基于PLC的銀導(dǎo)爆索自動(dòng)拉絲機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

凌 松，趙海彬，張 亮，馮寶林

（常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，常州 213000）

0 引言

導(dǎo)爆索作為傳爆和引爆的索狀起爆器材[1]，主要用于以引爆炸藥，廣泛使用在軍事、航空航天等領(lǐng)域中。文中涉及的導(dǎo)爆索是企業(yè)針對(duì)特殊應(yīng)用而研制的，其外表是采用銀制的管狀結(jié)構(gòu)，里面為空心，火藥則填充在空心部分。未拉絲之前的導(dǎo)爆索外形如圖1所示。

圖1 銀導(dǎo)爆索

剛生產(chǎn)出的導(dǎo)爆索是直徑相對(duì)較粗的，根據(jù)企業(yè)的要求，需要對(duì)導(dǎo)爆索進(jìn)行逐級(jí)的拉拔至所需規(guī)格直徑的細(xì)絲，同時(shí)在末端保留一小段較粗的部分，以提高末端的爆炸效果，拉絲示意如圖2所示。

圖2 導(dǎo)爆索拉制示意

傳統(tǒng)的拉拔工作主要以手工操作為主，先通過(guò)軋頭機(jī)將粗導(dǎo)爆索頭部軋細(xì)，然后穿過(guò)拉絲模具，在另一端進(jìn)行拉拔，這個(gè)過(guò)程至少需要兩個(gè)人進(jìn)行配合操作，同時(shí)為了保證末端留有一段較粗的部分，需要拉拔的人去感受中間拉力的變化，避免直接拉穿。

本文針對(duì)企業(yè)的拉絲工藝要求，采用了PLC為控制核心，利用拉力傳感器設(shè)計(jì)了導(dǎo)爆索拉絲的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了中間拉拔過(guò)程的自動(dòng)化，大大減輕勞動(dòng)力，同時(shí)提高了拉絲的質(zhì)量和效率。

1 自動(dòng)拉絲機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)拉絲機(jī)的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。拉絲電機(jī)和退絲電機(jī)采用的是防爆伺服電機(jī)，通過(guò)齒輪齒條的方式安裝在直線導(dǎo)軌上，可以在導(dǎo)軌上進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)。拉絲機(jī)的前部是一個(gè)夾持氣爪，用于夾持導(dǎo)爆索，拉絲模具槽固定在拉絲電機(jī)的機(jī)械部分，拉絲模具可以人工進(jìn)行逐級(jí)更換。退絲氣爪安裝在退絲電機(jī)的機(jī)械部分，用于將拉絲完成的導(dǎo)火索自動(dòng)拉出模具。在拉絲工程中為了能夠保留導(dǎo)火索末端的臺(tái)階部分，在夾持氣爪的頂部放置了拉力傳感器，用于實(shí)時(shí)的檢測(cè)拉力變化，使得能準(zhǔn)確停在末端臺(tái)階位置。

圖3 自動(dòng)拉絲機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)拉絲的工作流程為：將所需模具放置在拉絲模具槽內(nèi)，把軋頭完的導(dǎo)爆索穿過(guò)模具后，利用夾持氣爪夾緊導(dǎo)爆索，利用拉絲電機(jī)帶動(dòng)模具往后運(yùn)動(dòng)，同時(shí)拉力傳感器檢測(cè)拉力的變化，到達(dá)末端位置后拉絲電機(jī)自動(dòng)停止，退絲電機(jī)運(yùn)動(dòng)至拉絲電機(jī)處后用退絲氣爪夾持導(dǎo)爆索末端，拉絲電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)完成自動(dòng)退絲。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制要求和難點(diǎn)

根據(jù)企業(yè)對(duì)導(dǎo)爆索的成型要求，對(duì)導(dǎo)爆索的拉拔需要每次穿過(guò)一種孔徑的拉絲模具，按照孔徑減小的方式逐步通過(guò)13種規(guī)格的拉絲模具，也就是完成一根導(dǎo)爆索的拉絲工藝，要經(jīng)過(guò)13次的拉拔操作，同時(shí)需要逐級(jí)拉拔出來(lái)的導(dǎo)爆索最后末端要保留15mm長(zhǎng)的臺(tái)階，其他部分則要保持光滑，如圖2所示。

