1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于三菱 PLC 吸塑成型机控制系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 随着现代控制理论的应用，微处理器和微电子技术的发展，使变频调速控制系统日趋成熟。而吸塑机作为塑料成型行业中 一种典型设备，在企业生产活动中应用广泛作用显著，故对于提高其运行效率，确保运行安全，降低人工成本是十分重要。传统的吸塑机控制系统主要采用继电器、接触器进行控制，并使用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速，这种控制系统存在可靠性差 1，故障率高，电能浪费大，效率低等缺点。因此根据吸塑成型机的运行
2、特点，将可编程序控制器与变频器结合应用于吸塑成型控制系统。 PLC 系统采用日本三菱公司产品（ FX2N-32MR），该系统大大提高了操作精度和稳定度。它的综合保护功能完善，便于及时发现、查找、处理故障，并且节约了能源。变频 器采用三菱公司 FR-A540系列产品， 变频器内部控制 的核心是 CPU 单元 ， 具有较强的运算和控制能力，能够实现参数化调速控制， 设置合理的电机运行参 数， 保证 吸塑 机各机构有较大的调速范围和较高的 温度控制 精度 。 变频器内部具有故障自诊断功能 ，能实现系统的过电压、过电流和过载保护等功能 。 本文介绍了吸塑机的成形机理及加工工艺，通过对吸塑工艺的分析结合
3、PLC 功能，完成了全自动吸塑机的开发。与以往的手动或半自动的吸塑机相比，其工作效率提高了 5 倍 6 倍。产品质量及整机的稳定性也得到了保证，同时也增加了系统的柔性。 关键词 :可编程序控制器；吸塑成型；电气控制系统 - 2 - ABSTRACT With the application of modern control theory ， microprocessors and micro-electronics technology， variable frequency speed control system to mature. The bridge crane system as
4、 a typical material handling equipment， widely used in production activities， significant effect， so to improve its operating efficiency， ensuring safe operation and reduce material handling costs is very important. The traditional bridge crane control system is mainly used for relays and contactors
5、 to control and use the communication method of winding series resistance starting and speed， there is poor reliability of this control system， failure rate， energy waste and efficiency low defects. Therefore ， under the bridge cranes operational characteristics， the combination of PLC and frequency
6、 converter used in bridge crane control system， PLC system uses the Japanese Mitsubishi companys products (FX2N-32MR)， which greatly improved the precision and stability operations; integrated protection functions and easy to detect， locate， treatment failure; and save energy. Inverter with Mitsubis
7、hi FR-A540 series inverter is a CPU core of the internal control unit， and a strong computing and control， to achieve speed control parameter， set reasonable parameters of the motor is running， ensure that the institutions crane large speed range and high speed accuracy， and can have 7 different spe
8、ed， more than the traditional cranes several speed. Inverter with fault diagnosis of internal functions， to achieve the system over voltage， over current and overload protection functions. This paper introduced the forming mechanism and working process of plastics suction machines After analyzing th
9、esuction craft， by use of programmable logic controller(PLC)， we developed an automatic pIastics suction machine Compared withthe manual or semi automatic plastics suction machines， the automatic machine not only improved the production efficiency and product quality， but increased the flexibility o
10、f the system Keywords: programmable logic controller; frequency conversion; plastics suction machine controI system - 1 - 目 录 1 绪 论 . 2 1.1 课题来源 . 2 1.2 吸塑成型 的优缺点 . 2 1.3 本课题研究意义 . 3 2.1 吸塑机 . 4 2.1.1 系统组成 . 5 2.1.2 吸塑工艺过程 . 7 3 硬件设计 . 9 3.1 加热回路子系统 . 9 3.1.1 温度采集 . 9 3.1.2 加热装置 . 11 3.2 气压子系统的设计 .
