吹瓶机程序设计
摘 要：本文主要论述以三菱公司所产FX-2N 系列PLC 为控制核心，结合各种光电及位置
感应式传感器等元器件，结合FX-2N 系列PLC 简单易于操作人员操作，且价格低廉等优点，
论证并设计了此型输液用塑瓶吹瓶机。同时也介绍了FX-2N 系列PLC 在吹瓶机交流伺服系
统及位置控制中的应用。首先根据工艺要求配置了吹瓶机及其交流伺服电机控制的硬件系
统；然后按吹瓶机控制动作要求，以位置控制方式为例重点阐述了吹瓶机交流伺服控制的
PLC 程序设计。通过软硬件的合理设计实现了吹瓶机的快速高精度跟踪控制。
关键词：梯形图；机械手；指令语句；吹塑原理
1 引言
在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因
素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从可编程控制器和机械手问世以来，
相应的各种难题迎刃而解。可编程序控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动控制装
置国际电工委员会的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统专为在工
业环境下应用而设计[1]。它采用可编程序的存储器用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控
制、定时、计数和算数运算等操作的指令并通过数字式、模拟式的输入和输出。PLC 具有
稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点[2]。广泛应用于工业
控制领域，随着PLC 价格的不断下降，相对于其他控制器件，其本身具有的稳定性高、功
能齐全、应用灵活、适用面广等优点就更为凸显，特别是应用在现代化工业化大生产中所带
来的高效率，高效益，高收益，其优点表现更是明显。
PLC 出现后便受到普遍重视，其应用发展也十分迅速。原因在于与现有的各种工业自
动化控制方式相比，它有一系列受用户欢迎的特点，主要是：可靠性高、抗干扰能力强、配
套齐全、功能完善、适用性强、易学易用、系统的设计量小、维护方便等[1.2]。
2 所设计的吹瓶机的工作原理及大体流程
2.1 吹瓶机的设计原理
吹塑机英语全称BLOW MOULDING MACHINE，简称BMM 。其基本工作原理为：向
软化的热塑性的型坯中充气，使其紧贴到封闭模具的冷却表面，被吹胀的型坯凝固，形成中
空塑料制品[4]。机器主要由机架、链条驱动机构、上胚机、理胚机、进胚机械手、加热灯箱、
吹瓶机构及出瓶机械手组成。机器运行由PLC 来控制。除链条由伺服电机驱动外，吹瓶机
各控制动作主要由气缸来完成。根据工艺要求，机器运行先开启伺服电机驱动链条进位，从
上胚到后出瓶一个制造周期的全过程的动作分为上胚、理胚、胚道、加热、吹制及出瓶7
个阶段。正常的生产是重复执行这7 个阶段的过程。伺服系统控制是吹瓶机控制的关键。本
文以两腔机（吹制模具为两腔模具）为例介绍交流伺服系统的设计。
2.2 控制要求
吹瓶机的控制要求设计为自动运转方式。但要求关机时可手动闭合模具；开机前要手动
打开模具，运转初始化后自动进行。按下启动按钮打开气阀供给气缸操作空气，在满足
下列联锁安全条件并且伺服系统处于原点时按下伺服出瓶启动按钮，伺服、冷却风机胚旋转
电机同时启动。
工艺操作流程如图2-1：
图2-1 吹瓶机工艺操作流程
3 基于三菱PLC 的塑瓶车间吹瓶机的硬件选型
3.1 PLC 主控元件选型
在此设计中，由于机器控制点数（I/O 点数）在80 左右，所以根据成本及需求的因
素，选择小型PLC 较为合适。而在小型PLC 中，三菱公司出品的FX2N 系列比较成熟，性
价比也较好，而且操作较为简便。在三菱FX2 系列PLC 当中，点数在80 左右的当属
FX2-80MR 型，其共有80 个I/O 端口，已满足设计需求，无需设计扩展模块[3]。这样既节
省了成本，也降低了操作难度。故此设计选用三菱公司FX2-80MR 型PLC。
3.2 机器伺服电机的选型
（1）公转伺服电机的选择：
鉴于公转伺服电机要求电机有较大的转矩，所以功率要求较大，且转速不需要太高[5]。
为了更好地实现机器主轴所要求的力矩转速特性，此设计将采用富田电机公司的
VFNX112L2-50-7.5-4 型变频主轴电机。其性能参数为：基准频率：50HZ；基准转速：
1500r/min；连续额定功率：7.5kw 连续额定转矩：50nm。
