硕士学位论文-基于plc的自动点胶机控制系统的研究与实现

硕士学位论文-基于plc的自动点胶机控制系统的研究与实现内容摘要：

电路产业是信息社会经济发展的基石 ，而集成电路相关制造装备是信息产业发展的驱动力和重要组成部分。 当前，无论是个人 电脑 ，信息产业还是汽车电子以及消费类电子产业，还有军事、航空、航天领域都 对 电子产品 的电路封装具有 越来越高的要求 ，这就使得点胶机的应用越来越广泛 [1]。 我国是电子产品的出口大国，电子制造 业已成为我国东南沿海地区支柱产业之一 ，电子工业的辉煌成就，令国人振 奋，使业界自豪。 但是，在 电子 工业的发展过程中也存在着极不平衡的一面 [6]。 一方面， 电子工 业的发展如火如荼，在轻工业中占的比重越来越大，另一方面， 电子工 业中自动化程度很低，生产效率低下，工作条件恶劣。 因此，虽然我国是 电子制造 业大国，生产规模庞大，但与发达国家相比， 电子产品 的质量水平和生产效率都很低，制 造 装备的落后是一个最主要的原因。 目前我国很多 制造 工序 还是由工人手工完成的，工人劳动强度极大，并且环境污染也日益突出，严重影响了我国电子产品的产量和质量 [2]。 在所有的 制造 工序中，涂胶工序不仅占用的工人最多、花费 的工时最长，工人的工作条件也是最恶劣的。 同时它也是影响 电子产品 质量的重要因素之一。 现阶段， 大部分涂胶工作都是由工人手工完成的，无法保证涂胶的质量，不合格的涂胶不仅破坏 电子产品 的品质、美观，还会造成脱胶 ，引起事故。 为了提高 电子产品 涂胶的均匀性、一致性、快速性，以及在提高工艺水平的同时进一步提高生产率，应该大力研究和推广提高涂胶工序的自动化程度， 于是自动点胶机便应运而生并在生产中得到了广泛应用 [3]。 点胶机（ 又称涂胶机 ） 是专门对流体进行控制，并将液体点滴、涂覆、灌封于产品表面或产品内部的自动化机器。 点胶 机 主要 用于产品工艺中的胶水、油漆以及其他液体精确点、灌、注、涂、点滴到每个产品精确位置，可以用来实现打点、画线、圆型或弧型。 点胶机 是随着汽车工业中密封工艺的改进而产生和发展的。 最初变速箱、发动机壳体等密封采用纸垫，随着对密封性能要求的提高，密封工艺的改进，在密封结合面上直接涂胶代替纸垫。 在工业生产中，很多地方 也 都需要用到点胶，比如集成电路、印刷电东北大学硕士学位论文 第 1章绪论 2 路板、彩色液晶屏、电子元器件 (如继电器、扬声器 )等等。 传统的点胶是靠工人手工操作的。 随着自动化技术的迅猛发展，手工点胶已经远远不能满足工业上的要求 [68]。 自动点胶 机是一种专为 满足各种密封要求 而研制的 自动 涂胶设备 ， 适用于点，直线，圆弧以及任意不规则产品的点胶，涂胶，运动参数下载方便，可直接输入运行 参数 进行编程。 自动点胶机的工作效率和工作精度取决于自身的运动控制系统，控制系统向执行机构发送脉冲，接受检测结构回馈的信息，根据预设的程序，控制机械部分做出合适的动作，是点胶机的核心部件。 自动 点胶机的发展源于美国和欧洲，随着日本电子行业对点胶机的大规模需求，于是出现代工美国点胶机的日本点胶机厂家。 中国工业的发展，吸引大批日本企业、台湾企业的进驻，专业的点胶机厂家也涌入中国。 目 前中国点胶机产品尚未成熟，自动化水平不高，还要大量依赖人力，企业要从国外进口点胶机，为复杂轨迹的工件点胶。 其原因在于国内 运动控制 技术落后于国外， 尤其 是对 精密仪器或是高端产品 的精确点胶加工，其 运动控制技术 的好坏关系到 仪器 是否能够正常运转。 国外点胶机产品性能优越，能够实现各种空间轨迹的点胶，定位精确点胶质量高，但价格过于昂贵，动辄数十万上百万 [913]。 在国外，对精确点胶的 自动点胶设备 在技术，硬件结构和软件功能等方面均处于领先地位。 随着机器人技术的发展，机器人技术在各行各业中得到了广泛的应用 ，点胶机器人开始 普及应用。 机器人作为执行机构，具用控制方便，执行动作灵活，可以实现复杂的空间轨迹控制 ， 特别适用于多品种，变批量的柔性化生产 ，因此各国先后研制出了点胶机器人。 国外的机器人生产厂商各自推出了涂胶机器人，如日本莫托曼机器人、安川机器人、美国 ABB机器人等。 