11、12 3.2.1 气动元件的选定 . 13 3.2.2 真空系统的设计 . 14 3.3 送料子系统设计 . 15 3.4 控制器（ PLC）的选型 . 16 3.4.1 FX2N 系列 PLC 结构及工作原理 . 17 3.5 PLC I/O 接口的分配 . 21 3.6 PLC 控制 系统设计 . 22 4 控制系统软件设计 . 27 4.1 程序流程图 . 27 4.2 软件的选择 . 27 4.3 上位机触摸屏界面设 计 . 28 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 30 附录 A 实验原理主电路图 . 31 附录 B 实验原理控制电路图 . 32 附录 C PLC 梯形图
12、 . 33 - 2 - 1 绪 论 1.1 课题来源 吸塑成型 工艺 ，早在 20世纪初已为人所知，但 应用 于工业 生产 还只是 20世纪40年代以后的事，而在 60年代才有较大的 发展 。近 20年来，它已发展成为加工包装 材料 的最重要的 方法 之一。这种 技术 迅速发展的原因是吸塑成型工艺及 设备 的不断创新，以及具有成型 性能 的新片 材的开发；同时也是由包装工业的发展及吸塑成型包装本身的 特点 所决定的。 吸塑成型是 塑料 包装容器最常用的成型方法之一。它是一种以热塑性塑料片材为成型对象的二次成型技术 2。在国外，吸塑成型是一种老的成型工艺，由于不断的开发和变化，目前已高度自动化、
13、 机械 化，并做到了无任何废边料产生，100%的原辅材料变成制品。全流水线生产的成型系统 工程 。 吸塑成型如今已经成为加工领域内大家普遍接受的一个术语。而压力成型是指一些特殊的利用空气压力加工过程的工艺。热成型是各种热塑性成型包含和压力，或混 合成 型的总称。 1.2 吸塑成型的优缺点 判断任何一种加工生产工艺过程是否成功，要与另外一种加工方法相比，用该种方法生产的制品的成本是否合适；或者是这两种方法生产的制品成本相同，但用这种方法生产的制品质量得到改进。在许多应用方面，注射模塑成型或吹塑成型都与吸塑成型相竞争。 但就包装技术而言，除非是用纸板作为包装材料，否则吸塑成型技术是没有其他加工方法
14、能与之相竞争的。吸塑成型主要的优点是它的工程经济性。成型 复合 片材、发泡片材和印刷片材的制品，以适当改变模具来代替变化吸塑成型机械。壁很薄的制品可以用高熔体黏度的片材吸塑成型，而注射相同壁恒则需要低熔体黏度的粒料。对于少量的塑件，有利的模具成本是吸塑成型的又一优点 3，而对大批量的制件，制品能达到非常薄的壁厚及吸塑成型机器的高产出比则非常有利。 - 3 - 吸塑成型可生产的最小制件是药片的包装材料或首表用的电池，也可以生产非常大的制品，比如 3 5m长的花园水池。成型材料的厚度可以从 0.05 15mm ，对于发泡材料，厚度可达到 60mm 。任何一种热塑性塑料或具有相似性能的材料都可以进行
15、吸塑成型加工。 吸塑成型所用的材料是厚度为 0.05 15mm的片材，这些片材是用粒料或粉料制得的半成品。因此，与注射成型相比，吸塑成型的原料会增加额外的成本。 在吸塑成型时需要对片材进行切割，这将会产生边角料。将这些边角料粉碎后，与原来的材料相混，可再一次制成片材。 在吸塑成型中，片材只有一个表面与吸塑成型模具相接，因此只有一个表面与吸塑成型模具几何尺寸相一致，制品另外一个表面的轮廓是由牵伸得到的。 1.3 本课题研究 意义 塑料是当今世界各国国民经济各个部门及人们生活领域中广泛使用的一种新型结构材料，世界各国政府特别是一些工业发达国家，如德国、美国、意大利、日本等国政府都非常重视和支持塑料