（2）合模伺服电机的选择：
合模伺服电机要求与公转伺服电机很相似，也要有较大的转矩，但功率不需很大，要求
转速基本与公转电机大致相当[5]， 故电机亦选择富田电机VFNX 系列， 型号为
VFNX80L2-50-2.2-4。其性能参数为：基准频率：50HZ；基准转速：1500r/min；连续额定
功率：2.2kw 连续额定转矩：15nm。
（3）手指侧移动作伺服电机：
转速要求为，手指能在0.5S 内运行2M，即运行速度为4M/S。电机转轴的直径为10mm，
加装直径20mm 的转轴套，据此可计算出电机的转速如下：N=4m/s*60/3.14*0.02m≈
4000r/min 根据这些要求，可选富田电机VFNX80L2-50-1.5-4 型号，其性能参数为：基准频
率：50HZ；基准转速：4000r/min；连续额定功率：1.5kw 连续额定转矩：16.2nm。
3.3 加热道灯管的选型
瓶 胚 上胚机构 吹 瓶 机
冷冻 水
压缩空气
出瓶
根据设计要求，将选用广州市新得锐丰光电科技有限公司生产的PHILIPS 13168Z/98 型
吹瓶机灯管。性能参数为：额定功率：2000W；额定电压：230V。
实物照片如图3-1：
图3-1 加热灯管选型
3.4 其它各控制传感器件的选型
根据设计具体需求，将选用传感器件型号[5]如表3-1：
表3-1 传感器选型
名称 型号 说明
光电传感器OBT200-18GM70-E4 福州盈泰自动化科技有限公司产品（光电反射
型）
感应式限位器IPF 电容传感器深圳市仕达威实业有限公司产品
继电器ST SERIES 24V DPNO RELAY 松下公司产品
电磁阀ADS-8B 上海树典阀门
机械手气缸DSN-25-270-PPV-A 费斯托FESTO
4 基于三菱PLC 的塑瓶车间吹瓶机的程序设计
4.1 储胚上胚机构动作要求及程序设计
上胚电机驱动上胚传送带，将瓶胚送至储胚道，并将储胚道蓄满。同时上胚器公转，公
转由机器公转伺服电机链条及齿轮传动，与加热段公转夹具同步。要求当储胚道蓄至规定数
量瓶胚时上胚电机停转。由反射板光电传感器延时5s 控制，此光电置于储胚道中上部(无瓶
胚遮挡时光电开关打开)。上胚器上胚由控制开关。当灯管温度达到要求温度后开始上胚，
开关为一电磁继电器，置于上胚器上部，储胚道下端，开关由人工手动控制（手动打开时间
大体为灯箱灯管打开1 分钟后即可）。
令I/O 端口地址安排如下：
X0：机器启动开关Y0：公转伺服电机
X1：上胚反射板光电开关Y1：上胚电机驱动
X2：上胚器上胚控制开关Y2：上胚控制器
此段PLC 控制梯形如图4-1：
图4-1 上胚机动作指令梯形图
4.2 公转机构及加热灯箱组设计要求
公转机构夹具，即公转头共500 个。公转速度为0.3m/s。加热灯箱组共12 组，每组共
6 根灯管上下排列。可根据瓶胚即所造成品规格不同，可选择打开其中的4—6 根加热灯管，
灯管开关控制为手动控制。每个公转夹具可自转，由公转链条结合公转导轨壁实现，以使瓶
胚加热过程受热均匀。为防止公转机构及即热机构骨架过热，由车间统一提供的冷冻水系统
进行骨架降温。在完成加热及取胚后绝不允许由漏取的瓶胚，若有则机器停止运转。
令I/O 端口地址安排如下：
X3：防漏胚反射板光电开关M0：机器停转辅助继电器
X33：灯管开关
X34：排灯管开关Y28：排灯管
X35：第二排灯管开关Y29：第二排灯管
X36：第三排灯管开关Y30：第三排灯管
X37：第四排灯管开关Y31：第四排灯管
X38：第五排灯管开关Y32：第五排灯管
X39：第六排灯管开关Y33：第六排灯管
X40：机器故障急停按钮
此段PLC 控制梯形图如图4-2：
图4-2 公转机构控制指令梯形图
4.3 取送胚阶段动作要求及程序设计
取送胚手指原点位置为瓶胚加热出口，取送胚手指共10 支手指夹具，即手指一次可取
10 个瓶胚，其动作过程从原点开始为：前进→上移→侧移至吹气站→下移放胚→后退→回
原点。其中，前进、后退共用一气缸动作，上移、下移共用一气缸，侧移及回原点动作则幅
度较大，由伺服电机带动，通过感应接近式传感器控制行程，且整个过程动作时间小于10
个公转头通过的时间。取胚时，取送胚手指每过10 个瓶胚取胚一次，无瓶胚通过时不动作。
为保证无漏取瓶胚，有瓶胚通过但是不足10 个时，以个出现的瓶胚为计数点开始计数
10 个公转头，取送胚手指动作一次。瓶胚计数由两光电传感器完成，一上一下放于加热道
出口，取送胚手指原点近加热道口手指处，上光电传感器感知瓶胚的有无，下光电用于计数
通过的公转头数。每支气缸都有限位感应式传感器，可知气缸目前位置并交予PLC 处理决
