基于PLC的丝网印刷机控制系统

基于PLC的丝网印刷机控制系统
摘要
由于丝网印刷在基板的大小和形状方面没有限制，可适应油墨，印刷油墨层厚度可调的特性而被广泛使用，因此，对开发操纵精度高，性能高，操作简易方便的丝网印刷机是专门有必要的。

在本文要紧介绍采纳高性能的三菱PLC对原有老旧的丝印机电气操纵系统进行设计改造的过程。

在开发之前，对丝网印刷机的工作流程进行了详细分析，进而明确了操纵系统的任务，再从硬件和软件两个方面进行改造。

在硬件设计方面，本文采纳了三菱FX系列的PLC，其中选择了高性能的微处理器FX2N，并对其余各个模块进行了准确选型，完全满足了设备的要求，详细设计了触摸屏、电气原理图与PLC的通信接口。

在印刷回墨操纵方面，采纳了交流伺服驱动系统来操纵同步带实现图形的印刷。

在软件设计方面，该程序可仿真调试实现，手动程序，自动程序和复位程序三个部分。

依照模块化的编程方法，对梯形图中的重要模块进行了详细的描述。

在人机界面方面，利用相应软件开发出了触摸屏中的各个功能界面，提高了操作性能，方便操作者操作体验。

关键词：丝网印刷,可编程操纵器,伺服驱动,触摸屏
Design of control system for screen printing machine based on PLC
Abstract
Because of no restriction on the size and shape of the substrate in the screen printing, ink to adapt to, the printing ink layer thickness adjustable properties, which can be widely used. Therefore, to develop high control precision, high performance, simple and convenient operation of the silk screen printing machine is very necessary.
In this paper, the use of high-performance MITSUBISHI PLC to the original old screen printing machine electrical control system design and transformation of the process. Before the development, the work flow of the screen printing machine is analyzed in detail, and then the task of the control system is defined, and then the hardware and software of the two aspects are reconstructed..
In the aspect of hardware design, this paper makes use of the Mitsubishi FX series PLC, in which the selection of the high performance microprocessor FX2N, and to the rest of the modules of the correct selection, fully meet the requirements of the equipment, the detailed design of the communication interface of touch screen, electrical principle diagram and PLC. In the aspect of printing ink control, AC servo drive system is used to control the synchronous belt printing..
In software design, the program can simulate debugging, manual procedures, automatic procedures and reset procedures for three parts. According to the method of modularization, the important modules in the ladder diagram are described in detail.. In the man-machine interface, the use of the corresponding software to develop a touch screen in the various functional interfaces, improve the operation performance, easy operator to operate experience. Key Words:Screen printing,programmable controller,Servo drive, touch screen
名目
1 绪论 0
1.1 丝网印刷及丝网印刷机 0
1.2 国内外丝网印刷机进展现状与趋势 (1)
1.2.1 国外丝网印刷机进展现状及趋势 (1)
1.2.2 国内丝网印刷机进展现状及趋势 (2)
1.3 课题研究的背景、目的及意义 (3)
1.4 本文研究的要紧内容 (4)
2 系统的总体设计 (5)
2.1 丝网印刷机的工作原理 (5)
2.2 设计原则 (6)
2.3 整体设计 (6)
3 系统的硬件设计 (8)
3.1 三菱FX2N差不多单元的I/O地址分配 (9)
3.2 丝网印刷机的电气原理图 (9)
3.3 丝网印刷机的PLC接线图 (11)
3.4 伺服电机的选型 (12)
3.5 PLC的差不多结构与选型 (13)
3.6 三菱的FX2N-48MR要紧技术数据 (15)
3.7 设计要求 (17)
3.8 安全爱护措施的设计 (17)
4 丝网印刷机操纵系统软件设计 (19)
4.1 系统软件的设计要求 (19)
4.2 PLC操纵软件的设计 (19)
5 系统调试 (24)
5.1 安装布线的要求 (24)
5.2 系统的仿真与调试 (26)
结论 (28)
参考文献 (30)
致谢 (31)
1 绪论
1.1 丝网印刷及丝网印刷机
丝网印刷确实是将丝状物绷在网框架上，通过制作网版来进行印刷。

