胸章機的自動控制裝置設計*

黃銘科，謝曉紅，曾齊高，李清遠，何承衛

（1.深圳市龍崗職業技術學校，廣東 深圳 518172；2.深圳子言科技文化有限公司，廣東 深圳 518172；3.廣東省機械技師學院，廣州 510450）

0 引言

胸章機即胸章制作機，是一種小型的機電氣一體化的設備，配合不同的胸章材料就可以制作各種個性胸章。具有操作簡單，輕巧美觀，占地面積小，可流動作業，手工操作簡單易學等特點。胸章機可進行批量生產，操作省力、簡單。將本人或明星、朋友、同學、愛人的照片制成新穎、別致、個性十足的時尚飾品，人見人愛，價格低廉的產品，人人消費的起的產品。

本文結合傳統手工胸章機，引入自動控制元素，設計了一款自動控制的小型胸章機。該機構涵蓋電氣安裝、機械工程、氣動以及機械裝調等技術技能，可供機電一體化產品設計人員和院校師生參考[1]。

本文根據技術圖紙和控制要求，設計機械裝置，通過車床、銑床等設備完成機械的各種零件加工，將各加工完成的零件與標準件進行機械組裝與裝置調試；設計氣動回路系統，選用相應的氣動閥、氣管及器件，采用規范的安裝及調試工藝完成氣動系統回路連接安裝；設計電氣控制系統原理圖和控制系統I/O 分配表，選取合適的導線和輔件，規范完成電氣元件布局安裝及電氣控制回路、氣動電磁閥與相應控制單元的PLC 輸出端進行連接調試工藝，并完成各執行部件動作功能測試。

1 裝置總體結構方案設計

胸章機作為典型的機電一體化設備，包括機械結構部分、自動控制部分組成[2]。胸章機的機械結構主要由送料單元、沖壓單元和卸料單元組成。主要的工作過程為送料單元在初始位置，下模1 型腔座中放上要制作的原材料（1.鐵蓋；2.個性化圖片；3.透明膜），送料氣缸伸出到工作位置，沖壓氣缸沖壓到底，完成沖壓后縮回原位，然后下模2 放上塑料底和別針，送料氣缸縮回原位，沖壓氣缸再次沖壓到底，完成沖壓后縮回原位，最后送料氣缸伸出到工作位置，卸料機構電機旋轉一圈，將制作好的胸章卸料在料盤，下料機構電機旋轉到原位，送料氣缸縮回原位。結構如圖1所示。

圖1 胸章機結構

2 控制系統設計

胸章機控制系統包括氣動控制系統和電氣控制系統等組成，設備在運行時，電動機、運動氣缸等按照預設的程序流程先后順序動作，具有運行效率高、響應速度快、穩定性好等特點[3]。

2.1 氣動控制系統

氣動技術在機械、電子、鋼鐵、運輸車輛、橡膠、紡織、輕工、化工、食品、包裝、印刷、煙草等各個制造行業，尤其在各種自動化生產裝備和生產線中得到了廣泛的應用，成為當今應用最廣，發展最快，也最易被接受和重視的技術之一[4]。

氣動控制系統具有容易實現自動化的工作循環。氣體的壓力、流量和方向控制容易。與電氣控制相配合，可以方便地實現復雜的自動工作過程的控制和遠程控制，氣壓傳動工作介質用之不盡，取之不竭，且不易污染等一系列的優點，所以文中采用氣動系統作為裝置的執行元件。

（1）氣動控制流程

根據胸章機的控制要求以及氣動系統的原理，該設備的氣動系統原理如圖2 所示，圖中電磁閥線圈的通斷由PLC 程序控制進而可自動實現每個工位上各個氣缸所帶的工作機構完成相應的直線運動。

圖2 氣動回路系統原理

（2）氣動控制系統要求

74 SOCS1、SHP1 在 JAK2V617F 突變陽性骨髓增殖性腫瘤中的表達及魯索替尼的調控作用 謝旭磊，楊圣俊，郝洪嶺，王素云，王紅杰，齊 峰，成志勇，劉貴敏

①根據執行部件位置，選用合理的氣動閥及器件，完成氣動回路的安裝與調試。

②調節相應的氣動元件至氣動系統壓力為（0.45 ±0.02）MPa。

③送料氣缸具有慢速伸出功能、快速縮回功能。

④沖壓氣缸沖壓到位無桿腔壓力為（0.4±0.02）MPa。

2.2 電氣控制系統

2.2.1 硬件設計

（1）總體要求。根據胸章機的控制要求，電氣控制系統的設計包括硬件設計以及程序設計等組成[5]。文中電氣控制系統主要分為主電路和控制電路兩部分，主電路選用低壓斷路器，型號DZ47-60。低壓斷路器作為整個控制電路的總開關，當低壓斷路器接上時，外部220 V 電壓通過開關電源轉化為系統所需要的24 V 和0 V電壓傳輸給系統中其他元器件。

（2）PLC 系統選擇。本文的控制系統選擇可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為控制設備，PLC 是專業為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置[6],文中選用西門子（logo！12/24RCE）PLC 為整個系統的控制器，但由于PLC 本身的輸入輸出點不足，故采用DM8 24R 模塊來增加輸入輸出點，兩者間利用接口完成信號對接，具體控制電路圖如圖3 所示。端子排X1 作為24 V、0 V 使用；開關電源則是起到將交流電轉為系統所需要直流電作用，開關電源大致由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源四大部分組成。logo！12/24RCE 系統I/O 分配如表1 所示。