定下步动作[6.7]。
令I/O 端口地址安排如下：
X4：上光电开关Y3：取送胚气缸前进电磁阀
X5：下光电开关Y4：取送胚气缸后退电磁阀
X6：取送胚气缸前进位置感应开关Y5：取送胚气缸上移电磁阀
X7：取送胚去过后退位置感应开关Y6：取送胚气缸下移电磁阀
X8：取送胚去过上移位置感应开关Y7：取送胚侧移伺服电机正转
X9：取送胚去过下移位置感应开关Y8：取送胚回原点伺服电机反转
X10：取送胚侧移吹气站位置感应开关
X11：取送胚回原点位置感应开关
此段PLC 控制梯形图如图4-3：
图4-3 取送胚阶段动作控制指令梯形图
4.4 模具动作及吹瓶过程要求及程序设计
模具为两腔式，并可根据产品规格改换相应模具。底模在上，底模由气缸实现动作，底
模气缸有两限位感应式传感器控制其动作。两腔式模具内中空，通以冷冻水以冷却瓶壁成型，
并防止模具过热损坏，冷冻水亦由车间统一供给。模具开合动作通过大螺杆式机械传动实现，
并由模具伺服电机控制螺杆的正反旋转。螺杆部有两限位感应式传感器，以控制模具的开合
程度。吹气方式为瓶口朝下向上吹瓶方式，益于成瓶均匀。吹气站共10 个吹气头，每个吹
气头中心由便于吹瓶成型的拉伸杆，由拉伸气缸控制动作。亦有两限位器，吹气动作由电磁
阀控制高压气完成，高压气由车间统一供给，气压为5 倍大气压。在取送胚手指送至吹气站
处有一光电传感器，用于监测取送胚手指是否已将软化瓶胚送至吹气站，并报送至PLC 主
板，决定是否进行吹瓶动作。要求关机时完成后一次吹瓶动作后要能手动合模及下底模，
开机前要手动开模，上底模。模具原点位置状态：模具开、底模上、拉伸杆下。吹瓶过程大
体动作流程：软化瓶胚送至吹气站激发光电，延时0.5S 动作；底模下，激发气缸下位传感
器；模具合，激发大螺杆下位传感器；拉伸杆上至底模处；吹气站吹气，吹气时间0.5S；拉
伸杆下；模具开；底模下。
令I/O 端口地址安排如下：
X12：监测送胚光电开关
X13：底模气缸上位感应开关Y9：底模气缸上电磁阀
X14：底模气缸下位感应开关Y10：底模气缸下电磁阀
X15：大螺杆上位感应开关Y11：合模伺服电机正转
X16：大螺杆下位感应开关Y12：开模伺服电机反转
X17：拉伸杆上位感应开关Y13：拉伸杆上电磁阀
X18：拉伸杆下位感应开关Y14：拉伸杆下电磁阀
X19：手动合模开关（为点动）Y15：吹气电磁阀
X20：手动开模开关（为点动）
此段PLC 控制梯形图如图4-4：
图4-4 模具动作及吹瓶控制指令梯形图
4.5 取送瓶动作过程要求及程序设计
取瓶手指原点位置在吹气站位置，具体动作为：前进取瓶→上移→侧移至取瓶中间站→
下移放瓶→后退→回至原点位置。因瓶为向上吹气法，故取出的瓶子为倒立的，所以要设计
一中间站，再由翻转送瓶手指取至成品传送带处。翻转送瓶手指原点位置在取瓶中间站处，
状态为正，手指开。与取送胚及取瓶手指有所不同。后两者为前叉式手指，而前者为开合式
夹形手指，由气缸实现动作，主要为了便于放瓶至传送带，且较后两者气缸动作要快，具体
动作为：原点→前进→手指合→翻转左位→后退至传送带→手指开→翻转右位（其中翻转通
过气缸实现）令I/O 端口地址安排如下：
X21：取瓶前进位置感应开关Y16：取瓶前进气缸电磁阀
X22：取瓶后退位置感应开关Y17：?;)______取瓶后退气缸电磁阀
X23：取瓶上移位置感应开关Y18：取瓶上移气缸电磁阀
X24：取瓶下移位置感应开关Y19：取瓶下移气缸电磁阀
X25：取瓶侧移至中间站位置感应开关Y20：取瓶侧移至中间站电磁阀
X26：取瓶侧移至吹气站位置感应开关Y21：取瓶侧移至吹气站电磁阀
X27：送瓶前进位置感应开关Y22：送瓶前进气缸电磁阀
X28：送瓶后退位置感应开关Y23：送瓶后退气缸电磁阀
X29：送瓶手指合位置感应开关Y24：送瓶手指合气缸电磁阀
X30：送瓶手指开位置感应开关Y25：送瓶手指开气缸电磁阀
X31：翻转手指左位感应开关Y26：翻转手指左位气缸电磁阀
X32：翻转手指右位感应开关Y27：翻转手指右位气缸电磁阀
此段PLC 控制梯形图如图4-5：
图4-5 取送瓶动作控制指令梯形图
5 结束语
FX2N 系列PLC 具有丰富的编程指令，小型化、高速度合高性能是其特点。其运算速
度高：0.08us/指令，内置8000 步RAM 存储器辅助继电器3072 点[3]。通过对硬件合软件的
合理设计，用较为廉价的FX2N 系列PLC 作为核心控制部件过程的吹瓶机交流伺服系统实
现了吹瓶机的动作的协调控制。合理的程序使机器运行平稳，定位、进位等动作满足工艺要
