基于PLC的筘片裁剪系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

史衛(wèi)朝，王麗潔，徐德凱

（西安理工大學(xué)，西安 710082）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的不斷重視，越來(lái)越多的企業(yè)開始發(fā)展過(guò)濾網(wǎng)產(chǎn)品。鋼筘作為過(guò)濾網(wǎng)生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的配件，筘片的硬度和耐磨性對(duì)過(guò)濾網(wǎng)的生產(chǎn)有著非常重要的影響。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)筘片的材質(zhì)主要為65Mn鋼帶，其特點(diǎn)是：強(qiáng)度高、硬度高、彈性好，抗拉強(qiáng)度σb(MPa)=825MPa～925MPa，熱處理硬度為38HRC～60HRC[1]。紡織配件企業(yè)根據(jù)過(guò)濾網(wǎng)的型號(hào)，通過(guò)計(jì)算確定筘片厚度，一般為0.25mm～1mm。由于65Mn鋼經(jīng)過(guò)淬火后硬度高，傳統(tǒng)沖裁筘片的加工方法不僅會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷模具，而且自動(dòng)編筘機(jī)的剪切裝置無(wú)法裁剪0.4mm厚以上的65Mn鋼帶，因此，研制全自動(dòng)筘片裁剪系統(tǒng)是十分必要的。

本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)現(xiàn)有裁剪設(shè)備分析研究，針對(duì)性地開發(fā)出一套基于PLC控制的筘片裁剪系統(tǒng)，從根本上解決了筘片加工中存在的問(wèn)題。

1 筘片裁剪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)要求

本項(xiàng)目目標(biāo)是研制的筘片裁剪系統(tǒng)基于PLC控制，采用氣動(dòng)送料機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料、裁剪，保證裁剪的筘片尺寸一致，提高筘片裁剪速度及生產(chǎn)效率。企業(yè)對(duì)項(xiàng)目組提出了以下要求：

1）筘片裁剪系統(tǒng)的銷、軸、輪等零件應(yīng)進(jìn)行熱處理，安裝銷栓的孔應(yīng)配銅套，電器配件、線纜均要符合國(guó)標(biāo)要求；

2）裁剪速度≥100片/min；

3）裁剪后筘片長(zhǎng)度誤差≤0.1mm；

4）筘片裁剪系統(tǒng)應(yīng)具有急停裝置、潤(rùn)滑裝置保證使用安全。

1.2 主體機(jī)械結(jié)構(gòu)

筘片裁剪系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括：1）料盤裝置；2）裁剪裝置；3）收料裝置三大部分，如圖1所示。

料盤裝置主要由料架、料盤、電機(jī)、減速器、傳感器等組成，作用是自動(dòng)判定輸送鋼帶的時(shí)間，根據(jù)PLC指令將料盤架上的鋼帶送出。在料盤與送料氣缸之間安裝光電傳感器，在裁剪鋼帶過(guò)程中，光電傳感器檢測(cè)到鋼帶不足并發(fā)送信號(hào)至PLC，PLC控制料盤上的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，料盤旋轉(zhuǎn)送出鋼帶。

圖1 筘片裁剪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

裁剪裝置主要由送料氣缸、手壓剪、底座、氣泵、氣動(dòng)三聯(lián)件、光電傳感器等組成，如圖2所示，其作用是將料盤裝置送出的鋼帶，經(jīng)送料氣缸送入手壓剪內(nèi)，手壓剪在電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，裁剪鋼帶。筘片的長(zhǎng)短可調(diào)整送料氣缸的擋料輪及微調(diào)螺母，送料時(shí)間由光電傳感器判定，當(dāng)手壓剪抬升時(shí)，光電傳感器檢測(cè)到信號(hào)，且發(fā)送至PLC，PLC通過(guò)繼電器控制電磁閥工作，氣缸送料，同時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。送料氣缸可選擇標(biāo)準(zhǔn)型AF-4C氣動(dòng)送料機(jī)，其最大送料寬度為100mm，最大送料長(zhǎng)度為130mm，滿足筘片裁剪要求；選用三相立式380V電機(jī)和NMRV蝸輪蝸桿減速機(jī)，電機(jī)功率為750W。

圖2 裁剪裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易圖

收料裝置主要是將筘片按裁剪的順序依次回收，由接料盒和平行氣動(dòng)手指組成。當(dāng)接料盒中的筘片數(shù)目達(dá)到規(guī)定值后，計(jì)數(shù)器發(fā)出信號(hào)，PLC控制送料氣缸停止工作，同時(shí)平行氣動(dòng)手指松開，操作人員取出接料盒。根據(jù)夾持力的計(jì)算公式[2]：

