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在日常生活中，各種形狀（如圓形、橢圓形、方形等）的玻璃瓶，如玻璃酒瓶、化妝瓶、飲料瓶等被廣泛應(yīng)用。瓶身上的精美圖文，既作為產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)，也帶給了人們美的享受。玻璃瓶絲網(wǎng)印刷機(jī)，就是一種將各種精美圖文印刷于玻璃瓶瓶身的機(jī)械。
1 機(jī)械結(jié)構(gòu)概述
玻璃瓶絲網(wǎng)印刷機(jī)主要由入瓶輸送帶、理瓶機(jī)構(gòu)、夾放瓶機(jī)構(gòu)、印刷機(jī)構(gòu)和出瓶輸送帶幾部分組成，包含理瓶軸、橫移軸、旋轉(zhuǎn)軸、上下軸、刮板軸和絲網(wǎng)軸共6軸。機(jī)械外形如圖1所示。
①－入瓶輸送帶 ②－理瓶機(jī)構(gòu)
③－夾放瓶機(jī)構(gòu) ④－印刷機(jī)構(gòu)
⑤－出瓶輸送帶
圖1 玻璃瓶絲網(wǎng)印刷機(jī)外形結(jié)構(gòu)
2 設(shè)備動(dòng)作要求介紹
2.1設(shè)備工作過程
“入瓶輸送帶”將上游來的玻璃瓶送入“理瓶機(jī)構(gòu)”。“理瓶機(jī)構(gòu)”可根據(jù)玻璃瓶的形狀和大小，更換相應(yīng)的夾具。
“理瓶機(jī)構(gòu)”用機(jī)器視覺對(duì)送來的玻璃瓶進(jìn)行定位，保證“夾放瓶機(jī)構(gòu)”夾取的瓶每次能在同一角度被送入“印刷機(jī)構(gòu)”的旋轉(zhuǎn)軸夾具。
“印刷機(jī)構(gòu)”以旋轉(zhuǎn)軸作為主軸帶動(dòng)玻璃瓶旋轉(zhuǎn)，上下軸、刮板軸和絲網(wǎng)軸作為從軸與主軸保持凸輪關(guān)系，共同完成瓶身圖文的印刷。
印刷完畢的玻璃瓶再由“夾放瓶機(jī)構(gòu)”放入“出瓶輸出帶”，完成整個(gè)產(chǎn)品的加工。
2.2玻璃瓶外廓位置掃描
印刷圓瓶時(shí)，由于瓶徑固定，只需旋轉(zhuǎn)軸與絲網(wǎng)軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刮板軸和上下軸保持不動(dòng)即能完成印刷，相對(duì)容易。
印刷方瓶時(shí)，也只需根據(jù)方瓶的長、寬尺寸和要印刷的面數(shù)，就能確定旋轉(zhuǎn)軸與上下軸、刮板軸和絲網(wǎng)軸所應(yīng)有的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
而橢圓瓶形狀較復(fù)雜，不易直接計(jì)算，所以首次印刷時(shí)，需對(duì)玻璃瓶的外廓進(jìn)行位置掃描，再以這些測(cè)取的數(shù)據(jù)來構(gòu)建印刷過程中所需的主從軸的電子凸輪關(guān)系。其過程如下：
掃描前，先拆掉絲網(wǎng)和刮板，在其相當(dāng)?shù)奈恢醚b上水平光電開關(guān)和垂直方向的距離傳感器。光電開關(guān)產(chǎn)生的水平光束相當(dāng)于絲網(wǎng)位置，在被物體阻隔時(shí)輸出信號(hào)；距離傳感器產(chǎn)生的垂直光束相當(dāng)于刮板，其功能為在指定距離上（如圖2中尺寸a所示）檢測(cè)到有物體時(shí)輸出信號(hào)。
當(dāng)橢圓形玻璃瓶在旋轉(zhuǎn)軸上安裝好，未作旋轉(zhuǎn)時(shí)（順旋0度），如圖2所示，玻璃瓶位于A位置，距離傳感器位于C位置。
圖2 玻璃瓶順旋0度的外廓位置掃描
掃描開始，上下軸首先帶動(dòng)玻璃瓶上移至水平光束感應(yīng)（如圖2中B位置），此感應(yīng)信號(hào)被控制器檢測(cè)并作為上下軸位置的抓取信號(hào)；然后，刮板軸帶動(dòng)距離傳感器右移至垂直光束在a距離上有物體感應(yīng)（如圖2中D位置），此感應(yīng)信號(hào)被控制器檢測(cè)并作為刮板軸位置的抓取信號(hào)。
抓取到這些位置數(shù)據(jù)后，上下軸再帶動(dòng)玻璃瓶返回A位置，距離傳感器也返回C位置。然后旋轉(zhuǎn)軸將玻璃瓶順旋10度后，再重復(fù)上述過程。
按此方法，每次將旋轉(zhuǎn)軸玻璃瓶順轉(zhuǎn)10度，就掃描、抓取、存儲(chǔ)一次上下軸和刮板軸的位置。再使用這些數(shù)據(jù)，就能建立旋轉(zhuǎn)軸與上下軸、刮板軸的凸輪曲線。一般情況下，因?yàn)椴Ａ康耐庑螌?duì)稱，所以只需掃描到90度就能建立主軸旋轉(zhuǎn)360度的凸輪曲線。
3 系統(tǒng)配置
根據(jù)上述機(jī)械結(jié)構(gòu)與動(dòng)作要求，確定控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3。
圖3 控制系統(tǒng)架構(gòu)框圖
根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)需求，確定采用如下表1所示的產(chǎn)品型號(hào)及數(shù)量。該架構(gòu)中，HMI與DVP10MC11T的通訊連線有2條。一條為RS485，一條為Ethernet，分別與DVP10MC11T的PLC模塊和MC模塊連接。
表1控制系統(tǒng)產(chǎn)品型號(hào)列表
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名稱
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型號(hào)
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數(shù)量
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備注
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觸摸屏（HMI）
