利用PLC和触摸屏对三菱激光钻机控制系统的改造

2021-08-25张亚辉

印制电路信息 2021年8期

张亚辉

（珠海中京电子电路有限公司，广东珠海 519100）

1 项目背景

本人大学本科毕业后在PCB（印制电路板）行业二十多年，一直从事数控机床的维修、保养工作。2005年初三菱激光钻机应用于本公司生产，当时国内还做不了维修和调试，三菱公司派人来维修调试又非常昂贵，于是公司2005年10月派本人到日本名古屋三菱制作所学习三菱激光钻机，接受了三菱制作所几个部门的联合培训，是故本人特别精通三菱LASER 1-5代激光钻机光路调教保养维修，对于该设备在使用中存在的问题点、设计缺陷，本人能够通过实际情况进行改造，完善功能，使之运行更加稳定、故障更低、寿命更长、工作效率更高。同时本人在附近的培训学校兼职担任电工类和成人本科学历教育电子类讲师。有一定的理论水平和教学经验。

由于产能不足，采购新的三菱激光钻机又非常昂贵，公司决策层召集各部门骨干开会，商讨如何对此工序流程进行改善。我身为公司的设备主管工程师，建议将此设备改造为基于三菱PLC控制的自动装载系统。最终公司高层任命我担任本项目的主导人，成功通过了改造并试运行，得到生产部的一致好评，取得满意的效果。

2 改造的设计要求

2.1 改造前的工艺

三菱激光钻机设备改造前的工艺流程图，如图1所示。此流程存在的不足如下。

图1 改造前工艺流程图

（1）激光加工的前工序是黑化工艺，PCB表面铜经过黑化处理，便于吸收能量；黑化工艺是经过化学药水处理的，药水残留对人手有一定腐蚀，也有一些气味，环境差，工人多不愿呆在此工序。

（2）人工对位、放板、计数费时费力，影响了生产效能，并且容易出错和板面有擦花，造成一定报废。

2.2 改造后的工艺

实现激光钻机的自动装载，将长宽为500 mm×400 mm厚度为1 mm的PCB搬运至激光钻机工作台上，现在的设计工艺流程如图2。

图2 改造后工艺流程

（1）将20～30块板平放到小推车托盘上，小推车前面有个锁孔，小推车推到装载机下面，生产时由电磁阀推动气缸动作将小推车锁住，达到固定PCB位置的作用，实现机械对位，免去人工对位过程。装载机和小车实物图3所示。

图3 装载机和小推车图

（2）装载机安装交流接触器控制电机转动，经过齿轮和链条拉动支撑架，支撑架装有电容式传感器，当检测到有板时，支撑架带动托盘上升到固定高度，上升高度由对射型光电传感器定位。然后装载机气缸推动抓盘架下降用吸盘将PCB吸住上升，再由伺服放大器驱动马达转动丝杠沿导轨移动到加工台上方，抓盘架再下降放板，然后回到原点，实现自动放板。

（3）抓盘架下降放板结束后，PLC程序自动计数，计数值在触摸屏上显示出来。

（4）装载机上设有安全门感应器和急停按钮，确保生产安全。

装载过程可以实现手动和自动控制。控制方式由三菱PLC实现，操作方式则在触摸屏上选择。公司决策层经过审慎考虑，决定选择这种带有基于三菱PLC控制的自动装载系统的改造方案。

3 方案的实施

3.1 装载机搬运工件流程

工作流程图及简介，见图4所示：装载机小推车托盘的上下运动和抓盘上下运动都由气缸驱动，气缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。而左右移动则由PLC控制伺服放大器，驱动伺服马达转动丝杠沿导轨运动。吸盘的吸附由一个单线圈两位电磁阀控制。加工机准备就绪时，经传感器向PLC输入信号，PLC控制抓盘下降放板，加工完毕后，经另一传感器向PLC输入信号，PLC控制抓盘上升重新拿板返回原点，之后经传感器发出装载机就绪信号。装载机运动过程见图5所示。

图4 启动后装载流程

图5 装载机运动简图

3.2 装载机的动作过程

将装了PCB的小推车推进装载机，按下上锁按钮，上锁电磁阀通电推动气缸动作锁紧小车，电容感应器感应有板，托盘马达得电，小车托盘上升碰到上限开关停止，待加工PCB到达预定高度位置。