相比国外，丝网印刷在中国显现的比较早，夹颉印花方法的显现时刻就能够追溯到秦汉时期。

在印刷行业有四大印刷方法分别是：凸印、凹印、平印、孔印。

夹颉印花方法也是丝网印刷，归属于孔版印刷类，是在领域中应用最为广泛的一种[1]。

丝网印刷具有如下特点：
（1）适应性强。

能够在多种形状的表面上进行丝网印刷。

例如：平面，曲面，球面，凹凸面上等等。

此外，丝网印刷还能够在不同材料的承印物上进行印刷，比如：硬物、软物都能够。

（2）墨层相对比较厚实，有明显比较强的质感和立体感。

在胶印、凸印和凹印的墨层中，凹印墨层最厚，也只有13微米左右，但仍旧比较薄，丝网印刷墨层相比于其它方式的墨层厚度，印刷立体质感和质量都专门好，这是该印刷方法的优点。

（3）可忍耐强光，光泽靓丽。

因为漏印是丝网印刷的一大特点，因此能够使用不同颗粒大小的颜料进行印刷，例如：浆料，粘结剂。

此外，油墨调配方法简单也是丝网印刷的一大特性，比如，能够在油墨中直截了当放入耐光颜料合理进行调配就能够使用。

因此，丝网印刷产品有专门强的耐光性，在广告、标牌领域应用广泛。

（4）印刷面积大。

就其它印刷方法所能达到的科技水平而言，由于受到机械设备的限制，其所能达到的最大印刷面积也只是为全张尺寸。

然而丝网印刷能够打破这种限制进行大面积的印刷，现在最大幅度可达到3米×4米，但事实上可印刷的面积不仅限于此，它能够印刷更大的面积[11]。

丝网印刷依照承印物形状的不同能够分为两类：平面印刷和曲面印刷。

目前就国内市场而言，平网平台式丝网印刷机的销售量占据了市场几乎所有的份额。

图1.1 丝网印刷机结构图
丝网印刷机是推广丝网印刷技术的关键所在，只有适应现代工业进展的设备才能将此技术发扬宽敞，这就使得丝网印刷机的技术更新变得越来越重要。

1.2 国内外丝网印刷机进展现状与趋势
1.2.1 国外丝网印刷机进展现状及趋势
近代社会以来，欧洲的丝网印刷行业进展较快，专门是美国，在上世纪八十年代后期，从事丝网印刷的厂商达到5000家左右，年产值高达30亿美元，占美国印刷业总交易额的10%。

同样是工业发达的德国，在丝网印刷领域也不甘落后的同时，生产的丝网印刷承印物种类繁多，眼花缭乱，而且品质优良，在行业内享有专门好的口碑。

专门是在滚筒丝印机方面，德国SPS设计的全自动设备仍旧是世界的领头羊，其它国家简直能够用望尘莫及来形容。

进入2000年以后，时代科技日新月异，同时国际上差不多使用着的丝网印刷制版技术和其设备材料的不断改进，以其惊人的更新换代速度融入那个科技飞速进展的时代。

从上世纪末欧洲及美国连续两届国际展览会上能够获悉，许多其它行业的先进技术被广泛应用于丝网印刷行业，新产品多种多样，令人惊奇，例如丝印前的电脑处理系统，电子成像技术等先进技术。

