0 引言
随着全国劳动力成本的日益增加，尤其是在日化包装行业中，由于产品的产量巨大，需要大量的人力投入，同时由于行业工种性质，大部分人力都花在了重复劳动上，于是越来越多的自动化设备被运用到包装行业中［1］。在乳品行业从自动开箱机之后到自动装箱机之前需要对空箱填充隔板用以固定奶包防止运输过程中的晃动，而由于隔板的形状各异同时在高速包装系统中对节拍有着严苛的要求，传统的做法往往是在开箱机与装箱机之间增加人工填充隔板，这就必然导致了人力成本的上升。为实现全线自动化，设计了一套自动冲压装垫机，能够有效地解决这一问题。
1 冲压装垫机的工作原理及硬件架构
1.1 冲压装垫机的工作原理
基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的冲压装垫机利用变频电机带动运输链板，将开好的空箱送进装垫系统，同时在运输线上设置有多个气缸，通过气缸在不同条件下的动作将空箱分割送入装垫工位。利用皮带传送线将预压的纸垫送入吸垫工位，通过旋转伺服配合真空吸盘将纸垫送入送垫工位，通过两套送垫伺服将纸垫送至冲压工位上，此时冲压伺服动作，通过模具上下合模的方式将纸垫一次成型并送入空箱中，此时链板前端气缸松开，将成品送出。
1.2 冲压装垫机的硬件架构
本次设计选用的是西门子200-SMART系列PLC，其延续了S7-200PLC的诸多功能，同时编程界面也较为简洁，易于被工程师们所接受。通过PLC本身自带的IO点以及扩展的IO点来控制变频器以及气缸、真空发生器的动作，同时由于本次使用的主PLC为ST60型，其最大支持3路PWM脉冲输出，即最多能够带3个脉冲轴，而本例使用的伺服数量为4只，所以通过GET/PUT功能，使用西门子内部S7标准通信协议在原有的系统架构基础上通过另一PLC（型号为ST30）带动第四轴运行。冲压装垫机的硬件架构，如图1所示。
图1 冲压装垫机硬件架构
2 冲压装垫机的软件设计
2.1 主程序
冲压装垫机的软件编程采用了结构化编程的方式，通过严谨的结构框架，将不同的程序块连接起来，同时制作了标准元件功能块对执行元器件进行控制，使控制过程更加清晰易读。主程序包含IO映射、伺服参数设置、报警处理以及系统层控制［2］。通过IO映射将PLC的IO点映射到V地址空间内，这样做的优点在于程序中不再直接使用硬件点，当有硬件IO点故障损坏时，仅需要更改映射点而无需对整个程序进行变更；伺服设置对伺服的位置及速度等参数进行设置并存储在相关的保持型寄存器中；报警处理将不同的报警信号进行归类处理同时出发PLC的相应机制［3］；系统层控制为控制程序的核心组成，其中包括自检、初始化、自动、手动以及各单元的机构控制。冲压装垫机的主程序，如图2所示。
图2 冲压装垫机主程序
由主程序可以看出，在设备运行前需要对伺服参数进行相关的设置，由于本装垫机为专用机，不存在多型号纸垫复用的情况，故而可以将相关参数固化并写入初始数据表中。设备上电后，系统开始自检检测是否存在伺服及变频有报警等情况并及时报警，自检完成后会触发初始化动作，此时气缸及真空复位初始状态，伺服轴开始执行回原动作，并移动至初始位置，初始化完成后等待自动启动命令，在触发自动运行后，设备进入自动运行状态。
2.2 伺服参数设置程序
伺服参数设置关系到轴运行的准确性所以显得十分重要，在对伺服参数进行设置时，由于使用的是安川脉冲型增量式伺服，所以在上电后伺服轴无法知晓自身位置，此时其默认当前位置为零位，这与设定位置不相符，所以在对伺服轴进行相关设置前需要手动对伺服进行回原操作。在回归原点后，在确认修改参数的情况下通过参数设置将不同位置的参数值赋给相应的寄存器。若触摸屏上取消修改参数，按键被按下，则将参数设置寄存器清零。伺服参数设置流程［4］，如图3所示。
图3 称重单元程序流程
