基于PLC及伺服系統(tǒng)的剪板機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王海祥，高 峰

（金陵科技學(xué)院，南京 211169）

0 引言

剪板機(jī)是一種在加工生產(chǎn)中經(jīng)常用到的機(jī)械設(shè)備，它廣泛地應(yīng)用在板材加工、線材加工、機(jī)械零件制造等多種場(chǎng)合。舊的剪板機(jī)主要靠人工畫線，然后進(jìn)行剪切，既浪費(fèi)了時(shí)間，同時(shí)加工精度也不高。文獻(xiàn)[1][3]提出了PLC控制自動(dòng)剪板機(jī)的方案，但是無法對(duì)剪切長(zhǎng)度數(shù)量進(jìn)行控制，影響了整個(gè)流程的自動(dòng)化。文獻(xiàn)[2]提出了基于三菱PLC與伺服電機(jī)的后擋板控制方案，但是沒有與整個(gè)剪板機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)相連接。本文提出了基于西門子PLC和伺服電機(jī)的解決方案。

1 工藝流程分析

剪板機(jī)的工作過程主要分成后檔定位－－送料－－剪切三個(gè)步驟，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的定長(zhǎng)剪切，其主要控制及機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中控制系統(tǒng)主要由伺服定位及順序動(dòng)作兩個(gè)部分構(gòu)成。

圖1 自動(dòng)剪板機(jī)工作原理圖

其工作過程如下：首先由用戶在人機(jī)界面上輸入剪切的長(zhǎng)度和數(shù)量，確定后伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)后擋板移動(dòng)到指定位置停止。如果用戶選擇自動(dòng)運(yùn)行，且按下啟動(dòng)按鈕，此時(shí)液壓泵啟動(dòng)并升壓至工作壓力，壓塊和刀具應(yīng)該處于原始的上工作位，此時(shí)檢測(cè)剪板機(jī)下方的送料小車在工作位置（SQ4閉合），輸料電機(jī)開始啟動(dòng)運(yùn)送物料，當(dāng)物料運(yùn)送到位（SQ5閉合），壓塊開始下降直至壓緊物料（SQ2閉合），然后剪切刀具開始下落進(jìn)行剪切，剪切后物料下落至送料小車上，如果光電開關(guān)探測(cè)到已經(jīng)落料的板料數(shù)字達(dá)到了小車送料的上限，送料小車就向右運(yùn)動(dòng)將物料移出，等物料被卸掉后，小車又向左運(yùn)行回到接料的位置。這樣又可以開始下一循環(huán)的加工。如果用于選擇

手動(dòng)，過程相似，不過其中一些步驟需要通過按鈕控制。

2 伺服后檔板定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服后檔板定位系統(tǒng)主要完成用戶數(shù)據(jù)輸入和后檔板的精確定位的作用。用戶數(shù)據(jù)輸入主要采用西門子面板TD400C，輸入的數(shù)據(jù)為剪切的長(zhǎng)度和剪切的次數(shù)，面板的界面如圖2所示。

通過西門子STEP 7編程軟件的向?qū)О鸭羟袛?shù)量框里的數(shù)值賦值給VD140，將剪切數(shù)量賦值給VW4。用VD140、VW4來控制剪切長(zhǎng)度和剪切數(shù)量。伺服工作的原理圖如圖3所示[4]。

圖2 控制面板示意圖

圖3 伺服電機(jī)控制原理圖

PLC對(duì)伺服電機(jī)的控制主要通過三個(gè)閉環(huán)來控制的，位置閉環(huán)通過不斷地將當(dāng)前位置與PLC設(shè)置的位置相比較，通過負(fù)反饋使位置最終停留在設(shè)定的位置，位置調(diào)節(jié)器通過PID調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)；速度閉環(huán)控制通過不斷地將當(dāng)前的速度與設(shè)定的值比較，通過負(fù)反饋是速度達(dá)到設(shè)定值，速度控制器一般通過PI調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。電流環(huán)將實(shí)際的電流與設(shè)定的電流相比較，差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后作為新的控制信號(hào)來控制伺服電機(jī)。

圖4 PLC與伺服驅(qū)動(dòng)連接接線圖

后檔板定位主要通過伺服系統(tǒng)來完成，其硬件連接如圖4所示。

本系統(tǒng)采用西門子S7-200作為控制器，型號(hào)選擇CPU224XPSi CN型，伺服驅(qū)動(dòng)采用東源公司的伺服驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)采用安川公司的伺服電機(jī)。

圖4是PLC與伺服驅(qū)動(dòng)相連的接線圖，Q0.0向伺服驅(qū)動(dòng)的pulse信號(hào)端輸出脈沖信號(hào)，Q0.2向驅(qū)動(dòng)的sign信號(hào)端輸出正反轉(zhuǎn)的方向信號(hào)，Q0.4相伺服的on/off端輸出使能信息，Q0.5向CLR輸出清楚指令。而伺服驅(qū)動(dòng)的編碼器接口向PLC反饋信號(hào)，反饋信號(hào)有報(bào)警信號(hào)ALM、編碼器Z相信號(hào)Phase Z信號(hào)、定位完成信號(hào)POS_OK。另外為了防止伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)超過極限，需要將正反極限限位開關(guān)與PLC相連，當(dāng)超越極限時(shí)控制PLC停止運(yùn)動(dòng)。

