行星式自動(dòng)切管機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許 萬(wàn)，李 聰，趙 迪，李 炯，錢(qián)應(yīng)平

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

不銹鋼以其突出的抗高溫疲勞、抗酸堿腐蝕性能成為汽車(chē)排氣管首選材料。在滿足工藝要求的前提下，將長(zhǎng)的鋼管切割為定長(zhǎng)的短鋼材料已成為鋼管衍生品制造中的首要環(huán)節(jié)。

目前，我國(guó)對(duì)于薄壁不銹鋼管的切割手段還不理想，切割方法主要有砂輪切割、激光切割、線切割、單刀片旋管式切割等。砂輪切割在鋼管切割中應(yīng)用較多，但是很難實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的切割；激光切割［1］雖可以實(shí)現(xiàn)高精度、高效率，但由于大功率激光頭價(jià)格昂貴，切割時(shí)產(chǎn)生高溫，有一定的危險(xiǎn)性，并不適用于普通的工業(yè)生產(chǎn)；線切割可以實(shí)現(xiàn)高精度切削，但是切削效率低下；單刀片旋管式切割［2］由于鋼管本身處于一個(gè)旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，很難保證切割時(shí)的切削精度。而本文提到的雙刀對(duì)稱行星式切割不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高速高精度切削，控制切削屑，而且價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，適用于一般的工業(yè)流水線生產(chǎn)。

PLC作為專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的控制器，具有結(jié)構(gòu)緊密堅(jiān)固、體積小、重量輕、功耗低，且抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，主要運(yùn)用于離散制造、工序制造等，在我國(guó)的工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中占著舉足輕重的地位［3］。本文將PLC運(yùn)用到切管機(jī)六軸控制系統(tǒng)上，對(duì)其各軸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立、自動(dòng)控制，不僅實(shí)現(xiàn)了多軸靈活動(dòng)作，滿足切削要求，而且大大提高了工作效率。系統(tǒng)中采用伺服直驅(qū)［4］的工作結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位準(zhǔn)確、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅保證了工作的可靠性，而且可以實(shí)現(xiàn)較高的切削精度。

1 切管機(jī)原理及伺服選型

1.1 結(jié)構(gòu)分析

系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由送料和切割兩個(gè)部分組成。

送料部分包含一個(gè)送料絲杠和送夾；切割部分包含一個(gè)前夾和完成切割的刀盤(pán)。送夾和前夾采用自動(dòng)對(duì)心式夾口設(shè)計(jì)，以保證鋼管自動(dòng)夾緊時(shí)前夾與送夾同心。

切割部分采用雙刀對(duì)稱行星式設(shè)計(jì)［5－6］，即自轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動(dòng)—公轉(zhuǎn):先讓刀片自轉(zhuǎn)，進(jìn)給電機(jī)完成刀片的直線進(jìn)刀，并通過(guò)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)刀片公轉(zhuǎn)，完成切割，設(shè)備運(yùn)行前將兩個(gè)刀具校準(zhǔn)到同一平面，而且由于兩個(gè)刀片同時(shí)切割，與單刀片相比不僅可以得到良好的斷面，在一定程度上也提高了切削效率。

圖1為自動(dòng)切管機(jī)整體工位示意圖。

圖1 自動(dòng)切管機(jī)整體工位示意圖

1.2 工藝流程

自動(dòng)切管機(jī)的工作流程主要包括以下四個(gè)步驟。

1）送夾緊。將薄壁鋼管置于支撐架和送夾上，送夾完成自動(dòng)對(duì)心并夾緊。

2）送料并前夾緊。送料電機(jī)通過(guò)送夾將薄壁管送到設(shè)定好的長(zhǎng)度（需要切割的實(shí)際長(zhǎng)度＋刀片的厚度）位置并前夾緊。

3）刀片旋轉(zhuǎn)并進(jìn)刀。刀片1、2開(kāi)始同方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（從送料方向看，下同），同時(shí)，進(jìn)給電機(jī)1、2將刀片送到刀刃剛好接觸到薄壁鋼管表面的位置（這段距離為快進(jìn)刀距離，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)先手動(dòng)調(diào)好此距離，并在觸摸屏上設(shè)置），然后減速工進(jìn)一段距離，這段工進(jìn)距離由鋼管的厚度決定。

4）完成切割并退刀。工進(jìn)完成后，主軸電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)刀盤(pán)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，由于刀盤(pán)設(shè)有對(duì)稱的兩個(gè)刀片，所以一般來(lái)說(shuō)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度只需達(dá)到170°左右即可切斷鋼管，完成一次切割。