表1 控制系統I/O分配表

圖3 電氣控制系統原理（主模塊、拓展模塊）

按照裝置的任務要求，設計PLC 程序工作流程如圖4所示。

圖4 工作流程

2.2.3 控制系統PLC程序設計

（1）系統控制要求。根據設備及工業氣動元件的任務要求，編寫PLC 控制程序，控制送料單元、沖壓單元和卸料單元，把設計好的程序傳入PLC，控制要求及功能要求如表2所示。

表2 控制要求說明

（2）自動運行功能編程說明。胸章機運行時分手動運行功能和自動運行功能，自動運行功能流程如下：首先將胸章的原材料放入下模1 型腔座中，材料從底端往頂部堆放的順序為：胸章殼、圖片、透明膜，按下啟動按鈕SB3→綠色指示燈常亮、送料氣缸均速伸出→送料氣缸伸出到工作位置→延時1 s→沖壓氣缸均速沖壓→沖壓氣缸沖壓到底→延時2 s→沖壓氣缸快速縮回→沖壓缸縮回到位→動作暫停，黃色指示燈以0.5 Hz 頻率閃爍，等待啟動，放原材料（帶別針的胸章背面）到下模2 型腔座中→再次按下啟動按鈕SB3→黃色指示燈滅，送料氣缸均速縮回→送料氣缸縮回到位→延時1 s→沖壓氣缸均速沖壓→沖壓氣缸沖壓到底→延時2 s→沖壓氣缸快速縮回→沖壓缸縮回到位→延時1 s→送料氣缸均速伸出→送料氣缸伸出到工作位置→延時1 s→卸料電機旋轉一圈，將制作好的胸章卸料在料盤→卸料電機旋轉到原位→送料氣缸均速縮回→送料氣缸縮回到位→胸章制作完成、自動運行結束，綠色指示燈以2 Hz 頻率閃爍。圖5所示梯形圖為裝置自動運行功能的部分控制程序。

圖5 部分PLC控制程序

3 整機調試與運行

（1）機械裝置組裝與調試。根據設計機械裝置、技術圖紙和控制要求，通過使用車床、銑床等設備完成機械的各種零件加工，將各加工好的零件與標準件（送料氣缸、沖壓氣缸和電機）、螺絲、銷等相應的配件進行機械裝置的組裝與調試，使機械裝置達到規定的動作要求[7]。

（2）氣動控制系統調試。結合氣動回路系統原理圖，選用相應的氣動閥、氣管及器件，采用規范的安裝及調試工藝完成氣動系統回路連接安裝，并進行調試，調節供氣系統工作壓力為（0.45±0.02）MPa，氣動回路中送料氣缸、沖壓氣缸能實現規定動作。

（3）PLC、電氣系統安裝與調試。結合電氣控制系統原理圖或控制系統I/O 分配表，選取合適的導線和輔件（電源開關、低壓斷路器、PLC、中間繼電器、指示燈、按鈕開關等），規范完成電氣元件布局安裝及電氣控制回路、氣動電磁閥與相應控制單元的PLC 輸出端進行連接調試工藝，并完成各執行部件動作功能測試[8]。

綜合氣動回路系統原理圖，電氣控制系統原理圖，控制系統PLC 程序設計，并將電腦編寫的PLC 程序下載到PLC 中，進行整機調試與運行。實現機械裝置的各類氣缸和電機將依次動作，首將胸章的原材料放入下模1型腔座中，材料從底端往頂部堆放的順序為：胸章殼、圖片、透明膜。按下啟動按鈕SB3，綠色指示燈常亮、送料氣缸均速伸出到工作位置，延時1 s，沖壓氣缸均速沖壓到底，延時2 s，沖壓氣缸快速縮回到位，動作暫停，黃色指示燈以0.5 Hz 頻率閃爍，等待啟動，放原材料（帶別針的胸章背面）到下模2 型腔座中，再次按下啟動按鈕SB3，黃色指示燈滅，送料氣缸均速縮回到位，延時1 s，沖壓氣缸均速沖壓到底，延時2 s，沖壓氣缸快速縮回到位，延時1 s，送料氣缸均速伸出到工作位置，延時1 s，卸料電機旋轉一圈，將制作好的胸章卸料在料盤，卸料電機旋轉到原位，送料氣缸均速縮回到位，胸章制作完成、自動運行結束，綠色指示燈以2 Hz 頻率閃爍。完成一個加工動作循環，并能直接應用于自動化生產胸章，設備樣機如圖6所示，胸章機生產產品如圖7所示。

圖6 胸章機樣機

圖7 胸章機產品

4 結束語

胸章機是一種典型的機電氣一體化的設備，本文詳細闡述了該設備的總體設計方案，包括機械裝置部分、自動控制裝置等。文中解決了胸章機自動控制裝置的設計與開發，包括基于PLC 的電氣控制系統和裝置執行機構氣動系統等硬件部分的設計，同時也完成了PLC 的程序設計，并進行了調試與實驗，設備能夠實現自動制作胸章的功能。本文自動控制裝置設計提供一種既自動又能手動控制的兩種模式下自動完成胸章的制作過程，可避免手動操作力量不足、包邊脫落等質量不符合，或操作時手指夾傷等意外安全事故發生的問題。