西门子6ES7331-7NF00-0AB0使用手册

：针对预灌封注射器装巢工序中需要人工把注射器针管摆放进托盘巢孔存在的效率较低、劳动强度较大等问题，在分析装巢工序的动作控制要求和计算定位速度、加速度参数的基础上，设计了自动进料分料和X 、Y数控定位的机械结构，采用PLC定位模块控制伺服驱动器以位置控制模式驱动电机运转实现工作台运动控制，PLC主机控制装巢机落料机构的运动，以触摸屏显示装巢状态信息和操作控制，文中给出了系统硬件电路和软件设计。结果表明，该系统的装巢速度可达到 100 支 / 分钟, 装巢定位精度优于 0.01mm，能够实现注射器针管高速准确无误自动装入托盘巢孔，实现自动化生产。

　　关键词：预灌封注射器 托盘 数控装巢机 定位模块PLC

　　预灌封注射器作为一种新型的注射器，药液直接灌装在注射器中，使用十分方便。它的生产流程一般是注射器针管成型、退火、插针、清洗硅化、装巢、消毒灭菌、成品库等几个工序。目前，预灌封注射器生产线主要由 BD 公司、INOVA 公司、博世集团、Groninger 公司等几大公司生产[1]，但是他们供应的生产线中注射器针管成型机、装针机、清洗灭菌机、灌装机都是独立的，这就造成在注射器针管成型、清洗硅化工序完成以后需要工人首先对自己双手以及夹持注射器针管的夹具进行严格的消毒与灭菌，然后人工把无菌的注射器半成品放到蜂窝状的托盘中，效率较低，工人的劳动强度较大。

　　针对上述注射器装巢工序中存在的问题与不足，开发注射器针管自动装巢机就变得十分的必要与迫切，为了实现玻璃注射器自动装入蜂窝状托盘中，笔者设计了注射器针管数控装巢机，它能够提高注射器针管摆放效率、降低人工劳动强度，满足注射器安全、高效、无污染的生产。

　　1工作原理与参数计算

　　1.1 工作原理

　　数控装巢机主要包括以下几个部分：机床床身、落料机构、工作台运行机构、数控系统、动力源等。数控装巢机的工作原理是装巢机的伺服机构在数控系统的控制下带动工作台按照程序预定轨迹运行到落料机构的出料口，然后落料机构再把注射器针管从进料口送到出料口下放到蜂窝状托盘的巢孔中，然后工作台与落料机构重复上述动作实现自动装巢，X、Y 工作台采用脉冲加方向的控制方式[2]。

　　1.2 参数计算

　　数控装巢机的技术指标：(1)X 轴工台行程 380mm;(2)Y 轴工作台行程 350mm;(3)机床运行速度 3m/min，加速度不小于 0.3 m/s2。针对上面的技术要求，对于电机的控制我们采用位置控制模式，我们知道在伺服电机控制中方向和转角的控制较简单，但是速度控制是很复杂的，在设计时需要计算发送脉冲的频率。为了使电机在运行中不出现失步或超步的现象，控制脉冲的频率一般要小于(或等于)电机的响应频率[2]。一个静止的电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，一般来说，升频的时间约为0.1~1s 之间。同样，在降速时也不可能马上就停下来。因此，在控制的过程中运行速度我们采用 T 型曲线模式即升速—恒速—降速—停止模式。由于托盘 X 方向相邻两个巢孔的间距为 18.5mm，Y 方向相邻两个巢孔的间距为16.5mm，这就要求jingque计算装巢机每走一个工步 PLC 定位模块发送脉冲的数量、高速度下发送脉冲的频率以及加速度计算。下面给出每走一个工步 PLC 定位模块发送脉冲的具体的计算过程：

　　(1)脉冲数量计算：首先根据脉冲计算公式(1)：

　　其中：pos 为 PLC 定位模块发送的脉冲数;m 为伺服驱动器的指令脉冲倍频;p 为电机每转脉冲数;s 为巢孔间距;L 为丝杠螺距。

　　由于我们选用松下 A4 系列 MADDT1205 型号的驱动器与松下的 MSMD022P1 型号的交流伺服电机，通过查询我们知道 m=4;p=2500，丝杠螺距为 5mm/r，经过计算可得到 X 轴方向与Y 轴方向每一步 PLC 发送的脉冲数posx=37000，posy=33000。

　　(2)脉冲频率计算：为了提高效率，我们把 X、Y 轴的速度设置一样，根据设定速度 V 与丝杠导程 L 通过公式(2)计算出丝杠速度 V

　　其中：Vs为丝杠转速。又由于电机与丝杠的变比为 n，电机每转脉冲数为 p(pulse)，伺服驱动器的脉冲倍频为m，可以通过公式(3)计算出控制器脉冲发送频率 Vel。

