鋼管切割與沖壓成型的上下料自動化系統(tǒng)設(shè)計

柏宜群，石成江

(遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

鋼管切割與沖壓成型的上下料自動化系統(tǒng)設(shè)計

柏宜群，石成江

(遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

研究了實現(xiàn)鋼鍬生產(chǎn)過程中鋼管的切割和沖壓成型自動化而設(shè)計的一套自動上、下料機構(gòu)，介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，該系統(tǒng)采用PLC-人機界面的控制方式，實現(xiàn)上、下料的自動化，節(jié)約了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。

鋼管切割；沖壓成型；上下料；自動化；PLC

0 引言

面對加工設(shè)備自動化程度的落后和技術(shù)工人缺乏的現(xiàn)狀，當前的批量型機加工行業(yè)迫切要求加工設(shè)備智能化、無人化。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，機械自動化的生產(chǎn)也成為必然趨勢，因此很多自動、半自動上、下料系統(tǒng)應(yīng)運而生?，F(xiàn)在自動化設(shè)備上較為常見的上、下料方式有兩種：1) 桁架機械手，動作平穩(wěn)性較高，適合大批量生產(chǎn)；2) 機械手，使用性較強，可作為柔性制造基礎(chǔ)單元[1]。這兩種上、下料方式結(jié)構(gòu)都相對比較復(fù)雜，成本較高。于是開發(fā)適合各個生產(chǎn)加工業(yè)的經(jīng)濟型自動上、下料系統(tǒng)也應(yīng)運而生。

鋼管切割和沖壓成型是鋼鍬生產(chǎn)工藝流程中的重要工序，是將鋼管坯料切割成所需尺寸的鋼管，再進行沖壓得到?jīng)_壓件，然后完成一系列工序，最終得到鋼鍬成品。一直以來鋼管切割和沖壓成型過程都是采用人工完成上、下料工作，其生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高、安全性差。這些傳統(tǒng)的操作方式，嚴重制約了生產(chǎn)線向自動化、柔性化方向的發(fā)展。為此，通過對鋼管切割機和沖壓機的分析，對其自動上、下料機構(gòu)進行了設(shè)計研究，將切割與沖壓二道工序內(nèi)容系統(tǒng)考慮，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€自動化單元，以達到節(jié)省作業(yè)時間和人力資源，提高生產(chǎn)安全和效率的目的。

1 設(shè)計要求及設(shè)計參數(shù)

1.1 設(shè)計要求

根據(jù)鋼管切割與沖壓成型生產(chǎn)線的工藝特點及切割設(shè)備、沖壓設(shè)備機械結(jié)構(gòu)，按照廠家的要求及現(xiàn)場的生產(chǎn)條件，自動上下料結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：鋼管坯料供給應(yīng)實現(xiàn)自動上料；自動上、下料的時間要控制在一定時間內(nèi)完成；上料機構(gòu)所在的鋼管坯料中心與切割機位置相適應(yīng)；整套上、下料機構(gòu)與切割生產(chǎn)線、沖壓生產(chǎn)線配合，正常工作時不應(yīng)人工干預(yù)。

1.2 設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)

待切鋼管最大長度為6m，切斷后的鋼管長度范圍為0.3～1m，切割長度誤差控制在1mm以內(nèi)。

2 鋼管切割與沖壓成型自動上、下料機構(gòu)總體方案

要實現(xiàn)鋼管自動切割和自動沖壓成型，需要依次完成鋼管坯料切割上料輸送、鋼管坯料切割過程中的長度控制、切割后的鋼管輸送到?jīng)_壓成型設(shè)備、沖壓成型上料等主要動作。在上料過程中，首先把鋼管坯料轉(zhuǎn)移到切割上料輸送工位，再從切割上料輸送工位轉(zhuǎn)移到切割上料工位，然后從切割上料工位轉(zhuǎn)移到切割主機工作位置，完成鋼管切割；然后，當切割主機切割完成后，切割下料輸送機構(gòu)把切割后鋼管轉(zhuǎn)移到?jīng)_壓上料機構(gòu)，接著送入沖壓機進行沖壓。由于工作空間的分離，上料與下料工作可以同時進行。這樣可以使切割主機工作節(jié)奏緊湊，也能節(jié)省整個切割循環(huán)時間，從而可以大大提高鋼管切割與沖壓成型生產(chǎn)線和上、下料機構(gòu)的工作效率。

2.1 上下料機構(gòu)

根據(jù)以上分析，設(shè)計了圖1所示的自動上、下料機構(gòu)。

圖1 鋼管切割與沖壓成型自動上、下料機構(gòu)示意圖

由圖1可見，自動上、下料機構(gòu)主要有切割上料機構(gòu)、切割傳送機構(gòu)、切割下料機構(gòu)、沖壓上料機構(gòu)。

1) 切割上料機構(gòu)(送料裝置1)：由一臺傾斜托架，兩個上下?lián)醢鍢?gòu)成。待切鋼管被放入傾斜托架，依靠自重下滑，被擋板擋住，通過控制擋板的上下運動來控制被切鋼管依次進入滾輪中。