同时在其它方面，例如，丝印还能够和其它印刷方法组合进行印刷，静电印刷也被广泛运用于丝网印刷领域，使丝网印刷一直保持活力。

丝网印刷行业如此强势的进展劲头，让其在印刷业的地位有上升了一个台阶。

在当下专门多液晶屏、触摸屏等电子显示领域，丝网印刷被大量应用，亚洲的日本和韩国两大巨头生产的设备一直占据着中高端市场。

还有日本的帝国油墨厂，都采纳了电子运算机技术来进行治理，完全实现了现代化治理。

在发达的欧洲，型轮转丝网印刷机、由微机程控的多色
网印联动机在网印企业中差不多应用，同时设备的材料还比较先进。

从近几年的进展形势能够看出，当前世界丝网印刷的进展表达要紧表达在四个方面：一是丝网印刷行业制造出的价值在整个印刷业中的份额越来越高；二是丝网印刷可应用的领域越来越多，专门是在显示器领域；三是运算机技术也被广泛应用于丝网印刷和网印制版方面；四是丝网印刷机械向全自动化、高精度、高速度方向进展。

1.2.2 国内丝网印刷机进展现状及趋势
在中国，20世纪80年代中期，一开始比较有阻碍力的企业包括北京706厂和广东胜江网印机制造厂两家厂商，其生产的半自动丝网印刷机填补了中国的空白，打破了国外在我国该行业内的垄断地位。

随着国内技术的快速进展，不再局限于两家企业，丝网印刷设备逐步形成一定规模，并不断进行更新换代，但大都停留在设计简单、加工粗糙时期，没有进行深化。

1999年，排除手动设备，国内生产的丝网印刷机就达到5000台，销售额将近2个亿。

步入新世纪以来，我国现有丝网印刷机厂商早已超过上世纪末的200家，其中具备比较强的生产能力的还未超过100家，要紧分布在沿海地区相对较发达的省市，比如上海、广东、福建等地。

产品品种相对比较齐全，甚至还包括全自动、多色、曲面机等高端设备。

和发达国家相比，我国丝网印刷机进展起步比较晚，市面上的丝网印刷设备要紧以平面印刷为主，技术水平比较低，专门是滚筒丝印机的生产，一直被欧美国家垄断。

在八色全自动平面丝网印刷机的生产领域，尽管已填补了我国该机型的空白，但在网印轮转机、全自动制版流水线领域尚处于空白。

国内和发达国家的差距要紧表达在三个方面：设备的高质量、周密化方面远远不及发达国家；设备的高速度、数字化进展比较滞后，比如还没有开发出全套的网印轮转机。

国内生产的设备尽管没有进口设备精度高、稳固性强，然而凭借性价比高的优势依旧引起了众多丝印厂家的关注与爱好，例如相同类型性能一样的设备价格也比国外低专门多。

中日合资成立的南京熊猫日立科技，成功自主开发出新一代的全自动丝网印刷机，该公司销售的高精度NP04XP型丝网印刷机，还比国外同类型丝网印刷机销售价格低30％。

随着国内丝网印刷机的快速进展，其要紧进展趋势大致表达在以下三个方面：一是手动操纵的丝网印刷设备会逐步减少，最终退出市场；二是全自动丝网印刷设备向高精
度、大平面、高品质进展；三是全自动丝印机、丝印生产线出现出上升势头。

在今后一段时期内，国内市场的丝网印刷机仍旧是手动、半自动和全自动产品共存的局面，但全自动丝网印刷机在市场上的份额会逐步提高。

自从中国加入世界贸易组织以来，国外的先进设备一直占据着主体，因此提升本国丝网印刷机的高端产品变得越来越重要。

1.3 课题研究的背景、目的及意义
本课题来源于中北大学联合培养基地北京清大天达光电科技的开发项目。

该公司生产的设备要紧以平面丝网印刷为主，用于液晶屏生产工艺中的的银点印刷。

在触摸屏的生产中，由两块玻璃叠加组合而成，其中上面的玻璃称为面玻璃，下面的玻璃称之为底玻璃。

触摸屏在面玻璃与底玻璃组合之前，需要在底玻璃上丝印银点。

为了满足生产需求，需要在早先设备上安装视觉定位系统对底玻璃位置进行精确调整。

当前国内少数厂商采纳了最新的机器视觉定位技术，取得上述调整位置过程的自动化，在数秒内即可实现调整过程，大大提高了生产效率，全部印刷过程从上料到下料用时不到20秒，同时印刷的位置精度高达 0.02mm。