在国内，一开始没有精确点胶的设备，其点胶位置的确定和出胶量多少都是通过人工手动操作，导致劳动强度大，点胶精度和质量都很低。 然后发展到利用通用点胶设备对 产品 进行点胶，虽然挤出的胶量比手动均匀一致，但其点胶位置确定 仍旧由 人工手动控制 ，点胶的质量 依然 难以保证。 我国自 动点胶机发展较晚， 20202020 年，中国民营的点胶机厂家开始兴起。 最初是代理 +自主研发，或者是自动化行业厂家涉足点胶机行业，逐渐发展为专门的点胶机厂家。 如今通过引进国外技术，也推出了一些自主品牌的自动点胶机，如世椿、奥松等， 国内点胶机相对便宜， 在国内市场上占有一席之地 [3]。 我国电子厂家众多，多数为中小型企业，经济实力有限，市场上昂贵的点胶机产品不能满足企业的需求。 本课题在人工点胶机的基础上，应用运动控制技术，研制出一种价格低廉，能实现直线、圆、椭圆等轨迹密封的点胶机。 既能满足企业点胶要求，又不东北大学硕士学位论文 第 1章绪论 3 增加企 业负担，能够极大地提高我国电子产品的数量和质量，具有深远的意义。 控制系统的内容 工 业控制自动化技术作为 20世纪现代 制造 领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题 ， 虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。 机械设备的自动化大幅度带动了电子信息技术的发展，降低生产成本，提高生产效率，提高了我国微电子产业的发展。 运动控制 (Motion Control)通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度 控制、转矩或力的控制。 运动控制的实质是根据预定的方案，将上位控制系统做出的决策命令，变成某种期望的机械运动，以得到确定的位置、速度、加速度或特定的运动形式。 运动控制系统多种多样，但从基本结构上看， 一个完整的运动控制系统常由上位控制器、执行电机、机械传动机构和位置检测元件等组成。 其结构图如图 1． 1所示。 上位控制器通常是运动控制卡、具有运动控制功能的 PLC、数控系统 (CNC)或单片机系统等。 图 1． 1 运动控制系统结构框图 Fig. The chart of motion control system 其中的 上位 控制器是指以中央逻辑控制单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。 它的主要任务是根据运动控制的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑、数学运算，为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。 电机通过传动机构带动机械结构运动，便可以得到预期的运动参数和运动形式 [1419]。 位置检测 上位控制 驱动器 执行 电机 机械 结构 东北大学硕士学位论文 第 1章绪论 4 控制系统的分类 按位置控制原理分类 运动控制系统根据位置控制原理，即有无检测反馈传感器及其检测部件，可分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方案。 (1)开环控制系统 无位置检测反馈装置，其执行电机一般采用步进电机。 此类系统最大的特点是控制方便，结构简单，价格便宜。 控制系统发出的位移指令信号流是单向的，所以不存在稳定性的问题。 且由于机械传动误差不经过反馈校正，位置精度一般不高。 如图 1． 2所示。 图 1． 2开环控制系统结构框图 The chart of open loop control system (2)半闭环控制系统 位置反馈采用转角检测 元件，直接安装在伺服电机或丝杠端部。 由于具有位置反馈比较控制，可以获得较大的定位精度，大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。 丝杠等机械传动误差不能通过反馈校正，但可采用软件定值补偿的方法来适当提高其精度。 如图 1． 3所示。 