后檔板伺服控制的軟件程序如圖5[5]所示。

圖5 后擋板位置控制程序

在圖5中，網(wǎng)絡(luò)1是對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行上電操作，網(wǎng)絡(luò)2對(duì)伺服的速度進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置了起停的速度、最大速度和加速的時(shí)間，接收當(dāng)前位置信息。網(wǎng)絡(luò)3將面板上輸入的位置信息與當(dāng)前位置進(jìn)行比較，結(jié)果決定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。網(wǎng)絡(luò)4將當(dāng)前的位置與面板的位置相減得出需要運(yùn)動(dòng)的相對(duì)距離。網(wǎng)絡(luò)5將工程量（以毫米進(jìn)行計(jì)量）轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)，其中的Input管腳連接VD150，單位是毫米，將轉(zhuǎn)化后的脈沖量輸出給VD6。網(wǎng)路6利用庫函數(shù)Q0_0_MoveRelative來控制伺服運(yùn)動(dòng)，VD6輸入脈沖控制運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度，V120.0用來控制方向。網(wǎng)絡(luò)7用來防止機(jī)械越位造成機(jī)械傷害，當(dāng)工作臺(tái)超過前后限位時(shí)，Q0_0_Stop子程序工作使得伺服停止運(yùn)動(dòng)。

3 順序控制

順序控制主要完成剪板機(jī)的順序邏輯控制功能，其輸入輸出列表如表1所示。

順序控制的程序如圖6所示[6]。

在圖6中，泵由啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)，用停止按鈕停止。泵壓的升高由液壓升高按鈕(I0.3)在泵轉(zhuǎn)動(dòng)后(Q1.4)啟動(dòng)，由泵卸荷按鈕I1.7停止。在選擇開關(guān)為自動(dòng)（I2.5）的情況下，如果運(yùn)料小車上的物料被清空，此時(shí)運(yùn)料小車上的壓板開關(guān)常閉觸點(diǎn)閉合(I1.3)，運(yùn)料小車向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)觸碰到左行限位時(shí)（I0.7）停止；如果選擇開關(guān)為手動(dòng)，可以通過左行按鈕實(shí)現(xiàn)左行的點(diǎn)動(dòng)控制。接下來，在手動(dòng)時(shí)，通過送料按鈕（I2.0）進(jìn)行手動(dòng)送料；自動(dòng)時(shí)，當(dāng)左行到位（I0.7）同時(shí)刀具在原位（I0.6）壓塊在上限位的位置（I0.4）情況下，才能開始送料（Q0.1），當(dāng)料被送到位（I1.1）或壓塊壓下(I0.5)時(shí)將停止送料。然后，在自動(dòng)情況，當(dāng)料被送到位（I1.1）就開始讓壓塊壓下（Q0.6）；在手動(dòng)時(shí)，通過手動(dòng)夾緊按鈕（I2.1）直接控制壓塊壓下。緊接著，在自動(dòng)情況下，壓塊壓緊后（I0.5），就可以進(jìn)行剪切（Q1.0）；手動(dòng)時(shí)，通過手動(dòng)剪切按鈕（I2.2）控制剪切。剪切后，光電開關(guān)接收到物料下落的信號(hào)（I1.5），如果處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，壓塊將自動(dòng)上移（Q0.3）；如果手動(dòng)，則有人工控制壓塊上移的按鈕（I2.3）控制壓塊上移，松開物料。同時(shí)，剪刀在自動(dòng)的情況下也可上移動(dòng)，條件與壓塊相同，在手動(dòng)的情況下，需要用手動(dòng)按鈕（I2.3）上移。當(dāng)下面的運(yùn)料小車收到設(shè)定數(shù)量的板料，例如10個(gè)，就可以向右運(yùn)動(dòng)將板料運(yùn)出（Q1.2），I1.5是接收板料下落信號(hào)的光電開關(guān)，將剪切板料的信息送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，如果達(dá)到10個(gè)，就啟動(dòng)運(yùn)料小車右移動(dòng)，當(dāng)然也可在手動(dòng)情況下，通過右移按鈕在任意數(shù)量的板材落下后控制運(yùn)料小車右移。

表1 輸入輸出列表

圖6 順序運(yùn)動(dòng)梯形圖

4 結(jié)束語

本文用西門子PLC和伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了剪板機(jī)的數(shù)控方案。該方案定位精確度高，運(yùn)行自動(dòng)化程度高，性能比傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的控制方案有了很大的提高。

[1] 李清香, 丁時(shí)鋒, 熊儉. PLC控制的液壓剪板機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. 2007, (11): 156-157.

[2] 史建平, 過軍, 張建生. 基于PLC 控制的剪板機(jī)后靠系統(tǒng)伺服定位的研究與應(yīng)用[J]. 機(jī)電工程技術(shù). 2007. 38(7):16-19.

[3] 熊幸明. 一種剪板機(jī)的PLC控制[J]. 自動(dòng)化與儀表.2006(5): 72-74.

[4] 吳晨曦, 蔣嶸. 基于PLC-伺服驅(qū)動(dòng)的位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化. 2008, 30(4): 84-86.

[5] 柴瑞娟, 陳海霞. 西門子PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M],北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[6] 西門子公司. 用S7-200和SINAMICS V80實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)位置控制, User Guider 2010-1.