摘要:本文介紹了碼垛機的工作原理，三菱FA產(chǎn)品在碼垛機中的具體應(yīng)用

關(guān)鍵詞：碼垛機、定位控制、QD75P4N、人機界面、可編程控制器、伺服系統(tǒng)

引言

自動碼垛機是機、電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品。中、低位碼垛機可以滿足中低產(chǎn)量的生產(chǎn)需要。可按照要求的編組方式和層數(shù)，完成對料袋、膠塊、箱體等各種產(chǎn)品的碼垛。最優(yōu)化的設(shè)計使得垛形緊密、整齊。

自動碼垛機根據(jù)定位實現(xiàn)的方式，可以分為氣動式系統(tǒng)、變頻器系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、和工業(yè)機器人等。本文介紹的碼垛機是使用桁架式伺服控制系統(tǒng)。

一、項目簡介

1.1本項目是上海金謙自動化設(shè)備有限公司為強生(中國)有限公司設(shè)計開發(fā)的自動碼垛機設(shè)備。用于化妝品生產(chǎn)線的自動碼垛工作，目的是代替人工，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，降低人員成本，提供生產(chǎn)效率。

1.2過程工藝要求

裝好箱的產(chǎn)品通過傳輸帶從在線稱重機送至自動化碼垛機.

自動化碼垛機根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序?qū)⒊善废浞胖迷跅０迳?

當(dāng)棧板上的成品箱數(shù)達到預(yù)定的要求后,系統(tǒng)發(fā)出聲光提示操作員更換棧板.

操作員更換棧板后,必須按下啟動按鈕重新啟動自動碼垛.

自動化碼垛機能持續(xù)運行不停機.

自動化碼垛機能滿足在對應(yīng)的產(chǎn)品和速度下,一天三班,一周七天工作。

自動化碼垛機應(yīng)能適應(yīng)不同的碼垛方式(可擴展至50種),易于切換.

自動化碼垛機由伺服電機驅(qū)動,精確將紙箱碼放在棧板上,最大速度為7箱每分鐘.

自動化碼垛機控制(“無產(chǎn)品–不碼垛”).

自動化碼垛機應(yīng)有傳感器檢測棧板,棧板未準(zhǔn)備好設(shè)備不運行.

設(shè)備啟動時有聲光報警.

棧板碼滿/完后有聲光報警提示.

棧板更換后,操做人員需按下啟動按鈕重啟碼垛.

當(dāng)急停按鈕按下或連鎖開關(guān)打開,有聲光報警.

1.3操作要求

自動化碼垛機正常運行時無須操作人員.

設(shè)備在正常運行時應(yīng)不會對操作人員有造成傷害的可能(包括但不限于手動或自動模式,清除紙箱阻塞等).

設(shè)備正常運行率不小于99%,生產(chǎn)率不小于99.7%.

設(shè)備速度應(yīng)在控制柜上可調(diào).

設(shè)備應(yīng)能與線上其他設(shè)備整合.

應(yīng)有手持式點動按鈕方便設(shè)備操作定位(維修和換產(chǎn)).

設(shè)備應(yīng)設(shè)計為換產(chǎn)時易于調(diào)節(jié)或只需操作人員在運行時進行很少的調(diào)節(jié)(高可靠性和高速高精度).

1.4停電/恢復(fù)

設(shè)備遭遇停電時,系統(tǒng)應(yīng)至少符合國家和當(dāng)?shù)氐姆珊头ㄒ?guī).

電力恢復(fù)后,如操作員未干預(yù),系統(tǒng)應(yīng)不會自動重啟.

設(shè)備應(yīng)設(shè)計為PLC內(nèi)程序在斷電時可保持,恢復(fù)時設(shè)備只需操作人員很少的介入即可.

在設(shè)備進入安全狀態(tài)時不會對設(shè)備本身造成損壞.

操作人員手動重啟設(shè)備(操作人員執(zhí)行恢復(fù)步驟).

1.5設(shè)備的安全要求

設(shè)備周圍有安全防護,安裝有微觸開關(guān),當(dāng)打開防護后設(shè)備停機.

設(shè)備須符合強生的零進入標(biāo)準(zhǔn),在正?；蚍钦５臓顟B(tài)下,沒有員工可以觸及危險的移動部件,不論有意或無意.

安全防護材料須為聚碳酸脂,聚碳酸脂的厚度應(yīng)至少為10毫米.

碼跺出口采用Banner對射光幕保護.