系統(tǒng)控制的難點(diǎn)主要是對(duì)15mm末端位置的判斷，在13次的拉拔過(guò)程中，拉絲電機(jī)必須能夠準(zhǔn)確停在末端臺(tái)階處，太靠前則容易在導(dǎo)爆索上留下其他臺(tái)階，影響產(chǎn)品質(zhì)量，太靠后則容易拉斷拉爆索。由于末端臺(tái)階處的直徑要大于前端，所以在模具經(jīng)過(guò)臺(tái)階處的拉力會(huì)產(chǎn)生突變，利用拉力傳感器可以采樣整個(gè)拉絲過(guò)程中的拉力值，利用拉力突變來(lái)檢測(cè)臺(tái)階位置。

2.2 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)的硬件部分主要由PLC、伺服電機(jī)、觸摸屏、拉力傳感器組成。PLC選用的是歐姆龍的CP1L，CP1L自帶四路脈沖輸出，可以獨(dú)立控制四路伺服電機(jī)?？紤]到整個(gè)系統(tǒng)的防爆要求，伺服電機(jī)選用的是派克公司的防爆伺服電機(jī)。拉力傳感器采用的電阻應(yīng)變式傳感器[2]，其電壓根據(jù)拉力值可在0±10VDC間變化。其總控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.3 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC程序設(shè)計(jì)和觸摸屏程序界面設(shè)計(jì)[3]。

PLC主程序包括系統(tǒng)參數(shù)的初始化，伺服電機(jī)回原點(diǎn)，拉力突變檢測(cè)。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

檢測(cè)導(dǎo)爆索臺(tái)階處拉力的突變是控制程序的核心部分，在系統(tǒng)中考慮了兩種檢測(cè)方案：

1）方案一：設(shè)定拉絲過(guò)程的最大拉力，直接利用拉力傳感器檢測(cè)拉絲過(guò)程中的最大拉力，達(dá)到設(shè)定值就停止拉絲電機(jī)，默認(rèn)到達(dá)臺(tái)階位置，控制方式比較簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的工作測(cè)試中，經(jīng)過(guò)測(cè)量導(dǎo)爆索經(jīng)過(guò)每個(gè)拉絲模的拉力值均是變化的，最大拉力值如果設(shè)置過(guò)小則拉絲電機(jī)過(guò)早停止會(huì)形成新的臺(tái)階，如果設(shè)置過(guò)大則會(huì)拉斷導(dǎo)爆索。這種方案只能用于通過(guò)單一的拉絲模具，可行性不高。

2）方案二：同時(shí)設(shè)定最大拉力和拉力的變化率，設(shè)定PLC內(nèi)部的定時(shí)器為0.1S為采樣周期，不斷檢測(cè)當(dāng)前值與前一時(shí)刻值的差值，同時(shí)滿足當(dāng)前的差值超過(guò)設(shè)定變化率的值和當(dāng)前拉力值超過(guò)設(shè)定最大值的時(shí)候，認(rèn)為拉絲模已經(jīng)運(yùn)行至末端臺(tái)階處。其控制流程如圖6所示。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證測(cè)試，方案二大大提高了臺(tái)階位置的識(shí)別率，符合實(shí)際的需求。

觸摸屏的程序的設(shè)計(jì)主要是人機(jī)交互的界面，通過(guò)觸摸屏可以設(shè)置最大拉力值、變化率值等控制參數(shù)以及實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的運(yùn)行和停止等操作，系統(tǒng)的人機(jī)界面如圖7所示。

圖6 拉力檢測(cè)流程圖

圖7 觸摸屏操作界面

3 樣機(jī)運(yùn)行調(diào)試

整機(jī)零件設(shè)計(jì)加工，完成裝配后進(jìn)行樣機(jī)調(diào)試。樣機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

在觸摸屏上設(shè)置最大拉力值為2000，拉力變化率為200，待伺服電機(jī)回零完成后，裝入拉絲模具同時(shí)穿入導(dǎo)爆索，夾持氣爪夾緊后，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，拉絲電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行至導(dǎo)爆索臺(tái)階位置后停止，隨后退絲電機(jī)自動(dòng)完成完成退絲流程。圖9為拉絲過(guò)后的導(dǎo)爆索。

圖9 拉制后的導(dǎo)爆索

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定的工作，拉制后的導(dǎo)爆索符合企業(yè)的工藝要求。

[1] 魏林,王高,趙輝,高志強(qiáng),趙慧明.導(dǎo)爆索軸向爆轟波壓力測(cè)試技術(shù)研究[J].工程爆破,2011,17(4):90-93.

[2] 郭懷天,李寶華,趙玉俠,曹彥波.基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子天平的研制[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(16):140-142.

[3] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.