伺服参数设置程序的核心程序段如下：
//%%%%%%%%%%%%%%%%%% 伺服参数设定%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
//翻转伺服SV1执行参数设定
LD h_确认修改参数：V9008.0
AW= h_元件编号：VW9060，+101
LPS
A SV1_找原完成：V5501.5
LPS
AW= h_参数设定编号：VW9064，+101 //位置参数设置
MOVR SV1_当前位置：VD5504，SV1_位置1坐标：VD5540
AENO
= L63.7
LRD
…//2、3、4号位置设置相同
LPP
AW= h_参数设定编号：VW9064，+110 //速度参数设置
MOVR h_SV1_定位速度：VD9080，SV1_运行速度：VD5530
AENO
O L63.4
MOVW+0,h_参数设定编号：VW9064 //参数设置完成
Network 2
//横移伺服SV1取消参数设定
LD h_取消修改参数：V9008.1
AW= h_元件编号：VW9060,+101
MOVR SV1_运行速度：VD5530，h_SV1_定位速度：VD9080
AENO
MOVW+0,h_参数设定编号：VW9064
2.3 自动生产程序设计
自动生产单元为整个系统层控制的核心，其包括对料仓的控制、翻转取垫机构的控制、移垫机构的控制、升降机构的控制以及纸箱定位机构的控制［5］。自动运行程序段采用置位复位运行的形式，在每一程序段前串联暂停功能，当系统一般报警触发暂停时，程序将运行至当前节点，在设备故障排除重新启动后会在当前节点向下继续运行而不需要重启后运行。自动生产程序流程，如图4所示。
自动生产程序的核心程序段如下：
//生产运行条件
LD s_自动生产：V3001.3
A s_H_初始化完成：V3007.6
AN a_严重报警V8000.2
= s_生产条件：V3002.1
//料仓控制//料仓执行动作
AN t_s3料仓气缸脉冲：T44
图4 剔除单元程序流程
TON t_s3料仓气缸脉冲：T44，+10
LPP
A CY1_复位完成：V4500.7
= CY1_A_动作：V4500.0
LPP
AN CY1_复位完成：V4500.7
= CY1_A_复位：V4500.1
//翻转取垫机构控制
A s3_翻转取垫中：M10.2
AN 暂停重启延时：T110
A ZK1_抽真空完成：V5101.1
//升降冲压机构控制
A SV2_在位置2：V5682.1
A s3_纸箱就位：M11.5
O s3_冲压完成：M12.3
ALD
3 结语
冲压装垫机具有结构简单、控制方便以及运行效率高等特点，在实际运行过程中全速运行模式下能够达到每分钟冲压30个纸垫的速度，完全满足了生产需求。在实际调试过程中发现，上文提到的通过通讯方式增加的第四轴在初始化过程中需要对其进行断使能操作，否则第四轴将无法进行初始化操作。冲压装垫方式是一种新型的装垫方法，相比于传统的人工装垫有着速度快、精度高等优点，在未来的包装应用中将会得到越来越广泛地运用。
参考文献
［1］唐家会.自动包装机械控制系统的研究与开发［D］.武汉：湖北工业大学，2017.
［2］高双喜.基于Qt/Embedded的伺服测试平台软件的研究与设计［J］.软件导刊，2012（9）：53-57.
［3］陈瑶.面向流程工业的报警管理系统研究与应用［D］.长沙：湖南大学，2013.
［4］杨峰，董颖怀，薛威，等.基于Clipper控制器数控伺服系统的PID参数整定［J］.制造业自动化，2016（9）：118-121.
［5］王仁乾，王媛媛，吴如春，等.悬链斗卸船机升降机构两种调速方式比较［J］.2012（12）：55-56.
