基于PLC的鋼板校直機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王善剛，許海斌，張 爽，高金剛，于曉平

WANG Shan-gang1, XU Hai-bin2, ZHANG Shuang1, GAO Jin-gang1, YU Xiao-ping1

（1.長春工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012；2.吉林省電力勘測設(shè)計(jì)院，長春 130022）

0 引言

如今國內(nèi)對小斷面、小跨距的工件的壓點(diǎn)式校直設(shè)備己實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，校直精度和生產(chǎn)效率都較高；而對大斷面、大跨距的工件進(jìn)行的校直還主要通過人工手動(dòng)來完成，對技術(shù)工人的經(jīng)驗(yàn)依賴較大，在校直過程中往往存在測量不精確、校直精度不高、生產(chǎn)效率低下?，F(xiàn)代化機(jī)械制造企業(yè)當(dāng)中，長達(dá)6米～7米、寬約0.3米左右的鋼板被大量使用，而鋼板在機(jī)械加工、焊接或使用過程中常因外力作用及溫度變化會(huì)出現(xiàn)彎曲或扭曲變形，對變形較大的鋼板如果不進(jìn)行校直處理會(huì)直接影響到下道工序的使用和產(chǎn)品整體的裝配。

國外的德國MAE公司、意大利GALDABINI公司、美國EITEL公司、日本精機(jī)株式會(huì)社等先后開發(fā)出了具有本國特色的全自動(dòng)精密校直機(jī)；我國合肥鍛壓機(jī)床股份有限公司研制出具有先進(jìn)水平的YH40.25全自動(dòng)精密校直液壓機(jī)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的用于油井鉆具校直的全自動(dòng)液壓校直機(jī)等。借鑒于國內(nèi)外校直機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，研制出專用的鋼板校直機(jī)，它采用的是工件不動(dòng)，移動(dòng)壓頭的方案，類似C型校直機(jī)的敞開式U型設(shè)計(jì)，利用西門子S7-200來控制，觸摸屏為控制界面，通過U型矯形液壓缸的推壓縮進(jìn)，來校直鋼板的設(shè)備。

1 鋼板校直機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及其工作順序

鋼板校直機(jī)的實(shí)際設(shè)備如圖1所示。校直機(jī)主要由一個(gè)整體框架、檢測系統(tǒng)、校直系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、兩端固定系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。校直系統(tǒng)實(shí)施壓力校直時(shí)，在工件兩端支撐，中間加壓，所以又稱為三點(diǎn)反彎式校直。

這是自主研發(fā)的鋼板校直機(jī)，該校直機(jī)的矯形機(jī)構(gòu)是由能在鋼板長度方向上移動(dòng)的U型矯形塊（液壓系統(tǒng)控制其可以正反雙向平移，從而對工件加壓）、兩個(gè)U型支撐塊（可以單獨(dú)沿鋼板水平方向上移動(dòng)來調(diào)整支撐點(diǎn)的距離）、雙向液壓缸、整體移動(dòng)小車平臺等機(jī)構(gòu)組成，各機(jī)構(gòu)均有強(qiáng)度高、剛性好的導(dǎo)向。整體矯形機(jī)構(gòu)安裝在剛性極好的臺車上，臺車由電機(jī)帶動(dòng)在軌道上運(yùn)行，速度和距離可以精確控制。在進(jìn)行矯形操作時(shí)，根據(jù)激光檢測機(jī)構(gòu)測得的偏差部位及數(shù)據(jù)，將矯形小車開到偏差部位，設(shè)定好兩個(gè)U型支撐塊的距離，并根據(jù)觸摸屏上預(yù)設(shè)出U型矯形塊移動(dòng)尺寸，啟動(dòng)矯形塊矯形，矯形后回原位。操縱激光檢測機(jī)構(gòu)對鋼板進(jìn)行檢測，如果沒有滿足參數(shù)要求，就進(jìn)行新一輪矯形，直至檢測合格為止。

2 鋼板校直機(jī)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)鋼板校直機(jī)的應(yīng)有功能和工作順序，進(jìn)行了控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由圖可見，鋼板校直機(jī)的控制系統(tǒng)由PLC、工控機(jī)（觸摸屏）、激光位移傳感器、伺服電機(jī)（控制檢測機(jī)構(gòu)小車運(yùn)動(dòng)）、氣動(dòng)電磁閥（檢測夾緊機(jī)構(gòu)）、拉線編碼器、三相異步電動(dòng)機(jī)（控制矯形機(jī)構(gòu)小車運(yùn)動(dòng)）及控制柜等元器件組成。