急停開關(guān)和安全連鎖必須符合強生CAT-3標(biāo)準(zhǔn)(失效安全).使用PILZ電氣安全元件.

所有主電路和氣源應(yīng)能被掛牌上鎖(LOTO)

高處的控制箱底部應(yīng)安裝緩沖以保護頭部.

在操作位置的噪音應(yīng)小于80分貝.

1.6報警及信息

關(guān)鍵報警：須通過連鎖控制停機并提示操作人員,設(shè)備操作人員在報警復(fù)位并重啟前須確認(rèn)報警,一旦報警復(fù)位,操作人員可重啟設(shè)備.

信息：提示信息,無需采取行動.設(shè)備應(yīng)能記錄報警的信息(包括時間,次數(shù)),并有報警信息列表附在設(shè)備文件中.

2.0項目中使用的三菱FA產(chǎn)品配置

3.0設(shè)備照片

二、項目中相關(guān)三菱FA產(chǎn)品介紹

1.GT1265-VNBA8.4寸TFT高亮度、寬視角人機界面，是三菱具備各種集成功能和通信接口的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟型人機界面

2.Q03UDECPU三菱高速、大容量CPU模塊，實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)處理及高速、高精度的機器控制，該模塊配置Ethernet/USB端口，上位信息網(wǎng)絡(luò)的Ethernet連接實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

3.QD75P4三菱脈沖串輸出型定位模塊，脈沖輸出方式為集電極開路輸出，最大脈沖頻率200kbps，最大控制距離2m。

4.MR-J3系列伺服系統(tǒng)三菱通用伺服MELSERVO-J3系列是一款高性能、多功能的交流伺服。控制模式有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制三種。還可以選擇位置/速度切換控制，速度

/轉(zhuǎn)矩切換控制和轉(zhuǎn)矩/位置切換控制。所以本伺服不但可以用于機床和普通工業(yè)機械的高精度定位和平滑的速度控制，還可以用于線控制和張力控制等，應(yīng)用范圍十分廣泛。此外，本產(chǎn)品有USB和RS-422串行通信功能，可以使用裝有伺服設(shè)置軟件的個人計算機，進行參數(shù)的設(shè)定、試運行、狀態(tài)顯示的監(jiān)控和增益調(diào)整等。

本產(chǎn)品的實時自動調(diào)整功能可以根據(jù)機械自動調(diào)整伺服的增益。

MELSERVO-J3系列伺服電機采用了分辨率為262144脈沖/轉(zhuǎn)的絕對位置編碼器，可以進行更高精度的控制。伺服放大器只需安裝電池，就可以構(gòu)成絕對位置檢測系統(tǒng)。這樣，只需進行一次原點設(shè)定，在電源開啟和報警發(fā)生時就不再需要原點回歸。

三、控制系統(tǒng)

1.控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.根據(jù)機械機構(gòu)的特點，伺服選型如下：

X軸左右水平移動的負(fù)載為碼垛吸盤機構(gòu)和碼垛的工件，伺服電機與機械的連接方式為減速機+同步帶，根據(jù)定位的速度要求和負(fù)載的特點，我們選用750瓦的三菱MR-J3伺服，即：伺服放大器MR-J3-70A、伺服電機HF-KP73

Z軸上下垂直移動的負(fù)載為X軸負(fù)載加上X軸導(dǎo)軌機構(gòu)的重量，根據(jù)負(fù)載的情況，我們選用1.5KW三菱MR-J3伺服，即：伺服放大器MR-J3-200A、伺服電機HF-SP152B

Y軸前后水平移動的負(fù)載為Z軸負(fù)載加上Z軸的移動導(dǎo)軌重量，根據(jù)負(fù)載的情況，我們選用3.5KW三菱MR-J3伺服，即：伺服放大器MR-J3-350A、伺服電機HF-SP352。

3.根據(jù)客戶對成本的要求，我們推薦客戶選用三菱脈沖串集電極開路輸出型的定位模塊QD75P4，人機界面選用8.4寸的多功能標(biāo)準(zhǔn)型GT1265-VNBA，選用帶以太網(wǎng)口的大容量CPU模塊Q03UDECPU，根據(jù)輸入輸出點數(shù)的情況，選用32點輸入模塊QX41和32點輸出模塊QY41P。

4.