2) 切割傳送機構(gòu)：主要由2套滾輪裝置完成鋼管的傳送工作，還包括一個光電開關(guān)用于實現(xiàn)鋼管的定位，完成定長切割。鋼管未被送入下滾輪槽中時，上滾輪處于抬起狀態(tài)，進入下滾輪槽中后，上滾輪放下并壓緊鋼管，滾輪驅(qū)動帶動鋼管向切割機方向運動，當光電開關(guān)感應(yīng)到鋼管到位后，滾輪停止驅(qū)動，切割機進行切割。

3) 切割下料機構(gòu)(送料裝置2)：此送料機構(gòu)可設(shè)計一個送料機械手。在被切鋼管定位停止運動的同時抓住鋼管，并通過運動將已切斷鋼管送入到?jīng)_壓成型上料托架上。

4) 沖壓上料機構(gòu)(送料裝置3與送料裝置4)：與切割上料機構(gòu)相似，主要有一臺在切割機與沖壓機間的傾斜托架和上下?lián)醢鍢?gòu)成，還包括一臺間歇往復(fù)式送料機構(gòu)。已切斷鋼管被送入托架，依靠自重下滑被擋板擋住，當擋板向下運動時，被切割鋼管進入送料機構(gòu)，此時擋板向上運動阻擋下一根鋼管的下滑。接著送料裝置4將已切斷鋼管送入沖壓機內(nèi)完成沖壓成型。

2.2 上下料工作流程

待切鋼管放入托架1→待切鋼管下滑→送料裝置1下落→被切鋼管落入下滾輪槽→送料裝置1向上運動、上滾輪下落→滾輪驅(qū)動→鋼管定位→切割鋼管→送料裝置2抓取鋼管并送入托架2→已切斷鋼管下滑→送料裝置3下落→送料裝置4推動已切斷鋼管進入沖壓機→沖壓成型。

3 鋼管切割與沖壓自動上、下料系統(tǒng)的實現(xiàn)

由于儀表技術(shù)與控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，原先依靠硬邏輯完成的自動化生產(chǎn)線，現(xiàn)在依靠儀表檢測技術(shù)與控制系統(tǒng)能夠容易實現(xiàn)。并且根據(jù)生產(chǎn)需要，通過增減檢測儀表與改變軟件程序方式，都能實現(xiàn)功能的增加或減少，具備了一定的柔性。鋼管切割與沖壓自動上、下料系統(tǒng)采用可編程控制技術(shù)，可以使整個控制系統(tǒng)的可靠性和精度大大提高，實現(xiàn)了自動控制。同時由于PLC具有易擴展性，只需增加輸入/ 輸出接口模塊就可以擴展原料配送系統(tǒng)的輸送控制，穩(wěn)定性高，不易受外界電磁的干擾。

3.1PLC的結(jié)構(gòu)及工作原理

PLC，即可編程邏輯控制器，它主要包括中央處理器、輸出及輸入單元、儲存器、通信接口、擴展接口以及電源等元件。其中，中央處理器是可編程邏輯控制器的核心部件，在輸入、輸出設(shè)備以及中央處理器之間連接有輸入單元以及輸出單元，與外部設(shè)置以及上位計算機等的連接是通過通信接口實現(xiàn)的。以各部件連接方式為主要依據(jù)，可以將可編程邏輯控制器劃分為整體式以及模塊式兩種類型。其中，整體式PLC是將全部零部件集中安裝于一個機殼中，而模塊式PLC則是對不同的零部件進行獨立封裝之后，將其安裝在導(dǎo)軌或者是機架上，再借助總線實現(xiàn)相互間的連接[2]。

中央處理單元控制著相關(guān)運算以及整個系統(tǒng)，對編程器、外設(shè)接口、I/O擴展接口以及I/O接口等的控制主要是借助地址總線、控制總線以及數(shù)據(jù)總線等實現(xiàn)的?？删幊踢壿嬁刂破鲗ο到y(tǒng)工作進行指揮的主要依據(jù)是系統(tǒng)程序，在每個掃描周期中需要進行輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等工作，此外還需要對相關(guān)外部設(shè)備發(fā)出的工作請求進行處理。