北京清大天达光电科技确实是上述厂家之中的一家，尽管公司之前开发的丝网印刷机已差不多实现了上述需求，然而半自动化的丝网印刷机造成的生产效率差不多满足不了市场的需求，因此在原先产品的基础上，开发全自动的、高精度的丝网印刷设备成为该公司的首要问题。

通过对原先丝网印刷机的客观深入分析，其缺陷要紧表达在五个方面：
(1)原丝网印刷机还停留在半自动状态。

进行生产时，需要职员事先将底玻璃搬运到工作台的指定位置上，再由操作人员手动操控手柄和按钮，进行位置调整和银点的印刷，完成后再由操作人员将底玻璃搬运到下一工序的设备上。

这种工作方式耗费人力物力比较大，生产效率完全满足不了市场的需要。

(2)原丝网印刷机操纵系统采纳步进电机驱动器驱动步进电机对跑台进行定位操纵，通过多家客户的使用情形反映，当跑台处于运动状态时，行程不足或者过冲的情形经常显现在印刷位，没有精确到达指定印刷位置，显现位置偏差，造成了不合格产品的显现。

(3)原丝网印刷机部分机构的操纵仍由工控机来完成。

(4)原丝网印刷机使用5个CCD猎取玻璃边缘进行定位的算法。

当前采纳2个CCD
的双角点对位方法差不多在平面丝网印刷机行业广泛推广。

(5)原丝网印刷机功能单一。

例如缺乏测厚功能，在未调整工作台或刮刀（回墨刀）高度的情形下丝网印刷机对不同厚度的底玻璃同时进行印刷，会造成印刷质量的下降。

针对原先设备的上述缺馅，本课题对该设备的的电气操纵系统进行升级改造，研发出一套拥有功能全面、PLC单独操纵、性能先进、高精度的全自动印刷的新型丝网印刷机，同时具有手动功能，将其命名为TSTD丝网印刷机，开发其关于公司乃至于国内的丝网印刷设备都具有积极的推动作用，意义重大。

1.4 本文研究的要紧内容
本课题钻研的要紧内容是在原有的丝网印刷机的基础上，以PLC为基础改造原本老化老旧的继电器操纵系统，再对可编程操纵器硬件和软件的编排，设计出一套能够具备自动和手动一体的高性能，高可靠性，线路简单的电气操纵系统。

本文的要紧内容是先对丝网印刷机的电气操纵系统进行总体设计，而后是系统的硬件设计和软件设计，最后再对所设计的软件进行仿真与调试。

本次课题设计的重点是将原先的由继电器操纵的系统改造为由可编程操纵器操纵的系统，达到实现爱护修理，检测方便，操纵速度快的目的。

2.2 设计原则
（1）操作性
在现代印刷机的特点是自动化程度高，能够直截了当操纵印刷机送料，输送油墨，润湿，印刷，收纸装置，能够操纵颜色，自动清洗，印刷质量，能够监控印刷机的工作状态及故障显示。

运营商为了方便操作，操纵和故障排除，也与印刷，印前系统的车间，治理信息系统，构建在一个完美的数字网络环境治理、生产治理等部门，真正的印刷系统是数字化，网络化和自动化。