理論上可以將刀盤(pán)改為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)作為第二次切割，并且通過(guò)改變刀片的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)使切割的鋼管的毛刺全部朝內(nèi)或朝外，但由于刀片的裝配固定的限制，刀片的旋轉(zhuǎn)只能是一個(gè)方向，因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)，在進(jìn)行第二次切割前，刀片退回起始點(diǎn)并停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后刀盤(pán)歸位。

為了保持動(dòng)作的連貫性以及減少送料絲杠的磨損，本系統(tǒng)充分利用了整個(gè)送料絲杠，將送料后限位作為送料起始點(diǎn)，前限位作為送料最終點(diǎn)。完成第一次切割后松開(kāi)前夾，不松送夾，繼續(xù)第二次送料切割過(guò)程，切割好的鋼管由后面的套筒取出。

1.3 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型

通過(guò)圖1所示的工位圖可以得出該系統(tǒng)共需要6套伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及2套液壓夾緊系統(tǒng)。其中送料、進(jìn)刀和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)采用伺服電機(jī)的位置控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，切割模塊采用伺服電機(jī)的模擬量控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的改變。為了滿足工作需求，并且保證運(yùn)動(dòng)的可靠性，系統(tǒng)選用了三菱公司的MR-JE-A系列的伺服放大器以及與其配套的HF-SN系列伺服電機(jī)。根據(jù)負(fù)載工作要求，選用的型號(hào)如表1所示。

表1 伺服選型

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制要求

為了滿足實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的需要，在進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)也要相應(yīng)設(shè)置這些功能。該系統(tǒng)要達(dá)到的功能主要有:1）手動(dòng)功能和自動(dòng)功能，既能夠點(diǎn)動(dòng)控制每一個(gè)工作步的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)初期調(diào)試功能，也能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵式操作提高自動(dòng)化水平；2）各個(gè)動(dòng)作軌跡的穩(wěn)定控制，以保證運(yùn)動(dòng)正常運(yùn)行和人員安全；3）方便的人機(jī)交流，傻瓜式按鍵操作方便工人對(duì)設(shè)備的控制。

2.2 PLC選型及I/O分配

本系統(tǒng)選用三菱公司生產(chǎn)的FX3U系列PLC，PLC為脈沖＋方向控制方式。系統(tǒng)共需要4個(gè)脈沖輸出量，而FX3U系列PLC最多只有3個(gè)高速脈沖輸出端口，需要額外加上一個(gè)脈沖輸出通道，因此選用了FX2N-1PG這樣一個(gè)脈沖發(fā)生器來(lái)控制對(duì)刀盤(pán)運(yùn)動(dòng)的控制。

系統(tǒng)的切割模塊利用伺服的模擬量控制其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。由于有一對(duì)刀具，在控制模塊上需要4個(gè)模擬量控制輸出端口，因此選用了三菱的FX2N－4DA這樣一個(gè)模擬量輸出模塊。系統(tǒng)的總體I/O分配以及整體方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體I/O分配以及整體方案

此外，由于切割過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此還需要在刀片切割處裝上一個(gè)冷卻裝置。考慮到工人的操作便利性，冷卻設(shè)備采用手動(dòng)按鈕控制。

2.3 控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)方法采用順序功能圖?；赟FC的設(shè)計(jì)思想是將系統(tǒng)的一個(gè)工作周期劃分為若干個(gè)順序相連的階段，這些階段稱為步。在每個(gè)工作步內(nèi)，可以單獨(dú)考慮該工作步的程序動(dòng)作，相鄰工作步之間通過(guò)特定的元器件的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在該元器件狀態(tài)未改變之前，處于它下面的工作步就不會(huì)動(dòng)作。這種設(shè)計(jì)方法可以將一個(gè)較復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程分解為若干個(gè)步驟，不僅簡(jiǎn)化了程序的編寫(xiě)，條理清晰，增強(qiáng)了可讀性，而且還利于后續(xù)程序的調(diào)試、修改及設(shè)備維護(hù)等。

運(yùn)用GX Developer和GX Simulink軟件，可以在一定程度上脫離PLC進(jìn)行程序仿真和調(diào)試，通過(guò)這樣的一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以對(duì)PLC的內(nèi)部參數(shù)、運(yùn)動(dòng)程序、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這對(duì)于程序的前期調(diào)試工作有很大的便利性，減短了開(kāi)發(fā)周期。

切管機(jī)系統(tǒng)的程序部分由初始程序和運(yùn)動(dòng)主程序部分構(gòu)成。其中初始程序用于設(shè)置開(kāi)機(jī)默認(rèn)值以及用于和觸摸屏通訊中的參數(shù)修改操作等控制程序。系統(tǒng)的主要程序流程如圖3所示。