圖1 鋼板校直機(jī)實(shí)際設(shè)備圖

鋼板校直機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，首先，通過控制面板上的開始檢測控制按鈕發(fā)出指令，PLC接到指令后控制氣動(dòng)電磁閥動(dòng)作，固定好工件的兩端，以便于檢測數(shù)值有一個(gè)基準(zhǔn)；接著PLC控制伺服電機(jī)帶動(dòng)檢測機(jī)構(gòu)小車運(yùn)動(dòng)，其上的激光位移傳感器把工件的變形曲線測試出來，傳到工控機(jī)，觸摸屏上顯示出變形曲線圖形，找出工件最大撓度的彎曲段，啟動(dòng)矯形小車控制按鈕，PLC接到指令后控制三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)矯形小車左右移動(dòng)尋找到壓點(diǎn)，以零件的最大撓度處或靠近最大撓度處為壓點(diǎn)，以盡量對稱于壓點(diǎn)分布的兩點(diǎn)為支點(diǎn)進(jìn)行加壓 ；在觸摸屏上設(shè)置好總壓下量即校直行程，發(fā)送給PLC，PLC控制液壓缸對工件施加壓力，當(dāng)拉線編碼器測得校直行程滿足設(shè)定要求時(shí)，向PLC發(fā)送信號，PLC控制液壓缸停止繼續(xù)施壓并返回原位，完成一次校直循環(huán)。

圖2 鋼板校直機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件的選擇以及PLC的I/O分配

根據(jù)鋼板校直機(jī)的工作需要，選用了西門子S7-200 CPU226小型PLC為主控設(shè)備，具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，還選擇兩個(gè)西門子S7-200 EM223為擴(kuò)展模塊，具有16個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，來作為校直機(jī)的控制核心；400W的富士伺服電機(jī)作為檢測小車的動(dòng)力源，帶動(dòng)LMI1150激光位移傳感器這個(gè)檢測設(shè)備對工件進(jìn)行彎曲度檢測；研華工控機(jī)為觸摸屏的顯示與操作設(shè)備，顯示工件的曲線度和偏差以及系統(tǒng)的參數(shù)輸入；PLC主機(jī)輸入端子地址為I0.0～I(xiàn)2.7，輸出端子地址為Q0.0～Q1.7。PLC I/O分配圖，如圖3所示。

圖3 鋼板校直機(jī)PLC I/O分配圖

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

鋼板校直機(jī)的控制系統(tǒng)首先處理好PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器CN1的通訊聯(lián)系，設(shè)定如表1所示。其次解決好PLC與上位機(jī)（工控機(jī)）的通訊，其中PLC的通訊參數(shù)設(shè)定如表2所示，上位機(jī)的通訊參數(shù)設(shè)定如表3所示，由此完成軟件系統(tǒng)的通訊聯(lián)系。根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，在上位機(jī)上設(shè)置了鋼板彎曲度曲線顯示及參數(shù)設(shè)置界面，如圖4所示。在該界面上包含了鋼板的彎曲度曲線及標(biāo)尺、各次的曲線比較顯示、移動(dòng)卡尺設(shè)置、向PLC發(fā)送的矯正量、檢測結(jié)果數(shù)據(jù)、管理員權(quán)限等。

表1 PLC與CN1通訊設(shè)定

表2 PLC通訊參數(shù)設(shè)定

表3 上位機(jī)通訊參數(shù)設(shè)定

圖4 鋼板校直機(jī)的彎曲度曲線圖

圖5 鋼板校直機(jī)PLC控制流程圖

鋼板校直機(jī)工作時(shí)，首先由PLC主機(jī)檢測自身系統(tǒng)，I/O端口、通訊端口等是否正常；當(dāng)按下自動(dòng)檢測按鈕時(shí)，PLC向氣壓系統(tǒng)發(fā)出固定工件和找好基準(zhǔn)點(diǎn)的命令，氣壓系統(tǒng)向PLC反饋是否完成任務(wù)的信號，如完成，則向檢測小車發(fā)出自動(dòng)檢測信號，檢測小車開始檢測并把檢測數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)的參數(shù)顯示界面上，根據(jù)圖4的標(biāo)尺讀出偏差和位置，在操控界面輸入校正量，上位機(jī)將此參數(shù)傳送給PLC主機(jī)，PLC收到矯形參數(shù)后，向矯形小車發(fā)出命令，使其找到工件的彎曲的最大撓度處，PLC再向液壓系統(tǒng)發(fā)出施壓命令，液壓系統(tǒng)對工件進(jìn)行校直操作，當(dāng)達(dá)到校直行程之后，向PLC發(fā)出反饋信號，PLC控制液壓系統(tǒng)停止矯形并回原位，直至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，滿足工藝要求。鋼板校直機(jī)PLC控制流程圖如圖5所示。

5 結(jié)束語

鋼板校直機(jī)是基于上位機(jī)和西門子的PLC S7-200的控制系統(tǒng)，當(dāng)控制柜與設(shè)備上的各種光電開關(guān)、氣壓電磁閥、液壓電磁閥、伺服電機(jī)、三相交流電動(dòng)機(jī)等連接完成后，進(jìn)行了設(shè)備調(diào)試，試加工，結(jié)果表明，多數(shù)工件一般經(jīng)過1至2處加載即可達(dá)到矯形標(biāo)準(zhǔn)，7m長的工件校直精度達(dá)到6mm，可見測量和校直的精度都較高。鋼板校直機(jī)對于降低勞動(dòng)強(qiáng)度和加工成本，提高工藝水平、生產(chǎn)效率和工件成品質(zhì)量的意義重大。該設(shè)備已投放于某企業(yè)中，結(jié)束了該廠人工校直鋼板的歷史，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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