　　其中：Vel 为脉冲发送频率。由于电机与丝杠的变比n=1;m=4;p=2500;设计速度 V=3m/min，丝杠 螺 距 L 为5mm/r，把数据带入公式(3)可计算的：Vel=100000。

　　(3)脉冲加速度计算

　　根据技术要求，折算到电机轴的大负载转矩是 TL是 0.1N·m，电机产生的大转矩 TM 是 1.91 N·m，折算到电机轴的转动惯量是 J 是 0.15×10-4kg·m2，所以根据机电传动运动方程式：

　　其中：TM为电机产生转矩;TL为折算到电机轴上的负载转矩;J 为传动系统的转动惯量;ε 为角加速度。可以计算出电机的允许的大角加速度 ε 为 80m/s2。根据公式(5)可以计算出丝杠轴的加速度 as。

　　其中：a 为系统加速度。由于电机与丝杠的变比为 n，电机每转脉冲数为 p(pulse)，控制器的脉冲倍频参数为m，所以控制器发送脉冲加速度 acc 为：

　　为了保证加工的效率，根据我们的设计要求加速度不小于 0.3 m/s2，我们选取加速度 a 为 0.495m/s2, 带入公式(6)求得 acc 为 990000。加速度这个参数是用户不能够改变的，只有设计人员可以设置改变。

　　由于我们选用 DVP12SC11T 型号的 PLC 作为控制核心，该型号 PLC 内部集成定位模块，该定位模块速度走梯形曲线，加速和减速时是同样斜率，加速和减速阶段分成十段来完成，通过分析上面计算结果与 PLC 定位模块的性能，我们可以绘制速度 T 型曲线图如图 1 所示，由图 1我们可以得到加速度和减速时间都是 0.1s，脉冲高发送频率为 100000Hz。

　　2设计方案

　　设计方案采用 PLC 为数控系统的核心控制器件，机械部分采用龙门式结构与 X、Y 工作台的形式实现注射器针管的自动装巢。为了实现托盘与落料机构的相对直线往返运动，将落料机构固定在龙门上，托盘放置在工作台上，由工作台带动托盘作直线往返运动;落料机构采用旋转电磁铁带动旋转机构旋转，实现注射器针管下放。设计方案框图如图 2 所示。

　　3机械部分设计

　　数控装巢机所要实现的是将送料机构送来的注射器针管逐个装入托盘巢孔中。其机械结构装配图如图 3 所示。X 轴电机 5 通过联轴器带动 X 轴丝杠运动，然后带动X 轴工作台 2 运动，由于 X、Y 轴组成一个十字滑台机构，所以它们一起运动，当需要 Y 轴运动时 Y 轴电机 6 通过联轴器带动 Y 轴丝杠运动，从而使 Y 轴工作台运动，由于托盘是固定在 Y 工作台 3 上，所以工作台的运动使托盘的巢孔到达落料机构出料口下方，实现巢孔准确运动到落料机构出料口。落料机构 1 是通过旋转电磁铁带动落料桶中的旋转架旋转拨动注射器针管使其从落料口落下。

　　4硬件电路设计

　　装巢机的控制部分主要是 PLC 控制伺服电机带动工作台运动，以及控制旋转电磁铁带动落料机构运动实现落料。装巢机的硬件电路连线图如图 4 所示。在装巢机电路设计中定位控制是关键， 我们选用台达公司的DVP12SC11T 型号的 PLC 作为控制核心，DVP12SC11T 型号的 PLC 为 12 点 (8 输入点、4 输出点)PLC 主机并具有高速脉冲输入(X10、X11)及输出(Y10、Y11)，单一输入或输出高可达 100KHz，提供定位控制及原点复归指令[3]。

　　根据装巢机的硬件连线图我们可知道 PLC 主机的输入输出点数不够用，我们扩展一个 I/O 模块 DVP16SP11R，该模块具有 8 输入点 8 输出点,PLC 的 I/O 地址分配表如表 1所示。由于工作台上只放蜂窝状的塑料托盘，负载很小，我们就选用松下 A4 系列 MADDT1205 型号的驱动器与松下的 MSMD022P1 型号的交流伺服电机。在伺服控制器的控制模式我们选择位置控制模式，接线如图 4 所示，主要控制信号线有伺服使能 SRV-ON、伺服报警 ALM+、报警清除 A-CLR、指令脉冲 PULSE+、PULSE-、指令方向 SIGN+、SIGN- 等信号线[4]。上位机我们采用台达的 DOP-B07S201型号的上位机触摸屏，它支持多种厂家的 PLC 控制器、支持 bbbbbbs 风格的界面编辑、支持 USB 上下载、便利的配方功能等，使用十分方便。