自動(dòng)切割圓管設(shè)備的設(shè)計(jì)與控制

□ 蔡漢明 □ 董新華 □ 郝同暉 □ 常瑞鵬

青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061

自動(dòng)切割圓管設(shè)備是一種用于切割單根圓管的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備，針對(duì)不同長(zhǎng)度和材料的圓管，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割。半自動(dòng)化切割圓管設(shè)備是較為常見的設(shè)備，但是很難獲得更高的工作效率［1］，而全自動(dòng)切割圓管設(shè)備具有更廣闊的發(fā)展空間，需要進(jìn)一步探索［2］。

通過借鑒半自動(dòng)化切割圓管設(shè)備的有關(guān)資料，基于可編程序控制器（PLC）設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)切割圓管設(shè)備，根據(jù)所需尺寸可切割出定長(zhǎng)的圓管，具有自動(dòng)、手動(dòng)及單循環(huán)三種控制模式，可實(shí)現(xiàn)夾緊、送料及切割動(dòng)作［3］。

1 自動(dòng)切割圓管設(shè)備概述

基于PLC的自動(dòng)切割圓管設(shè)備，其工作原理與半自動(dòng)切割圓管設(shè)備類似，即夾緊機(jī)構(gòu)檢測(cè)到有圓管時(shí)自動(dòng)夾緊，送料氣缸伸出推動(dòng)圓管，到達(dá)指定位置后升降機(jī)構(gòu)下降進(jìn)行切割。整個(gè)切割圓管設(shè)備由三大部分組成。第一部分是夾緊部分，用于夾緊圓管。第二部分是送料部分，送料氣缸伸出，推動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)到達(dá)指定切割位置。第三部分是升降及切割部分。自動(dòng)切割圓管設(shè)備如圖1所示。

2 氣動(dòng)系統(tǒng)

自動(dòng)切割圓管設(shè)備以氣缸作為執(zhí)行元件，工作時(shí)三個(gè)氣缸和一臺(tái)電動(dòng)機(jī)按照預(yù)定的程序先后動(dòng)作，其氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

（1）系統(tǒng)過壓卸載保護(hù)控制。當(dāng)系統(tǒng)通電后，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)氣壓泵工作。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過預(yù)設(shè)的壓力值時(shí)，西門子S7-1200系列PLC通過控制電磁換向閥7YA得電，使多余的氣體從溢流閥的先導(dǎo)閥口迅速排出。當(dāng)系統(tǒng)壓力在正常范圍之內(nèi)時(shí)，PLC通過控制電磁換向閥7YA失電，使兩位兩通電磁換向閥閥口關(guān)閉，氣壓泵恢復(fù)常態(tài)。

（2）系統(tǒng)回原點(diǎn)控制。系統(tǒng)通電之前，各個(gè)電磁換向閥處于中位，閥口均關(guān)閉。系統(tǒng)通電之后，無(wú)論各氣缸運(yùn)行到何處，都將默認(rèn)進(jìn)入初始化狀態(tài)，各氣缸磁感應(yīng)開關(guān)、壓力表及電磁閥進(jìn)入自檢狀態(tài)。若夾緊氣缸的左端磁感應(yīng)器未檢測(cè)到缸桿到位，則系統(tǒng)首先執(zhí)行送料氣缸回原點(diǎn)動(dòng)作，再使電磁閥右位3YA得電，夾緊氣缸缸桿縮回到原點(diǎn)。若送料氣缸的左端磁感應(yīng)器未檢測(cè)到缸桿到位，則電磁閥右位2YA得電，使送料氣缸的缸桿左移到最左端。若升降氣缸的上端磁感應(yīng)器未檢測(cè)到缸桿到位，則系統(tǒng)首先按順序分別執(zhí)行夾緊氣缸和送料氣缸回原點(diǎn)動(dòng)作，再使電磁閥右位6YA得電，執(zhí)行升降氣缸回原點(diǎn)動(dòng)作，并使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

▲圖1 自動(dòng)切割圓管設(shè)備示意圖

▲圖2 自動(dòng)切割圓管設(shè)備氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

（3）系統(tǒng)正常工作的手動(dòng)控制模式。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化之后，系統(tǒng)將一直保持無(wú)動(dòng)作運(yùn)行，此時(shí)用戶可根據(jù)自己的需求選擇手動(dòng)、單循環(huán)和自動(dòng)三種模式中的一種。在手動(dòng)模式下，電磁閥1YA得電時(shí)，送料氣缸缸桿伸出執(zhí)行送料動(dòng)作。電磁閥2YA得電時(shí)，送料氣缸缸桿執(zhí)行快退動(dòng)作。電磁閥3YA得電時(shí)，夾緊氣缸缸桿執(zhí)行夾緊動(dòng)作。電磁閥4YA得電時(shí)，夾緊氣缸缸桿執(zhí)行松開動(dòng)作。電磁閥5YA得電時(shí)，升降氣缸缸桿執(zhí)行縮回動(dòng)作，且電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，執(zhí)行切割動(dòng)作。電磁閥6YA得電時(shí)，升降氣缸缸桿伸出，且電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