PLC的基本工作原理：PLC正常工作過程大致可以劃分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行以及輸出刷新等三大階段，此三個階段構(gòu)成一個掃描周期。在PLC的運行過程中，其中央處理單元可以按照既定的速度對該三階段進行重復(fù)執(zhí)行。輸入采樣階段，主要是對輸入映像區(qū)進行建立及更新。通過掃描，可編程邏輯控制器對全部的輸入狀態(tài)以及相關(guān)數(shù)據(jù)進行讀取，之后在I/0映像區(qū)對應(yīng)的單元中對所讀取的結(jié)果進行保存。完成輸入采樣操作之后，便進入到用戶程序執(zhí)行階段以及輸出刷新階段，在這兩個階段中，即便是改變輸入狀態(tài)以及相關(guān)數(shù)據(jù)，I/O映像區(qū)中對應(yīng)單元的狀態(tài)及數(shù)據(jù)也是保持不變的，并不會隨之發(fā)生變動。將輸入端口關(guān)閉之后便進入程序執(zhí)行階段。用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器對用戶程序進行掃描是按照從上到下、由左至右的順序進行的，在對各條梯形圖進行掃描的過程中，首先會對位于梯形圖左部的由所有觸點組成的控制線路進行掃描，同時開展控制線路邏輯運算，之后以所得到的邏輯運算結(jié)果為主要依據(jù)，對系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中邏輯線圈對應(yīng)的狀態(tài)進行刷新，并在元件映像區(qū)中輸入所獲得的相關(guān)結(jié)果。輸出刷新階段，中央處理單元對相關(guān)的輸出鎖存電路進行刷新操作的主要依據(jù)是映像區(qū)中所對應(yīng)的狀態(tài)以及數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)之上借助輸出電路對相應(yīng)的外設(shè)進行驅(qū)動。如果邏輯變量在一個完整的掃描周期中并未發(fā)生任何狀態(tài)上的改變，該周期所輸出的信息就與上一周期輸出的周期之間就沒有任何區(qū)別，從而相對應(yīng)的元件狀態(tài)也會保持不變。

3.2 基于PLC的鋼管切割與沖壓成型自動上、下料系統(tǒng)的實現(xiàn)

文中所述的鋼管切割與沖壓成型自動上、下料系統(tǒng)的控制系統(tǒng)以可編程序控制器(PLC)為中心。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。PLC的選型需要考慮到I/O、存儲容量、定位控制功能、串行通訊功能及以太網(wǎng)功能等。其次還要考慮到電氣設(shè)計人員的熟練度，PLC性價比等因素。

上料機構(gòu)中的上下?lián)醢?、往?fù)式送料裝置以及下料機構(gòu)都是由PLC通過控制氣缸的上下運動實現(xiàn)；傳送機構(gòu)由PLC控制電機實現(xiàn)；切割機通過PLC控制其動作開關(guān)實現(xiàn)切割進給功能。整個系統(tǒng)配上若干個位置檢測傳感器，最終完成整個系統(tǒng)的控制。結(jié)合整個上、下料系統(tǒng)，控制功能及輸入輸出點數(shù)等，可以確定適合的PLC型號以及完成PLC系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計。

系統(tǒng)中使用觸摸屏作為人機交互界面，與PLC進行必要原始數(shù)據(jù)的輸入，如鋼管切割長度。在觸摸屏上進行自動上下料系統(tǒng)的單步運行、手動運行、自動運行等工作方式界面的轉(zhuǎn)換與操作，還可以方便的進行試驗參數(shù)的修改與設(shè)置，實現(xiàn)人機交互功能。

4 結(jié)語

分析了鋼管切割主機以及沖壓機對自動上、下料機構(gòu)的工作要求，可以利用的工作空間以及鋼管切割與沖壓成型生產(chǎn)線的工作環(huán)境，確定了自動上、下料機構(gòu)的總體設(shè)計方案。設(shè)計的自動上、下料系統(tǒng)采用PLC-人機界面的控制方式，實現(xiàn)了鋼管切割和沖壓成型的自動化上、下料。該自動上、下料系統(tǒng)是鋼鍬全自動生產(chǎn)線的關(guān)鍵組成部分，從上料、切割、下料到?jīng)_壓一氣呵成，實現(xiàn)了鋼鍬的自動化生產(chǎn)線加工。

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Design of Up-down Feed Automation System of Steel Pipe Cutting and Stamping Forming

BAI Yi-qun,SHI Cheng-jiang

(Department of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun 113001, China)

This paper researches on and designs a feed mechanism which is used to realize the steel pipe cutting and stamping forming automation in the steel shovel production process and introduces the system structure and working principle. PLC, man-machine interface control mode is used in this system to realize the feeding and unloading automation, save a lot of labour cost and improve the production efficiency.

steel pipe cutting; stamping forming ; up-down feed; automation; PLC

柏宜群(1988-)，女，安徽池州人，碩士研究生，研究方向：過程裝備監(jiān)測與控制技術(shù)。

TG38;TP272

B

1671-5276(2014)02-0195-03

2013-02-04