在触摸屏里按下启动按钮，抓盘下降，碰到下限开关停止，同时接通吸附电磁阀，吸住板料。

吸住板料后抓盘上升，碰到上限位开关停止。

伺服放大器推动伺服马达转动丝杠，带动抓盘左移，碰到左限位开关停止左移。

若此时工作台上无板料，台面负压检测开关接通，抓盘下降，碰到下限开关停止下降。

同时吸附电磁阀断电，抓盘放松。PLC程序计数，显示在触摸屏上，触摸屏上有计数复位按钮，换了料号可以清零。

放松后，上升电磁阀通电抓盘上升。

伺服放大器推动伺服马达转动丝杠，带动抓盘右移，碰到右限位开关停止右移。回到原点，装载机经过了一步完成了一个周期的动作。当小推车里所有板都加工完毕，电容感应器感应无板，蜂鸣器报警，提醒上板。解锁电磁阀通电推动气缸动作解锁小车，这时小推车可以拿出装板。

3.3 装载机气动控制

装载机气动控制图见图6所示。

图6 装载机气动控制图

4 主要部件的选型

4.1 PLC的选型

因为伺服电机的位移量与输入脉冲个数成正比，伺服电机的转速与脉冲频率成正比，所以我们需要对电机的脉冲个数和脉冲频率进行精确控制。在使用伺服驱动器时，往往需要较高频率的脉冲，所以就要求所使用的PLC能产生高频率脉冲。三菱公司的FX2N-48MT输入输出各24点，本设计输入18点，输出16点，完全满足了我们控制伺服电机的要求，所以我们选用FX2N-48MT型PLC。

4.2 伺服电机的选型

在选择伺服电机和驱动器时，只需要知道电机驱动负载的转距要求及安装方式即可，我们选择额定转距为1.3 N•m，额定转速为3000 r/min，400 W功率，每转为131072 p/r分辨率的三菱公司HC-KFS43B伺服电机，带电磁制动，与之配套使用的驱动器我们选用MR-J2S-40A伺服驱动器。三菱的此款伺服系统能轻易实现增益设置，且采用自适应振动抑止控制，有位置、速度和转距三种控制功能，在这里选择速度模式。

4.3 触摸屏的选型

仓库有三菱GT1000型触摸屏，故我们采用此型号对伺服电机进行自动操作控制和手动操作。

4.4 主要材料型号规格清单

主要材料型号规格清单表见表1所示。

表1 材料清单

5 PLC控制系统设计

电源和小车托盘电机电路，见图7所示。

图7 小车托盘电机电路

KM1和KM2控制电机正反转，FR过流保护，线圈由PLC控制。三菱激光钻机自带三相380V转三相220V变压器，接入开关电源后提供直流24V电源。（PLC控制系统接线图、PLC-伺服控制电路图，PLCI/O分配表略。）

6 伺服系统设置

6.1 伺服系统接线

抓盘从D点移动到E点时是伺服放大器控制马达转动，抓盘移动的位置受限位开关的控制，所以采用速度控制模式，自动控制时快速，手动控制时慢速，可以通过两档速度来设定，DE点限位信号通过PLC来控制，在DE点限位外增加LSP，LSN来做左右极限保护。将220V三相电源线L1，L2，L3插头接入CPN1，将伺服电机插头接入CN2，将编码器插头接入CNP2，控制线插头接入CN1B。

X0-X4保留为伺服驱动器专用输入端口不接，在GOT里实现手动和自动控制，Y0-Y5保留为伺服驱动器专用输出端口。

6.2 伺服驱动器的参数设定

我们需要用伺服电机的专用软件SETUP221E，通过RS422接口接到伺服系统的CN3上设定参数值，具体参数见表2所示。

表2 参数值

7 触摸屏的连接和设置

PLC编程口（422端口）通过GT01-C50R4-8P数据线与触摸屏422/485端口连接。电缆接屏一侧9针公头，接PLC一侧圆口8针，DB9F-MD8M。GOT1000编程页面可用GT Designer3软件设置，自动运行时可以在机器上用按钮实现，也能在触摸屏内软元件完成，方便操作。图8是GOT主页面设计图。手动操作则完全由软元件调用相关子程式运行，节省PLC输入点，同时可以看到做板数量。做完板可以清零。图9是GOT手动页面设计图。