手机电池标签包装机控制系统设计

手机电池标签包装机控制系统设计

摘要

贴标机是一种自动化程度高、复杂系数大的机电一体化产品,主要用于化妆品,保健品、日用品、食品和电池等行业的包装。由于贴标机较为复杂,制造难度大,目前这方面的需求大多依赖进口,而国外贴标机的价格十分昂贵,很难被我国市场所接受。本文研究和开发一种自动化程度高，结构简单，操作可靠的手机电池自动贴标机具有重要的实际价值。本文以研究和开发全自动的贴标机为目标，主要完成的工作有：

1、对手机电池的贴标工艺做了深入研究，完成了贴标机的控制系统部分设计，应用三菱公司的FX2N-32MR-E/UL系列 PLC 实现电气部分设计和控制程序的实现。

2、为了实现贴标机高精度的性能，本文改进了普通两相混合式步进电机的闭环控制方法，并根据位置伺服系统的数学模型，分别设计了 PID 控制器和模糊控制器，

3、绘制电路连接图，编写PLC控制程序。

关键词：自动贴标机，可编程控制器，模糊控制，串口通信

Abstract

Labeling machine is a high degree of automation, complex factor is big electromechanical integration products, mainly used for cosmetics, health care products, daily necessities, food and battery industries of packing. Because labeling machines is relatively complex, manufacturing is difficult, at present the most demand dependence on imports, and foreign labeling machines price is very expensive and difficult to China's market place is accepted. This paper research and development and a high degree of automation, simple structure, reliable operation of the cell phone battery to be automatic labeling machine has important practical value. Based on the research and development of the automatic labeling machines as the goal, the main completed work:

1. The labeling process on the wafer to do in-depth studies, completed the labelingmachine control system design, application of keyence’s FX2N-32MR-E/UL Series PLC to achieveelectrical design and control procedures can be achieved.

2. In order to achieve high precision performance labeling machine, the paper improved the ordinary two-phase hybrid stepping motor of the closed-loop control method, and in accordance with location Servo System mathematical model designed PID controller and the fuzzy controller.

3． Draw circuit connection diagram, writing PLC control procedures.

Key words: automatic labeling machines, programmable controller, fuzzy control, serial

目 录

摘要 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------I Abstract ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- II 第1章 绪论 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1

1.1贴标机的研究现状和发展趋势 ------------------------------------------------------------------------ 1 1.2 PLC与其它工业控制系统的比较 ---------------------------------------------------------------------- 2

1.2.1 PLC与继电器控制系统的比较 ---------------------------------------------------------------- 2 1.2.2 PLC与单片机控制系统比较-------------------------------------------------------------------- 3 1.3 PLC在全自动包装机上的应用 ------------------------------------------------------------------------- 4 1.4本课题研究内容 -------------------------------------------------------------------------------------------- 4 第 2 章 贴标机的功能分析和总体设计 ----------------------------------------------------------------------- 6

2．1手机电池贴标机的功能分析 ------------------------------------------------------------------------- 6 2.2 系统整体方案设计 ---------------------------------------------------------------------------------------- 6

2.2.1 系统的整体架构 ---------------------------------------------------------------------------------- 6 2.2.2 手机电池贴标机的原理及工作过程 -------------------------------------------------------- 7 2.3本章小节 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 第 3 章 贴标机系统硬件的设计 -------------------------------------------------------------------------------- 9

3.1 下位机控制系统的选型 --------------------------------------------------------------------------------- 9

3.1.1 PLC 技术的简介 ----------------------------------------------------------------------------------- 9 3.1.2 可编程控制器的选型 ------------------------------------------------------------------------- 10 3.1.3 伺服系统步进电机和丝杠选型 ------------------------------------------------------------ 11 3.2 下位机控制系统的硬件配置 ------------------------------------------------------------------------- 11

3.2.1 下位机控制硬件配置要求 ------------------------------------------------------------------- 11 3.2.2 PLC 输入输出信号地址分配 ----------------------------------------------------------------- 13 3.3系统主电路设计 ------------------------------------------------------------------------------------------ 15