16、机械的发展。但同时应该引起我们足够重视的是，国外许多知名的塑料机械生产企业，正看好我国这个唯一剩下的世界最大的塑料机械市场，纷纷在我国投资办厂。 据不完全统计，江浙地区已经投资落户的外国企业有日本东芝、加拿大HUSKY、日本法那克、日本宇部、三菱重工、日本住重机械、德国德马格等，其余的还有韩国 LG、韩国的东升、日本日精、奥地利恩格尔也正 在计划之中。国外企业纷纷登陆，虽然对我国塑料机械的发展将起到积极的作用，但同时也将会威胁缩小国产塑料机械市场的空间，将对国内塑料机械生产企业、对我国塑料机械行业是一个严峻的挑战。 因此，设计出具有自主知识产权的的吸塑成型自动系统是十分必要和迫切的，在基于塑料
17、片吸塑成型工艺及流程控制技术的学习和研究，本文旨在设计出一种吸塑成型机控制系统，完成成型设备的电气控制系统的设计，使系统控制可靠稳定，工效高，成本低廉。本论文就是研究采用先进的可编程控制技术（ PLC），变频器进行变频调速，进而实现了吸塑机的半自动化控制 ，且使线路更为简单 ，原控制器线路用接触器大为减少 ，从而减少故障发生的因素。 - 4 - 2 吸塑机工艺 2.1 吸塑机 吸塑机（又叫热塑成型机）是将加热塑化的 PVC、 PE、 PP、 PET、 HIPS等热塑性塑料卷材吸制成各种形状的高级包装装璜盒、框等产品的机器。利用 泵产生的吸力，将加热软化后的 PVC、 PET等热可塑性塑料片材经
18、过 模具 吸塑成各种形状的罩 、吸塑托盘、泡壳等 4。 吸塑成型机原理：吸塑成型又叫热塑成型，这种成型工艺主要是利用真空泵产生的真空吸力将加热软后的 PVC、 PET、 PETG、 APTT、 PP、 PE、 PS1等热可塑性塑料片材经过模具吸塑成各种形状的真空罩。 吸塑成型机结构和传动 如图 2-1所示， 自动高速 吸塑成 型机主要是由塑片的传送机构、加热和成型机构、伺服切片机构等组成。送片机构中变频电机带放送片轮，并保持一定的线速度，将塑片均匀地水平送出。加热和成型机构中下模上升，同时，上模下降，对 塑片 进行加热成型；接着上下模各自分离，使成型后塑片能出模。伺服电机驱动丝杆对成型塑料片进
19、行 精确定位 切片。 图 2-1 吸塑成型机示意图 1送片机构 2 塑片 3、 4 加热器和模具 5成型后产品 6、 7、 12 气缸 9- 5 - 切片机构 10、 11 伺服机构 吸塑 片加工的质量和效率取决于塑料片、加热器和环境的要素。吸塑片主要聚乙烯，厚度 0.10-1.00 毫米、尺寸 60X80， 80X100。加热器是由电砖块和模具组成，其上下模具均由传热良好铜材料制成。 2.1.1 系统组成 一、夹紧设备 塑料片材成型时，片材被固定在夹紧装置上。在热成型的通用型和复合型的热成型机上多采用便于固定各种尺寸片材的夹紧装置。有的是整个成型机配一套夹紧框架。 夹紧装置可分为两类：一类是
20、框架式，另一类是分瓣式。框架式夹紧装置由上、下两个框架组成。片材夹在两个框架之间。框架打开时，下框架一般保持 固定状态。各种类型单工位成型机上框架的下部直接固定在成型室上。用手装型坯和成品取出的手动和半自动成型机上，当框架尺寸很大时，都装有在框架打开范围内的安全操作装置。对成型滑移性较大的型坯，要求夹紧力能在比较宽的范围内调节，为此，采用两个包胶辊，用弹簧相互压紧，并配有压力调节装置。连续拉片成型机的夹紧是两边拉链与前后闸的共同作用。夹紧装置最好采用自动控制，以期动作迅速，可有助于提高制件质量和效率。 二、加热设备 热塑性塑料片材和薄膜的 真空吸塑 成型过程，主要工序之一就是片材加热。电加热的
21、持续时间和质量取决于加热器的结构，辐射表面后温度传热的热惯性，片材与加热器间的距离，辐射能吸收系数，加热器表面的特性以及材料的热物理性能。常用的加热器有电加热器、晶体辐射器和 红外线加热器 。 三、真空设备 真空系统由 真空泵 、储气罐、阀门、 管路 以及真空表等组成，在 真空成型 中常采用单独机型真空泵，此种泵的真空度应达到 0.070.09 Mpa（ 520mmHg）以上。储气罐一般是 用薄钢板焊接的圆柱形箱体，底是椭圆形的。蓄气罐的容量至少应比最大成型室的容量大一半。真空管路上，必须装有适当的阀门，以控制真空窄- 6 - 容量。 真空泵的转动功率由成型设备的大小和成型速度决定，较大或成型