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DOP-B07E515
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1
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7寸以太網(wǎng)型觸摸屏
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運(yùn)動(dòng)控制主機(jī)
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DVP10MC11T
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1
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16軸總線型運(yùn)動(dòng)控制器
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輸入擴(kuò)展
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DVP16SM11N
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2
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16DI擴(kuò)展
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輸出擴(kuò)展
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DVP16SN11T
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2
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16DO擴(kuò)展（NPN晶體管）
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PLC主機(jī)
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DVP12SA211T
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1
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12點(diǎn)主機(jī),8DI/4DO(NPN晶體管)
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伺服電機(jī)
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ECMA-C20604ES
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5
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理瓶軸、橫移軸、旋轉(zhuǎn)軸、刮板軸、絲網(wǎng)軸用400W低慣量伺服
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ECMA-C20807ES
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1
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上下軸用750W低慣量伺服
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伺服驅(qū)動(dòng)器
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ASD-B2-0421-B
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5
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與ECMA-C20604ES配套
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ASD-B2-0721-B
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1
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與ECMA-C20807ES配套
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通訊線
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TAP-CB10
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5
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1m電纜，含RJ-65接頭
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終端電阻
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TAP-TR01
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2
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120Ω終端電阻
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視覺系統(tǒng)
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歐姆龍
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1
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客戶自配
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4 程序?qū)崿F(xiàn)
4.1 觸摸屏畫面編輯與操作
“印刷產(chǎn)品選擇畫面”中，右側(cè)按鈕用于選擇需印刷玻璃瓶的形狀，可選擇“橢圓”、“圓”和“方形”，左側(cè)按鈕用于進(jìn)入相應(yīng)形狀產(chǎn)品的設(shè)置畫面。以印刷橢圓型產(chǎn)品為例，圖4為“橢圓型產(chǎn)品設(shè)置畫面”。
圖4 橢圓產(chǎn)品設(shè)置畫面
在該畫面中設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，然后按下“掃描開始”按鈕，就能對(duì)橢圓型玻璃瓶外廓位置進(jìn)行掃描。點(diǎn)擊“下一頁”，可對(duì)掃描到的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。
掃描完成后，再按 “凸輪寫入”按鈕，便可將掃描到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和寫入電子凸輪表。
4.2程序編寫
DVP10MC11T的PLC模塊部分主要用于接受外部的傳感器、開關(guān)、按鈕等信號(hào)和送出輸送帶、氣缸等的控制信號(hào)，并監(jiān)視和觸發(fā)MC模塊的運(yùn)動(dòng)控制，承擔(dān)整個(gè)生產(chǎn)過程的邏輯控制任務(wù)。
而MC模塊主要用于完成印刷各軸的運(yùn)動(dòng)控制，下面主要對(duì)MC模塊的電子凸輪建立和運(yùn)作部分進(jìn)行介紹。
首先在CANpenBuilder軟件中，作運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖5。
圖5 10MC運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)組態(tài)
完成后，規(guī)劃運(yùn)動(dòng)控制程序，其中包括：伺服ON及寸動(dòng)，歸原點(diǎn)及點(diǎn)動(dòng)，配方功能，自動(dòng)絲印、數(shù)據(jù)采集與凸輪建立、各軸狀態(tài)及數(shù)據(jù)交換、橢圓相關(guān)計(jì)算、自學(xué)習(xí)調(diào)試、圓相關(guān)計(jì)算及凸輪、橫移軸及其他。
數(shù)據(jù)采集和凸輪建立：使用MC_MoveAbsolute和MC_MoveVelocity讓2、3軸按“玻璃瓶外廓位置掃描”要求動(dòng)作，檢測(cè)到感應(yīng)信號(hào)I1、I2后,讀取2、3軸位置。再使用Offset_R指令（浮點(diǎn)數(shù)變址寄存器指令）將讀取到的Position數(shù)據(jù)變址送入指定的寄存器區(qū)塊。
DVP10MC11T提供了2048個(gè)電子凸輪關(guān)鍵點(diǎn)，每點(diǎn)有4個(gè)寄存器進(jìn)行設(shè)置。如第1個(gè)電子凸輪關(guān)鍵點(diǎn)的4個(gè)寄存器編號(hào)和通訊地址如圖6所示。
圖6 電子凸輪第1個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的寄存器編號(hào)和通訊地址
這樣便可通過給關(guān)鍵點(diǎn)的寄存器賦值來動(dòng)態(tài)修改一個(gè)已經(jīng)建立且確定了凸輪點(diǎn)數(shù)的CAM表的凸輪曲線。而使用DMC_CamSet指令可激活修改后的凸輪曲線。按此方法，作出的橢圓型玻璃瓶印刷的上下軸、刮板軸的凸輪曲線如圖7、8所示。
圖7 橢圓瓶印刷的上下軸凸輪曲線
圖8 橢圓瓶印刷的刮板軸凸輪曲線
而絲網(wǎng)軸的凸輪曲線是根據(jù)觸摸屏上“橢圓周長”設(shè)置，對(duì)已建好的絲網(wǎng)軸凸輪曲線作縮放比例完成的。其返回再由定位指令完成。
自動(dòng)絲印：按下啟動(dòng)按鈕，PLC模塊在玻璃瓶定位完成和夾瓶放入旋轉(zhuǎn)軸后，便啟動(dòng)MC模塊的凸輪嚙合。這主要是對(duì)MC_CamTableSelect、MC_CamIn、MC_CamOut指令進(jìn)行使用。
其中MC_CamTableSelect指令用于選擇凸輪表，本項(xiàng)目中建立的CAM表種類包括：上下軸、刮刀軸、絲網(wǎng)軸、圓、四角瓶上下軸、絲網(wǎng)新、放大絲網(wǎng)凸輪、四邊形刮刀軸、四邊形絲網(wǎng)軸。
5 使用效果
目前該方案的應(yīng)用效果已經(jīng)得到客戶認(rèn)同，開始陸續(xù)出貨。該方案除了在玻璃瓶絲網(wǎng)印刷中應(yīng)用，還可擴(kuò)展到陶瓷瓶、塑料瓶等的絲網(wǎng)印刷及燙金機(jī)等設(shè)備的應(yīng)用。
作者簡(jiǎn)介：
譚坤鵬，男，生于1985年，畢業(yè)于重慶大學(xué)，機(jī)械電子工程。現(xiàn)任中達(dá)電通股份有限公司工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)處應(yīng)用工程師，從事PLC、HMI、工業(yè)電源、以太網(wǎng)交換機(jī)等產(chǎn)品的工程應(yīng)用和技術(shù)支持。
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