防止模具过热损坏，冷冻水亦由车间统一供给。模具开合动作通过大螺杆式机械传动实现，并由模具伺服电机控制螺杆的正反旋转。螺杆部有两限位感应式传感器，以控制模具的开合程度。吹气方式为瓶口朝下向上吹瓶方式，益于成瓶均匀。吹气站共10 个吹气头，每个吹气头中心由便于吹瓶成型的拉伸杆，由拉伸气缸控制动作。亦有两限位器，吹气动作由电磁阀控制高压气完成，高压气由车间统一供给，气压为5 倍大气压。在取送胚手指送至吹气站处有一光电传感器，用于监测取送胚手指是否已将软化瓶胚送至吹气站，并报送至PLC 主板，决定是否进行吹瓶动作。要求关机时完成最后一次吹瓶动作后要能手动合模及下底模，开机前要手动开模，上底模。模具原点位置状态：模具开、底模上、拉伸杆下。吹瓶过程大体动作流程：软化瓶胚送至吹气站激发光电，延时0.5S 动作；底模下，激发气缸下位传感器；模具合，激发大螺杆下位传感器；拉伸杆上至底模处；吹气站吹气，吹气时间0.5S；拉伸杆下；模具开；底模下。
令 I/O 端口地址安排如下：
：监测送胚光电开关：底模气缸上位感应开关 Y9：底模气缸上电磁阀：底模气缸下位感应开关 Y10：底模气缸下电磁阀：大螺杆上位感应开关 Y11：合模伺服电机正转：大螺杆下位感应开关 Y12：开模伺服电机反转：拉伸杆上位感应开关 Y13：拉伸杆上电磁阀：拉伸杆下位感应开关 Y14：拉伸杆下电磁阀取送瓶动作过程要求及程序设计取瓶手指原点位置在吹气站位置，具体动作为：前进取瓶→上移→侧移至取瓶中间站→下移放瓶→后退→回至原点位置。因瓶为向上吹气法，故取出的瓶子为倒立的，所以要设计一中间站，再由翻转送瓶手指取至成品传送带处。翻转送瓶手指原点位置在取瓶中间站处，状态为正，手指开。与取送胚及取瓶手指有所不同。后两者为前叉式手指，而前者为开合式夹形手指，由气缸实现动作，主要为了便于放瓶至传送带，且较后两者气缸动作要快，具体动作为：原点→前进→手指合→翻转左位→后退至传送带→手指开→翻转右位（其中翻转通过气缸实现）令I/O 端口地址安排如下：
：取瓶前进位置感应开关 Y16：取瓶前进气缸电磁阀：取瓶后退位置感应开关 Y17：取瓶后退气缸电磁阀：取瓶上移位置感应开关 Y18：取瓶上移气缸电磁阀：取瓶下移位置感应开关 Y19：取瓶下移气缸电磁阀：取瓶侧移至中间站位置感应开关 Y20：取瓶侧移至中间站电磁阀：取瓶侧移至吹气站位置感应开关 Y21：取瓶侧移至吹气站电磁阀：送瓶前进位置感应开关 Y22：送瓶前进气缸电磁阀：送瓶后退位置感应开关 Y23：送瓶后退气缸电磁阀：送瓶手指合位置感应开关 Y24：送瓶手指合气缸电磁阀：送瓶手指开位置感应开关 Y25：送瓶手指开气缸电磁阀：翻转手指左位感应开关 Y26：翻转手指左位气缸电磁阀：翻转手指右位感应开关 Y27：翻转手指右位气缸电磁阀结束语系列PLC 具有丰富的编程指令，小型化、高速度合高性能是其特点。其运算速度高：0.08us/指令，内置8000 步RAM 存储器辅助继电器3072 点[3]。通过对硬件合软件的合理设计，用较为廉价的FX2N 系列PLC 作为核心控制部件过程的吹瓶机交流伺服系统实现了吹瓶机的动作的协调控制。合理的程序使机器运行平稳，定位、进位等动作满足工艺要求。特别应 指出的是通过灵活、巧妙的运用PLC 的指令系统，可使机器实现高度自动化，大大节省时间，调高工作效率，保证单位时间合格品的产量，从而提高经济效益。
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