3.3.1电源供电模块 ------------------------------------------------------------------------------------ 15 3.3.2系统控制总电路图 ----------------------------------------------------------------------------- 17 3.4 PLC系统控制电路设计 --------------------------------------------------------------------------------- 17

3.4.1 PLC分块介绍 ------------------------------------------------------------------------------------- 17 3.4.2 PLC总接线图 ------------------------------------------------------------------------------------- 19 3.3 本章小节 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 20 第 4 章 控制系统软件设计 ------------------------------------------------------------------------------------- 21

4.1 下位机 PLC 程序的实现 ------------------------------------------------------------------------------ 21

4.1.1 PLC程序执行的基本原理 --------------------------------------------------------------------- 21 4.1.2 下位机程序的实现 ----------------------------------------------------------------------------- 23 4.1.3 PLC 输入量的处理 ------------------------------------------------------------------------------ 23 4.1.4 模糊控制 PLC 程序设计 --------------------------------------------------------------------- 24 4.2 通信程序的设计 ----------------------------------------------------------------------------------------- 26

4.2.1 上位机与 PLC 串口通信的协议 ----------------------------------------------------------- 26 4.2.2 下位机通信程序设计 ------------------------------------------------------------------------- 29 4.3系统控制部分梯形图设计 ----------------------------------------------------------------------------- 30

4.3.1 贴标机控制系统程序结构框图 ------------------------------------------------------------ 31 4.3.2 plc控制步进电机程序 ------------------------------------------------------------------------- 32

4.3.3 plc控制电磁阀程序 ---------------------------------------------------------------------------- 34

第 5 章 结论与展望 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 36

5.1 全文总结 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 36 5.2 研究展望 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 36 参考文献 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- III

第1章 绪论

1.1贴标机的研究现状和发展趋势

早在上世纪 70 年代，欧美等发达国家就开始应用标签来管理产品。标签技术是利用标签上的产品的重要信息。将标签贴付在产品或者商品上一件繁琐的工作，传统的贴标是靠人工手动贴标，先将标签剥离，然后贴在产品上。不仅工人劳动强度大、贴标顺序难以一一对应；而且不便于管理、误差较高和造成标签的二次污染。随着自动化技术的发展和制造行业的产品管理水平的提高，越来的越多的厂家倾向于使用一种高速自动贴标机器，不仅可以改善贴标质量，而且可以极大的提高贴标速度；降低劳动力成本。

贴标机的分类方法多样。按自动化程度，贴标机可分为半自动贴标机和全自动贴标机：按容器的运行方向可分为立式贴标机和卧式贴标机；按标签的种类可分为片式标签贴标机、卷筒状标签贴标机、热粘性标签贴标机和感压性标签贴标机，收缩筒形标签贴标机：按容器的运动形式可分为直通式贴标机和转盘式贴标机；按贴标机结构可分为龙门式贴标机、真空转鼓式贴标机、多标盒转鼓贴标机、拨杆贴标机、旋转形贴标机;按贴标工艺特征可分为压式贴标机、滚压式贴标机、搓滚式贴标机、刷抚式贴标机等。

目前，主要的自动贴标技术有三种[1]： (1)“吸贴法”(或“气吸法”)

这是最常用的贴标技术。当标签纸离开传送带后，分布到真空垫上，真空垫连接到一个机械装置的末端。当这个机械装置伸展到标签与包装件相接触后，就收缩回去，此时就将标签贴附到包装件上。这种技术可靠地实现正确地贴标，且精度高，这种方法对于产品包装件的高度有一定变化的顶部贴标，或对于难于搬动的包装件侧面贴标是非常适用的，但是它的贴标速度较慢。

(2)“吹贴法”(或“射流法”)

这种技术的某些运作方式与上述所吸贴法相似的，就是将标签放置到真空表面垫上固定，直到贴附动作开始为止。但在本方法中真空表面是保持不动的，标签固定和定位在一个“真空栅”上，“真空栅”为一个上面具有几百个小孔的平面，这些小孔是用来维持形成“空气射流”的。由这些“空气射流”吹出一股压缩空气，压力很强，使真空栅上标签移动，让它贴附到被包装物品上。这是一项