（2）接近性
在印刷机结构紧凑，机器占地面积比较小的前提下，各机组和色组之间要有比较宽敞的空间。

现有印刷机看重人机和谐关系，在设计理念上符合人类工程学的观点。

如此，操作者在更换印版、橡皮布、衬垫，洗涤滚筒和进行机件调整、爱护、保养时，有足够的操作活动空间。

（3）安全性
为了保证操作者在工作中时人身和机器的安全，印刷机上必须设计爱护装置，而且要灵敏高、可靠强，万无一失，只要机器发生故障，就自动停机。

这一点必须保证。

（4）经济性
印刷机的价钱是权衡印刷机具有竞争力的重要因素，只有价廉质优的印刷机才会具备强有力的竞争力。

应该按照经济能力，寻求最合理的性价比，同时还要长期保证印刷机良好的机械精度，有较长的使用寿命，保证印刷品具有良好的质量。

（5）适应性
印刷机应具有较强的适应性，能印刷从薄纸到塑料和玻璃等承印材料；同时也要快速、方便，安全地进行单双面印刷的相互转换。

以满足不同层次和印品要求。

（6）艺术性
印刷机的造型应比例和谐、和谐、平坦。

和谐的外形和颜色可使操作者减少疲劳，使操作者有一个良好的工作情绪和环境，以更好地工作。

2.3 整体设计
（1）大臂升降结构
①大臂擦版位升降小于400mm.
②升降由气缸提供动力。

③使用高精度线性滑轨作为大臂升降导向。

（2）印刷结构
①印刷、回墨运动由同步伺服电机操纵。

②刮刀、回墨刀升降均由气缸提供能源，而且印刷压力可由调压开关调整操纵。

③刮刀和回墨行程由左右臂上的光电行程开关调整大小，改变左右臂的位置即可完
成对印刷行程的调剂。

（3) 印刷工作台
①印刷工作台要紧采纳铝制，因为铝较软，因此表面镀上一层光滑的钢片。

②印刷工作台也能够利用吸盘设计为吸气功能。

③印刷工作台也能够调整位置的升降，调整左右位。

（4）网板定位
工作段的可升降定位支撑梁上能够完成网板定位，可调剂其位置，定位支撑梁设计为气缸气动操纵。

（5）气动部分
要紧包含气泵机、气缸、气压操纵表、气控开关、输气管道等。

要紧作用是由气泵机提供气源，气泵机通过输气管道为气缸提供源动力能源。

丝印机的大臂升降、刮刀、机头的左右运动的阀门等均采纳气动。

（6）电气操纵部分设计为通过PLC操纵电磁阀的开通或者关闭，来操纵整个丝印机的运动，后文会有更详细的介绍。

(7)人机操作面板，如图2.2所示:
图 2.2 操纵面板图3 系统的硬件设计
3.1 三菱FX2N差不多单元的I/O地址分配（如表3.1）
表3.1 I/O地址分配表
3.2 丝网印刷机的电气原理图
丝网印刷机的工作流程如下：通电→大臂下降→刮刀下降→印刷→刮刀上升→回墨刀下降→回墨→回墨刀上升→大臂上升→原点复位。

其中回墨和印刷公用一个电机，其他为气缸驱动操纵。

依照流程绘制电气原理操纵图，如下图3.2所示为丝网印刷机的电气操纵原理图：
图3.2 电气原理操纵图
图中中KA0、KA1、KA2、KA3分别是通电、手动、自动、复位中间继电器线圈，分别按下相应按钮，相应的线圈得电，相应继电器开关闭合，就能选择相应的模式。

3.3 丝网印刷机的PLC接线图
如下图3.3所示为丝网印刷机的PLC原理接线图：
图3.3 PLC接线图
图中数字接口接PLC电源24V的正负极，6和8接负极，另外两接口接正极。

3.4 伺服电机的选型
伺服电机的工作原理是当电机得到一个外来的脉冲，转子就会转动相应的角度，通过相应转动的机构，移动相应的位移。

而且伺服电机每转动一个单位角度，就会产生一个相对应的脉冲，如此就与伺服电机接收脉冲形成一个闭合循坏回路称为伺服闭环系统。

如此的伺服循坏系统通过统计发出和受到脉冲的数量，来精确的操纵电机的转动以达到操纵相应位移运动的目的，目前系统的最大精度能够达到0.001mm。

伺服电机以接入电流的类型分为直流伺服电机和交流伺服电机。

与步进电机相比，伺服电机具有质轻、力大、响应快、高速度、小惯量、力矩稳固、容易实现智能化、其电子换相方式灵活、
能够方波换相或正弦波换相、寿命长，辐射小等优点，因此在市场上应用比较广泛[7]。