式中，F(xiàn)為夾持力（N）；m為工件質(zhì)量（kg）；g為重力加速度；μ為配件與工件之間的摩擦系數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，選擇HFZ16平行氣動(dòng)手指作為夾持元件。此外接料盒尺寸不宜過(guò)大，避免筘片凌亂疊加。

1.3 工作原理

筘片裁剪系統(tǒng)工作時(shí)主要依靠送料氣缸將鋼帶依序送至手壓剪內(nèi)，手壓剪運(yùn)動(dòng)完成裁剪。具體工作過(guò)程如下：料盤與送料氣缸之間的光電傳感器發(fā)出輸送鋼帶信號(hào)，PLC接收信號(hào)后驅(qū)動(dòng)料盤上電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成鋼帶輸送；同時(shí)裁剪電機(jī)啟動(dòng)，安裝在手壓剪附近的傳感器檢測(cè)到手壓剪抬升的信號(hào)，發(fā)送至PLC，PLC控制繼電器及電磁閥工作，送料氣缸在電磁閥的控制下依次將長(zhǎng)度相同的鋼帶送入手壓剪內(nèi)，手壓剪上下運(yùn)動(dòng)裁剪鋼帶，裁剪后的鋼帶依次落至接料盒內(nèi)，當(dāng)筘片達(dá)到規(guī)定數(shù)目后，PLC發(fā)出信號(hào)，送料氣缸及裁剪電機(jī)停止工作，且平行手指松開，操作人員取出接料盒。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制電路設(shè)計(jì)

筘片裁剪系統(tǒng)基于PLC控制，借助三相異步電機(jī)和氣缸的運(yùn)動(dòng)完成鋼帶的裁剪。在外部三相電及氣泵的帶動(dòng)下，通過(guò)電機(jī)的啟動(dòng)停止、送料氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)及夾緊氣缸的工作完成控制系統(tǒng)要求的動(dòng)作，主要輔助元件有接觸器、繼電器、電磁閥及計(jì)數(shù)器等，圖3為筘片裁剪系統(tǒng)主電路圖。

圖3 筘片裁剪系統(tǒng)主電路圖

此外在設(shè)計(jì)控制電路系統(tǒng)時(shí)，考慮到各種技術(shù)要求[3]，確定采用西門子S7-200型PLC作為筘片裁剪系統(tǒng)的控制主機(jī)。由于控制系統(tǒng)有11個(gè)數(shù)字輸入量，4個(gè)數(shù)字輸出量，故確定CPU224為CPU模塊，表1為PLC輸入輸出分配表，圖4為筘片裁剪系統(tǒng)控制原理圖。

表1 PLC輸入輸出分配表

圖4 筘片裁剪系統(tǒng)控制原理圖

2.2 控制程序設(shè)計(jì)

筘片裁剪系統(tǒng)的各個(gè)裝置在PLC及輔助元件的控制下，按規(guī)定的邏輯順序工作。我們采用西門子STEP7編程軟件對(duì)PLC程序進(jìn)行編寫，該軟件可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語(yǔ)句表進(jìn)行編程操作，圖5為控制程序流程圖。

圖5 控制程序流程圖

3 筘片裁剪系統(tǒng)特點(diǎn)

開發(fā)的筘片裁剪系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的裁剪設(shè)備具有以下特點(diǎn)：1）裁剪速度快，采用的自動(dòng)送料氣缸較機(jī)械式自動(dòng)送料機(jī)運(yùn)行速度快，穩(wěn)定性好，性價(jià)比高；2）自動(dòng)化程度高，在整個(gè)筘片裁剪過(guò)程中，所有動(dòng)作均有PLC控制，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝維護(hù)且維護(hù)。

目前，筘片裁剪系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某紡織器材配件廠。結(jié)果表明，使用該筘片裁剪系統(tǒng)后，企業(yè)筘片裁剪效率大幅提高，生產(chǎn)周期由原來(lái)的3小時(shí)縮短至0.5小時(shí)，故障率低；生產(chǎn)成本較前降低了60%左右，為企業(yè)帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)過(guò)濾產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，過(guò)濾產(chǎn)品對(duì)筘片要求不斷提高。利用項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的筘片裁剪系統(tǒng)能夠滿足筘片的裁剪需求，同時(shí)也滿足自動(dòng)控制的要求，對(duì)鋼筘行業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量提高具有很好的促進(jìn)作用。

[1]機(jī)械設(shè)計(jì)編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第三版[Z].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1986.

[2]姜繼海.液壓與氣動(dòng)傳動(dòng)[M].北京:高等教育出版社,2010.

[3]林小寧.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.