驱动器 执行元件 工作台 指令 脉冲 东北大学硕士学位论文 第 1章绪论 5 图 The chart of semiclose loop control system (3)全闭环控制系统 采用光栅 等检测元件对被控单元进行位置检测，可以消除从电机到被控单元之间整个机械传动链中的传动误差，得到很高的静态定位精度。 但由于在整个控制环内，许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙均为非线性，动态响应时间又非常大，使得整个闭环系统的稳定性校正很困难，系统的设计和调整也相当复杂。 如图 1． 4所示。 图 1． 4闭环控制系统结构框图 Fig． 1． 4 The chart of close loop control system 位置 控制单元 速度 控制单元 执行元件 工作台 速度 检测单元 位置 检测单元 脉冲 指令 位置 控制单元 速度 控制单元 执行元件 工作台 速度 检测单元 位置 检测单元 脉冲 指令 东北大学硕士学位论文 第 1章绪论 6 按被控量的性质和运动控制分 类 (1)位置控制 它是指转角位置或直线移动位置的控制。 位置控制按数控原理分为点位控制 (PTP)和连续轨迹控制 (CP)。 点位控制是点到点的定位控制，它既不控制点与点之间的运动轨迹，也不在此过程中进行加工或测量。 如数控钻床、冲床、镗床、测量机和点焊工业机器人等。 连续轨迹控制又分为直线控制和轮廓控制。 直线控制是指被控对象以一定速度沿某个方向的直线运动 (单轴或多轴联动 )，在此过程中要进行加工或测量，如数控镗铣床、大多数加工中心和弧焊工业机器人等。 轮廓控制是控制两个或两个以上坐标轴移动的瞬时位置与速度，通过联动形成 一个平面或空间的轮廓曲线或曲面。 如数控铣床、车床、凸轮磨床、激光切割机和二坐标测量机等。 (2)速度控制和加速度控制 速度控制既可单独使用，如输送机、工作台、主轴和卷绕机等这样的机械速度控制；也可以与位置控制联合成为双回路控制，但主回路是位置控制，速度控制作为反馈校正，改善系统的动态特性，如各种数控机械的双回路伺服系统。 (3)同步控制 同步控制是两轴或两轴以上的速度或位置的同步运动控制。 如平行物料传送带、整列绕线机、大型印刷机的多轴平行传动等，有的除了同步启动、还要求位置同步，其同步精度要求较高。 (4)力和力矩控制 塑料薄膜、钢带、布和纸张等卷取机是恒张力控制，自动组装机的拧紧螺母以及自动钻孔等场合，应采用力矩与位置同步控制 [15]。 按驱动方式不同分类 运动控制系统按驱动方式不同可分为电气控制、液压控制和气动控制，它们各有特点和应用范围。 由于计算机控制、电力电子器件、伺服电动机和位置检测传感器的迅速发展，电气伺服从机械主传动的电力拖动扩展到机械的伺服进给系统，就是由伺服电动机驱动机械系统的机电伺服系统，它广泛应用于各种运动控制设备。 东北大学硕士学位论文 第 1章绪论 7 课题来源及研究目的 课题来源 本课题来源于企 业协作项目，研究采用 运动控制 技术实现 电子工 业中自动涂胶作业，解决涂胶工艺中均匀性、一致性和快速性的问题，可以极大的提高产品质量和生产效率，增加企业利润。 同时可以降低工人工作强度，改善工人工作条件，降低劳动力成本。 目前公司 使用手动点胶机在电子产品上点胶，该工艺方法简单，成本低廉， 但是 浪费劳动力 ，速度慢， 而且 精度差。 市场上出售的自动点胶机通过控制系统来控制 胶 枪运动的轨迹，以达到对不同喷涂对象的喷涂， 这减少了因工人技能熟练程度不同造成的精度参差不齐，提高了生产率 ，但是其价格昂贵且不适合本企业的生产实际。 本课题 针 对企业生产需要，开发一套自动点胶机控制系统，通过运动控制器和高精度的运动平台实现点胶系统的准确定位，使用多组传感器对点胶过程运行状态信息进行测量和采样。 实现对点胶系统各运动部件的控制， 兼顾经济实用的原则，使 点胶机 适用于点，直线，圆，椭圆以及方形等规则产品的点胶。 论文的主要研究内容 本论文深入探讨了运动控制系统的关键技术，介绍了运动控制领域的一些新技术、新产品 ，辩证的选择适合企业需求的运动控制产品。 开发了一种基于松下 FPX一 L60 PLC的平面运动控制系统，提出了研制一种主要实现点位运动控制功能的 控制方案，而且在这套运动控制系统中利用 PLC程序。