圖3 主要程序流程框圖

本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了三種控制方式:手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制主要用于開(kāi)機(jī)后的位置初始化以及設(shè)備調(diào)試；半自動(dòng)控制主要用于開(kāi)始自動(dòng)化生產(chǎn)前的第一刀，用于齊頭；而自動(dòng)控制主要應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，適用于連續(xù)切割動(dòng)作。

2.4 伺服驅(qū)動(dòng)調(diào)試

在整個(gè)系統(tǒng)中，用到最多的就是伺服放大器，因此伺服參數(shù)的設(shè)置對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)精確度有著比較大的影響［3，7］。調(diào)整主要包括三個(gè)方面。

2.4.1 控制模式的選擇 對(duì)于送料、進(jìn)刀以及主軸運(yùn)動(dòng)，控制模式選擇為位置控制；對(duì)于刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，控制模式選擇為轉(zhuǎn)矩控制。

2.4.2 電子齒輪的選擇 電子齒輪比＝編碼器檢測(cè)反饋脈沖/上位機(jī)發(fā)出的指令脈沖。當(dāng)對(duì)控制精度有一定要求時(shí)，都會(huì)根據(jù)脈沖當(dāng)量以及伺服的檢測(cè)反饋脈沖來(lái)確定電子齒輪比，實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)動(dòng)精度。本系統(tǒng)采用的是10mm導(dǎo)程的絲杠，通過(guò)調(diào)整電子齒輪比，設(shè)置指令脈沖的脈沖當(dāng)量為0.001 mm，在伺服不丟步的情況下，理論上最高精度為1 μm，達(dá)到了生產(chǎn)要求。

2.4.3 伺服的自我學(xué)習(xí) 伺服在由空載變?yōu)橛休d荷之后可能會(huì)出現(xiàn)異常，此時(shí)伺服就能夠通過(guò)自適應(yīng)PID學(xué)習(xí)來(lái)做自我調(diào)整。

3 人機(jī)界面HMI設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代設(shè)備自動(dòng)化程度的不斷提高，機(jī)械結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，人機(jī)界面扮演著越來(lái)越重要的角色［8］。本系統(tǒng)采用威綸通TK系列的觸摸屏，人機(jī)界面采用EB8000Project Manager來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用的是模塊化編程方法，然后通過(guò)給對(duì)應(yīng)的模塊賦予地址和數(shù)據(jù)，完成離線和在線模擬后編譯下載到觸摸屏，其中離線模擬不需要連接PLC，在線模擬需要連接PLC。該程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

本系統(tǒng)的人機(jī)界面通過(guò)工業(yè)PC機(jī)串行口（RS485/RS422）與三菱FX3U系列PLC的通訊模塊FX3U-422-BD連接，完成 HMI和PLC的基本CUP之間的通訊，而PLC的相關(guān)數(shù)據(jù)寄存器、輸入輸出寄存器、通用繼電器等都可以通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行讀寫(xiě)。通過(guò)人機(jī)界面可以方便地對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行控制以及數(shù)據(jù)修改、調(diào)試。

圖4 HMI界面設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)切管機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要設(shè)計(jì)自動(dòng)、手動(dòng)界面，其中手動(dòng)界面包含半自動(dòng)操作。為了防止非操作人員的誤操作，設(shè)置界面中設(shè)定入口密碼。圖5所示為自動(dòng)操作界面，在設(shè)定好相關(guān)參數(shù)后，按下開(kāi)始按鈕，系統(tǒng)即進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行。

圖5 觸摸屏自動(dòng)界面

手動(dòng)操作界面如圖6和圖7所示，包括手動(dòng)1界面和手動(dòng)2界面的左邊部分（其中手動(dòng)2界面中的刀1和刀2代表兩個(gè)進(jìn)刀伺服電機(jī)的動(dòng)作）。工人們可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制，主要用于開(kāi)機(jī)后的初始設(shè)置以及刀片校準(zhǔn)時(shí)的調(diào)試。

圖6 手動(dòng)1界面

手動(dòng)2界面的右邊部分是半自動(dòng)起始參數(shù)設(shè)置及控制部分（圖7），在完成夾緊、送料，調(diào)整好進(jìn)刀間距后，按下“刀盤(pán)聯(lián)動(dòng)開(kāi)始”按鈕即可進(jìn)行半自動(dòng)切割。

圖7 手動(dòng)2界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本自動(dòng)切管機(jī)采用了液壓夾緊控制和伺服傳動(dòng)控制，有效實(shí)現(xiàn)了所需動(dòng)作，并達(dá)到一定的控制精度。此外，行星式切割方法可以得到質(zhì)量較高的切削斷面。本設(shè)備在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)切割精度的不足，提高了切削斷面質(zhì)量以及切割效率，配合鎢鋼刀片，從送料到完成切割并退刀，時(shí)間已提高到了約2min/次，且發(fā)熱小，提升了產(chǎn)能。

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