四、該控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

1、絕對位置恢復(fù)功能，

絕對位置恢復(fù)功能是指通過絕對位置檢測系統(tǒng)對指定軸的絕對位置進行恢復(fù)的功能。通過此功能無需進行瞬時停電及緊急停止等電源斷電后的原點復(fù)歸，現(xiàn)場的恢復(fù)操作也變得簡單。

1.1絕對位置檢測系統(tǒng)的構(gòu)成，如下所示：

1.2準(zhǔn)備

注：在使用絕對位置恢復(fù)功能前，伺服控制系統(tǒng)需要進行一次原點設(shè)置操作。

1.3絕對位置恢復(fù)功能示意圖

以上為絕對位置恢復(fù)功能的內(nèi)部信號流向圖及原理示意圖，詳細(xì)內(nèi)容請參考三菱QD75使用手冊和MR-J3伺服使用手冊。

2.多種碼垛方式的預(yù)設(shè)置，根據(jù)客戶的要求，對于不同的碼垛方式，將需要預(yù)設(shè)不同的定位數(shù)據(jù)進行計算，然后再使用三菱HMI的配方功能，將配方數(shù)據(jù)存儲在CF卡中。在設(shè)備運行時，根據(jù)產(chǎn)品碼垛方式需要選擇相應(yīng)的配方數(shù)據(jù)。

不同碼垛方式圖形示意圖：

不同碼垛方式具體指標(biāo)數(shù)據(jù)列表

五、設(shè)備調(diào)試過程簡介

1.伺服電機與機械結(jié)構(gòu)的連接，及運行調(diào)試

1.1檢查確認(rèn)伺服主回路及控制回路接線是否正確，電機U\V\W動力線和編碼器反饋電纜的接線是否正確，伺服I/O控制信號線的接線是否正確；

1.2再確保連線正常的情況下，伺服放大器進行通電，通過使用三菱伺服設(shè)置軟件MR-CONFIGURATOR2，進行必要的參數(shù)設(shè)置和伺服I/O控制信號線的接線情況判斷；

1.3在確認(rèn)機械結(jié)構(gòu)允許的情況下，通過三菱伺服設(shè)置軟件MR-CONFIGURATOR2，進行點動或定位運行測試，調(diào)整設(shè)置相應(yīng)的伺服自動響應(yīng)參數(shù)或增益參數(shù)，以達到最佳的運動控制；

2.QD75P4與伺服放大器之間的控制調(diào)試

2.1檢查確認(rèn)PLC系統(tǒng)的供電回路接線是否正確，檢查確認(rèn)QD75P4與伺服放大器的接線是否正確，確認(rèn)伺服放大器的“絕對位置恢復(fù)功能”信號線與XQ40\QY41P的接線是否正確，確認(rèn)其他輸入輸出信號的接線是否正確；

2.2在確認(rèn)接線正確的情況下，對PLC系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進行通電測試，通過使用三菱的PLC編程軟件GXWorks2，對PLC的參數(shù)進行必要的設(shè)置，使用軟件中的“智能功能模塊”板塊對QD75P4的必要參數(shù)進行設(shè)置，利用“定位測試”功能，對QD75P4各軸的上下限位、近點狗等信號進行確認(rèn)是否正常，利用“定位測試”功能中的“原點復(fù)歸測試”“點動測試”“定位測試”等功能，測試PLC系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的硬件連接和參數(shù)設(shè)置是否正確

2.3使用編程軟件GXWorks2對PLC系統(tǒng)中其他輸入輸出點數(shù)的進行檢查確認(rèn)；

3.人機界面與PLC連線調(diào)試，由于GT1265-VNBA與Q03UDECPU使用以太網(wǎng)口進行接連，所以各自對人機界面和CPU模塊的IP地址進行設(shè)置，保證兩個IP地址在同一網(wǎng)關(guān)中即可通訊連接，人機界面的參數(shù)設(shè)置及軟件開發(fā)使用三菱人機界面軟件GTWorks3。

4.在上述工作完成的情況下，即可根據(jù)客戶的功能需求，對PLC和HMI進行編程調(diào)試，實現(xiàn)對碼垛機的自動化控制。

六，碼垛機的面板及部分操作界面

七、小結(jié)

隨著市場人工成本的逐漸升高，企業(yè)工廠對自動化設(shè)備的需要越來越明顯，三菱FA產(chǎn)品也正以其多方位的品牌優(yōu)勢，良好的品質(zhì)和容易使用的特點，更以其極具競爭優(yōu)勢的性價比，在業(yè)界中被越來越容易被客戶接受。

參考文獻：

（1）三菱Q系列編程指令手冊

（2）三菱QD75詳細(xì)使用手冊

（3）三菱MR-J3伺服使用手冊

（4）三菱GT1000綜合手冊