交流伺服电机还能够分为同步伺服电机和异步伺服电机，其中同步伺服电机由于其具有较大的功率区间，还能提供较大的转动惯量，速度和功率，而在操纵领域运用广泛，基于这些优点，在设计时我们选用同步交流伺服电机。

本次设计选用了三菱的PLC，而与之相对应的伺服电机也应选用三菱生产的伺服电机系列。

依照资料显示，在印刷回墨过程，需要电机的输出功率在0.75KW左右，因此选用三菱公司生产的伺服电机型号为HF-SP102,相对应的差不多规格参数如下表3.4所
3.5 PLC的差不多结构与选型
可编程操纵器简称PLC，PLC是专为工业应用，采纳了典型的运算机结构，硬件电路要紧由中央处理器即CPU、电源、储备器和专门设计的输入/输出接口电路以及编程器等外接口组成，现场操纵或检测元件输入给PLC各种操纵信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。

输出接口电路将CPU送出的弱电操纵信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。

图3.5为典型的PLC差不多结构简图。

（1）CPU模块
CPU是PLC的核心，起中枢神经的作用，实质上确实是微处理器。

每台PLC必须有一个CPU，它能够由PLC系统程序的功能接收并储备用户程序和数据，同时扫描采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入相应的寄存器。

（2）输入接口
输入接口的作用是接收和采集两种类型的信号，一种是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量的发出信号；另一种是由电位器、测速发电机和各种变换器产生的连续变化等模拟量的输入信号。

（3）输出接口
输出接口电路的意义是传达操纵信号给操纵各执行元件。

事实上施的要紧元件包括接触器，电磁阀，操纵阀（模拟量），调速装置（模拟量），指示灯，数字显示及报警装置等。

输出接口电路要紧由单片机输出接口电路和功率放大电路是由两部分组成，光电耦合器的抗干扰和电气隔离的使用之间的输入接口电路和内部电路、输出接口电路。

微机输出接口电路由输出数据寄存器，选择电路和中断逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线，输出的信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路放大微电脑输出信号。

（4）其它接口
假如主机单元的I/O数量不够用，一样通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元相接进行扩充。

PLC还常配置衔接各种外围设备的接口，可通过电缆完成串行通信、EPROM 写入等功能。

（5）编程器
编程器是PLC专门重要的外围设备，编程器的功能是编辑、调试用户输入的程序，还能在线监控PLC内部状态和参数，以及对人机对话的进展和PLC的应用与爱护是一个必不可少的工具。

编程器分为简易编程器和图形编程器两种。

简易编程器体积小，携带方便，直截了当插在PLC的编程插座上即可，或用专用电缆连接到PLC，便于编程和调试，然而只能进行联机编程，而且不能直截了当输入和编辑梯形图程序，必须将梯形图程序转化为指令表程序输入。

适用于小型PLC的编程和现场调试。

图形编程器本质上确实是一台便携式运算机，既能用语句形式编程，又能用梯形图编程，同时还能够进行脱机编程。

目前PLC制造商大都研发了运算机辅助PLC编程支持软件，在个人电脑上安装的PLC编程软件，能够实现梯形图编程，编辑和修改用户程序，用户程序的双向传输，PLC监控运行状态是通过PC与PLC之间的通信接口实现。

（6）电源
PLC的内部配置了一个高性能的稳压电源，它的作用是将外部供应的交流电转变成
直流电提供给CPU、储备器等满足所需，同时它也是整个PLC的能源供给中心。

PLC内部一样安装一个锂电池做为备用电池，以防外部电源显现故障时内部重要数据因断电而丢失。

专门多PLC电源还可向外部供给直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电
工作电源：24VDC
输入点数：24。