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图2.1 系统整体设计方案框图

由图2.1分析可以得出，PLC 控制系统作为控制系统的下位机，主要负责标签贴标动作控制，如：气动电磁阀的控制贴标、吸附标签、气动机械手搬送电池、电池盒搬送系统位置伺服步进电机的精确定位控制。 2.2.2 手机电池贴标机的原理及工作过程

原理：工作过程的开始是箱子在传送带上以一个不变的速度向贴标机进给。机械上的固定装置将箱子之间分开一个固定的距离，并推动箱子沿传送带的方向前进贴标机的机械系统包括一个驱动轮，一个贴标轮，和一个卷轴。驱动轮间歇性地拖动标签带运动，标签带从卷轴中被拉出，同时经过贴标轮贴标轮会将标签带压在箱子上。在卷轴上采用了开环的位移控制，用来保持标签带的张力因为标签在标签带上是彼此紧密相连的，所以标签带必须不断起停。

标签是在贴标轮与箱子移动速度相同的情况下被贴在箱子上的。当传送带到达了某个特定的位置时，标签带驱动轮会加速到与传送带匹配的速度，贴上标签后，再减速到停止。

由于标签带有可能会产生滑动，所以它上面有登记标志，用来保证每一张标签都被正确地放置。登记标志通过一个传感器来读取，在标签带减速阶段，驱动轮会从新调整位置以修正标签带上的任何位置错误。

工作过程：步进马达带动卷料轴、出料盘运转，通过出料盘与卷料盘的拉力，标签在剥标板处剥离，由光电检测头确认剥离位置，并发出停止指令，此时，送

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料马达带动吸标装置前移，吸标板吸住标签，吹气装置开始工作，标签随马达前移至限定位置，左纠偏气缸及前纠偏气缸同时推出。形成九十度的直角，对吸标板上的标签进行精确校正，出标工序完成。

推料气缸推动电池至电池竖截面限位位置，前纠正气缸推出，对电池进行精密定位，移载马达带动第一吸头至电池定位位置，下移并吸住电池，前纠正气缸退出，第一吸头提起电池移至标签位置并落下，顶滚位抬起，手机电池贴标机粘附标签的电池随第一吸头后移，至顶滚位滚压，赶出气泡并抬起后移至侧滚位，吸标装置回至原点，并准备下一流程，侧滚前出，第一吸头下压，使侧面标签随侧滚滚动定位，侧位夹紧气缸夹紧电池，侧滚后退，第一吸头放下电池，提起，移至下一工作位置，侧滚前推，滚压电池侧面标签，后移，第二吸头前移至侧滚位，下移并吸住电池，侧位夹松开，第二吸头提起电池至双侧滚位，双侧滚同步前出，第二吸头下落，电池通过双侧滚的平衡张力完成电池双肩部位的贴标，同时下移至前后夹紧位，，前后夹夹紧电池，双侧滚后退，第二吸头放下电池抬起，双侧滚按设定程序前滚-后退-后滚-后退，完成标签结合处贴标，第二吸头前移至下一工作位，第三吸头前移至双侧滚位，下落并吸起电池，前后夹松开，第三吸头抬起并后移至出料口放下电池，贴标工序完成。

2.3本章小节

本章根据贴标机的贴标工艺与要求，对贴标机的功能进行了分析；并根据贴标功能和要求对贴标机进行了整体方案设计，对贴标系统机械动作控制系统进行设计。

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第 3 章 贴标机系统硬件的设计

控制系统硬件设计主要分为两个部分，上位机贴标的管理信息控制系统的硬件设计和下位机 PLC 贴标控制系统的硬件设计，并对电气控制柜的元器件进行布局。

3.1 下位机控制系统的选型

3.1.1 PLC 技术的简介

可编程控制器（Programmable Controller）是早期应用于开关量控制，因此也称为 PLC(Programmable Logical Controller)即可编程逻辑控制器，现代的可编程逻辑控制器是以微处理器为基础，高集成度的新型工业装置，是计算机与工业技术结合的产品。自 PLC 问世以来，经过 20 多年的发展，以及称为工业控制类产品。它不仅具有逻辑运算、定时、计数等功能，还具有数字运算、模拟调节、监控、记录、计算机接口、数据传输功能，而且还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制、向上能与上位机进行通讯，向下能直接控制生产设备，可以通过下级 PLC 直接去控制执行机构。它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求以外，还有许多有点。它能够较好的解决工业控制普遍关心的可靠、安全、经济、灵活、经济等问题。

