电容器垫片自动印字机控制系统的研制

0 引言

电容器是电子设备中大量使用的电子元件之一，通常起隔直、滤波、调谐、旁路、耦合、去耦、转相等作用。大型铝电解电容器在制造过程中往往在外部包覆一层热缩套管，底部则放置一层垫片，其材料一般为PVC、PET、聚烯等，电容器的生产批号等参数则采用烫印方法印制在底板垫片上。目前，由于缺少专用的自动化生产设备，国内电容器生产企业在电容器垫片烫印过程中，往往采用的是手工方式，这势必会引起产品质量不稳定，同时生产效率较低。为了满足电容器企业现代化生产的需要，我们开发了一套电容器垫片自动印字设备。

1 技术指标及控制要求

1）垫片材质：PVC、PET、聚烯；垫片尺寸：厚度0.5mm±0.05mm，直径Φ35-Φ100mm；

2）中心无孔垫片印字位置为其中心，带孔垫片印字位置尽量靠近中心孔，质量要求反面无印痕，字体清晰；

3）烫印头加热温度0-300℃连续可调，恒温精度±5℃；

4）烫印时间0-2秒可调；

5）烫印头气缸行程可调；

6）设置两个通道，可同时加工两种规格尺寸的垫片；可快速更换不同规格尺寸的产品；

7）两通道独立控制，可自动烫印、单只烫印及单动调整，两通道同时工作时节奏同步；

8）各通道烫印速度不低于1200片/小时。

2 整机结构组成及功能

图1为电容器垫片自动印字机的实物照片。整机设置前后两个通道，期结构主要由推料部件、烫印部件、拾取部件、PLC控制系统、气动系统、人机界面、传感器及机体等构成。推料部件的功能是将叠放在料筒中的圆形薄垫片一片一片推出，送至烫印工位，同时将在烫印工位已完成烫印的垫片送至拾取工位，完成拾取动作后再退回起始位。烫印部件的功能是在烫印头模具已加热到设定温度的条件下，对处于烫印工位的垫片实施烫印。拾取部件的功能是采用真空吸盘对送至拾取工位的垫片进行拾取，并放入集料筒。PLC控制系统实现对烫印头模具的温度控制以及有关工作气缸、真空吸盘的动作控制。气动系统则接受PLC的程序指令，执行有关运动动作。人机界面的功能是对烫印参数进行设置以及有关操作控制。

图1 电容器垫片自动印字机实物图

1.机体 2.人机界面 3.推料部件4.料筒 5.烫印部件 6.拾取部件

3 控制系统硬件设计

3.1 温度控制系统设计

电容器垫片的烫印通常采用正烫印方法，即采用正性雕刻金属印模（标记文字凸起），通过加热使其达到适当温度，在一定压力作用下与电容器垫片接触并保持一定时间，使电容器垫片表面留下相应标记。烫印质量取决于压力与热的综合作用效果，其中温度与烫印接触时间是最重要的因素。温度太低或者接触时间太短，垫片表面尚未塑化变软，不能形成清晰的标记；温度太高或者接触时间太长，会塑化过度，使烫印标记变形或塌软[1]。为此需要对烫印头模具温度及烫印时间进行精确控制。

本设备的温度控制采用三菱公司的FX2N-2LC温度调节模块[2]，通过嵌入两只烫印头中的热电偶、加热管进行温度检测与控制，从而精确控制烫印头的模具温度。图2为温度控制电路图。

图2 温度控制电路图

4.2 运动控制系统设计

本设备的运动包括推料部件的左右移动、烫印部件的上下移动、拾取部件的上下移动以及垫片的吸取释放动作四大部分，根据工作需要，分别采用双行程直线气缸、可调行程直线气缸、普通单行程直线气缸以及真空吸盘来执行。

PLC控制系统的核心采用三菱公司的FX1N-60MR主模块[3]。各直线气缸相应的行程位置检测接近开关、料筒有无料传感器、烫印工位有无料传感器以及计数传感器接入PLC的输入端口，各直线气缸、真空吸盘驱动用电磁阀及指示灯接入PLC的输出端口。表1为PLC控制系统I/O地址分配表。

表1 PLC控制系统I/O地址分配表

4 控制系统软件设计

4.1 PLC控制程序设计

电容器垫片自动印字机的核心控制任务是烫印头模具的温度控制、各气缸的运动以及真空吸盘的控制。图3为单一通道的自动烫印程序控制流程图。

温控模块FX2N-2LC是三菱FX系列PLC是扩展模块，具有两通道温度检测与控制功能。其内部集成了简单的通断控制算法和较复杂的PID参数控制算法。本系统中采用PID参数自动调节算法，即根据温度给定值与测量值之间的误差大小及变化趋势，自动调节P、I、D三个参数值，通过OUT端口控制固态继电器SSR在设定控制周期内的开通度，从而达到满意的温度控制精度。有关温控设定值及实际测量值通过缓冲存储单元BFM的FROM、TO指令实现温控模块与PLC主模块之间的读写操作。

运动控制程序可采用三菱FX系列PLC的顺序控制指令或步进指令来编制。须保证前后两个通道可独立控制相应运动，同时当两通道同时工作时又要保持其动作协调性。编程软件采用三菱FXPCS-WIN-C3.3C，具体程序这里不再赘述[4]。

图3 自动烫印程序控制流程图

3.2 人机界面操作画面设计

人机界面是人机交互的窗口，本系统选用三菱公司的GT1150-QLBD-C人机界面，操作画面采用GT Designer2软件进行设计 [5]。其与个人电脑间的画面程序写入与读出通过RS-232C接口完成，与PLC间的数据通信通过RS-422接口完成。本系统操作界面分三个层次，第一层次为“操作主画面”，可选择相应加工通道，进入下一层次操作画面；第二层次为“前侧通道”和“后侧通道”的具体操作画面，可进行烫印参数设置、选择相关按键操作及显示有关加工参数；第三层次为“前侧通道单动”和“后侧通道单动”操作画面，可单独对相应通道推料气缸、印字气缸、拾取气缸及真空吸盘进行点动控制操作，主要用于检测调整。图4为前向通道的具体操作画面。

图4 前向通道操作画面

5 结束语

本文介绍的电容器垫片自动印字机采用先进的PLC控制技术，实现了电容器垫片烫印生产的自动化，同时对料筒有无料、烫印位有无料具有自动检测及报警功能，拾取位具有计数功能，烫印温度、烫印时间、烫印只数可在一定范围内任意设定。该设备具有控制可靠、参数设置方便、产品更换快速、适应性强及操作简便等特点。自投入企业生产以来，显著地提高了产品质量及生产效率，大大减轻了操作人员的劳动轻度，完全满足企业自动化生产的需要。该技术可推广应用到包装、印刷等领域。