22、速度较快的设备常用大至 2-4KW的。真空中央系统的大小视工厂具体生产和发展的要求而定。 四、压缩空气设备 气动系统 可由成型机自身带有压缩机、储气罐、车间主管路集、 阀门 等组成。成型机需要压力为 0.4-0.5MPa的压缩空气，各种真空吸塑成型机广泛采用 活塞式空气压缩机 。也可以用大型的螺旋式空气压缩机整厂供给。 压缩空气除大量应于成型外，还有当一部分用于脱模、初制品的外冷却和操纵模具框架和运转片材等机件动作的动力。 五、冷却设备 为了提高生产效率，真空吸塑成型制品脱模前常需进行冷却。理想的情况是制件与模具接触的内表面和外表面都冷却，而且最好采用内装冷却盘管的模具。对于非金属模具，如木材
23、、石膏、 玻璃纤维增强塑料 、环氧树脂等模具，因无法用水冷，可改用风冷，并可另加水雾来冷却真空吸塑成型制件的外表面。 生产中若采用自然冷却可以获得退火制件，有利于提高制件的耐冲击性。用水冷却虽然生产效率高，但制件内应力较大 。 六、脱模设备 脱模是将制品移出模外，通常无论是凹模还是凸模，多数场合是由于制品冷却收缩而贴紧模具，所以通过真空吸引孔或向相反方向吹风使之脱模。 尤其对于脱模斜度小的或有凹模的模具，同时使用脱模机构顶撞或震荡脱模，有时在片材上和模具上涂抹脱模剂或模具表层喷涂特氟龙处理。 七、控制设备 控制系统一般包括对真空吸塑成型成型、整饰等过程中包括仪器、仪表、管道、阀门各个参数和动作
24、进行控制。控制方式有手动、电气 -机械自动控制、电脑控制等，具体选用要根据最初投资人工费、技术要求、原料费用、生产和维修设备费用等因素综合 考虑。 - 7 - 2.1.2 吸塑工艺过程 吸塑机是利用真空和不同的模具将各种经过预热的片材加工成不同形状的塑料制品的设备 5，主要用于热塑性片材 (聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯等 )的成形加工。其制品主要用于玩具、五金、电子、食品、小百货等的塑料包装，也可用于透明的塑胶覆体包装。真空吸塑具有生产效率高、设备简单、成本低等优点，因此得到了广泛的应用。真空吸塑成形的大致过程为：夹紧片材并加热；将片材置于真空吸塑模上；将真空吸塑模内抽成真空，
25、使片材吸贴在模内而成形；充分冷却；用压缩空气将模内制品吹 出。 吸塑的工艺过程为：上片、片材预热、电机送片到位后停止、上模、压片下行，下模上行到位后均压保持、真空电磁阀动作开始抽气、停止抽气、上模复位、冷风电机动作、冷风停止，反风电磁阀动作反风开始一反风停止、压片复位、下模复位并卸料。为了确保吸塑机的安全生产，本机设有下行到位检测，只有下模下行到位后，新的工作流程才能开始。为确保上片的质量，保证送片时片材不至于走偏。本设计中设有纠偏机构，这样就有效地防止了片材走偏现象的发生。上片时塑料片材展平后经轨道两侧的传动链条被送人加热单元，加热单元的温度应根据片材的不同而设 置。加热单元与片材之间的距离
26、要适中，既要保证片材受热均匀又要防止热量的流失。 (1) 送片：片材预热完后被送至加工部位，电机送片的行程依据模具约大小而定。将模具的长度折算成电机应转的脉冲数后送人 PLC，则 PLC中的高速计数器通过检测电机走过的脉冲来确定送片的长短。 (2) 合模：片材到位后，上模、压片、下模动作，将片材固定在模具上。使用上模的目的是使一些复杂的型面能够更好地成形，因此对于简单的易成形的型面可以不用上模，此时可以通过 PLC来完成上模的锁定。 (3) 抽气：合模工步完成后，真空电磁阀动作将塑料片 材与模具型面之间抽成负压，使片材在足够的压力下延伸成形。抽气孔的位置应位于片材与模具成形面最后接触的部位，抽气孔应相对集中。分布均匀。 (4) 上模复位：如果用到上模，上模先复位后再送冷风。对于简单的型面该步跳过不执行。 (5) 冷风：冷风是为了使制品快速冷却，以保证片材在型腔内更好更快地成