可编程控制器采用计算机结构，主要包括 CPU、存取器、输入输出模块、通讯接口及模块、编程器和电源 6 个部分。如图 3－4 所示，PLC 内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。外部的各种开关信号、模拟信号，传感器检测的各种信号均为PLC 输入量，它们经过 PLC 的外部输入到内部寄存器，PLC 做各种逻辑运算或其他运算处理送到 PLC 的输出端，从而对现场设备提供各种控制。

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图3.1 PLC的机构示意图

3.1.2 可编程控制器的选型

市场上可供选择的 PLC 种类繁多，各种型号的 PLC 也有各自的优势和特点，应用场合也不大相同。因此在设计之初，选择一款符合手机电池贴标机控制系统工艺和要求的可编程控制器显得十分重要。经过市场调研，本控制系统的下位机采用的是日本三菱公司的FX2N-32MR-E/UL系列PLC作为下位机控制，它是一款可视化的PLC，属于中小型可编程序控制器，可用于简单的控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的通信功能，即使在大型的网络控制系统中也能充分发挥作用。

FX2N-32MR-E/UL系列PLC系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架是由成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的上业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如:冲压机床、印刷机械、中央空调、电梯控制、运动控制系统等等。FX系列除了具有以上一般 PLC 具有的基本控制功能以外，还在以下三个方面有独到之处：

（1）三菱的FX系列 PLC 是一款可视化编程的 PLC，它具有强大的指令集、功能强大、速度快，扫描 30000 步时仅需要1毫秒。

（2）FX2N-32MR-E/UL提供了丰富的硬件资源，不仅有两个轴的运动控制伺服定位控制接口；还提供了4通道的高速计数器，特别适合伺服系统的控制，如

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步进电机或者伺服电机以及光电编码器构成闭环控制系统。相对常规的可编程控制器而言，省去了定位控制单元，给安装调试带来方便。

（3）该系列 PLC 带有 USB 编程口，与上位机进行串口通信调试时不会占用串口，可以在编程软件中可以很方便的看到相关数据寄存器里面上位机发来的数据。

3.1.3 伺服系统步进电机和丝杠选型

在电池位置伺服系统中，步进电机和滚珠丝杠的选型关系到电池每次搬送的位置精度，伺服系统的精度和抗扰动性格是衡量系统的重要性能指标。在步进电机的选型时，必须充分考虑步进电机的一些相关物理量，步进电机的步距角度和最大静态转距，一般的静态转距越大，系统的转距越抗扰动性能会更好，在负载变化时不容易失步，同样步进电机的步距角越小，系统的稳态误差会越小，但是步进电机的价格会更昂贵。本设计系统选用的步进电机为日本东方电机公司生产的 PK264A2 型步进电机，该电机的转子与轴直接是通过减速传动，减速比 1：18，因此它的步进角度仅为 0.1度，为同行电机步距角度最小的一款。丝杠选择选择必须考虑到系统的最小日本 THK公司生产的 THK-KR30 滚珠丝杠，其导程t为1毫米，根据初步估算满足系统载荷要求。

在现代控制系统中，为了配合步进电机的控制，许多 PLC 都配有脉冲输出功能，并设置了相关指令，可以很好的对步进电机进行控制。这种控制方式可以大大减小系统的设计工作量，而且 PLC 具有实时刷新功能，输出频率可以到达数千赫兹或者更高，使步进电机响应速度更快。PLC 直接控制步进电机时，必须考虑脉冲当量，根据贴标工艺和要求，系统为直线每次进给量为δ=8 .13mm，根据步进电机的步距角度α ，滚珠丝杠导程t＝1mm，那么步进电机每次搬送相邻两个电池需要的脉冲数m ，根据公式：

m?代入数字得 m =2926。

??360??t?360 t?3.2 下位机控制系统的硬件配置

3.2.1 下位机控制硬件配置要求

下位机控制系统的主要用来对贴标的机械动作进行控制，主要包括电池升降

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/541h.html