（4）系統(tǒng)正常工作的自動(dòng)控制模式。系統(tǒng)通電進(jìn)入初始化后，在自動(dòng)控制模式下，設(shè)備執(zhí)行預(yù)先設(shè)定順序的動(dòng)作，依次為夾緊、送料、氣缸升降及切割。當(dāng)需要切割短材料時(shí)，設(shè)備執(zhí)行夾緊和送料動(dòng)作之后，夾緊氣缸和送料氣缸返回原點(diǎn)位置，傳感器未檢測(cè)到圓管到位，此時(shí)還需執(zhí)行多次夾緊和送料動(dòng)作，直到傳感器檢測(cè)到圓管到位，然后氣缸下降執(zhí)行切割動(dòng)作。由于圓管的總長(zhǎng)度視為無(wú)限長(zhǎng)，且需要設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，因此有必要循環(huán)執(zhí)行以上動(dòng)作。自動(dòng)切割圓管設(shè)備工作流程如圖3所示。

▲圖3 系統(tǒng)自動(dòng)控制模式流程圖

（5）系統(tǒng)正常工作的單循環(huán)控制模式。單循環(huán)控制模式是在自動(dòng)控制模式的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。單循環(huán)控制模式下，系統(tǒng)以切割動(dòng)作的完成作為程序結(jié)束的標(biāo)志，僅執(zhí)行一次，所有氣缸動(dòng)作完成后立即執(zhí)行回原點(diǎn)動(dòng)作，否則后續(xù)控制動(dòng)作將無(wú)法正常進(jìn)行。

（6）信號(hào)報(bào)警控制。當(dāng)系統(tǒng)處于正常狀態(tài)工作時(shí)，由傳感器檢測(cè)工作臺(tái)上有無(wú)圓管，若工作臺(tái)上突然沒有圓管，為了防止設(shè)備誤動(dòng)作，報(bào)警燈立即報(bào)警，此時(shí)系統(tǒng)停止工作，各個(gè)氣缸自動(dòng)返回原點(diǎn)，同時(shí)電動(dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。系統(tǒng)將直至檢測(cè)到有圓管信號(hào)后再次執(zhí)行動(dòng)作。

3 控制系統(tǒng)

3.1 硬件配置

自動(dòng)切割圓管設(shè)備選擇西門子S7-1200系列PLC，這一系列PLC體積小，質(zhì)量輕，響應(yīng)速度快，工作性能穩(wěn)定可靠［4］?？刂葡到y(tǒng)主要包括PLC、直流隔離電源、兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)、換向閥、各種開關(guān)、按鈕、光電傳感器、磁感應(yīng)器等，硬件選型見表1。

自動(dòng)切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)硬件如圖4所示。

▲圖4 自動(dòng)切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)硬件

表1 控制系統(tǒng)硬件選型

3.2 PLC接線

自動(dòng)切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)PLC外部接線如圖5所示。自動(dòng)切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)的程序編寫是比較復(fù)雜的，因其不僅有手動(dòng)、自動(dòng)、單循環(huán)三種控制模式，而且有報(bào)警、蜂鳴器、自檢等輔助程序［5-6］。

▲圖5 自動(dòng)切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)PLC外部接線圖

3.3 程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制切割圓管設(shè)備的三種控制模式是互不干擾的，所以程序中的三個(gè)功能塊是相互獨(dú)立的［7-8］。在TIA Portal軟件的主程序中調(diào)用手動(dòng)和自動(dòng)程序功能塊非常方便。梯形圖程序采用順序控制法設(shè)計(jì)，利用輔助線圈的自鎖和互鎖實(shí)現(xiàn)控制功能［9］。自動(dòng)切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)自動(dòng)控制模式編程如圖6所示。

▲圖6 自動(dòng)切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)自動(dòng)控制模式編程

4 檢驗(yàn)測(cè)試

選用不同長(zhǎng)度的圓管進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 自動(dòng)切割圓管設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)果表明，自動(dòng)切割圓管設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)和控制方案是合理的。因?yàn)橐獮榫庸ち粲杏嗔?，所以客戶?guī)定的余量要求為0～5 mm，使用游標(biāo)卡尺所測(cè)得的測(cè)試數(shù)據(jù)誤差在0～4 mm之間，滿足客戶要求［10］。測(cè)試證明自動(dòng)切割圓管設(shè)備的總體設(shè)計(jì)和控制方案是可行的。

5 結(jié)論

自動(dòng)切割圓管設(shè)備基于市場(chǎng)需求設(shè)計(jì)，在分析工作原理和邏輯控制的基礎(chǔ)上，采用PLC控制，具有可靠性高、使用維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)、易學(xué)易用等特點(diǎn)［10］。設(shè)備經(jīng)多次試用，證明了控制方式和設(shè)計(jì)方案是可行的，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性良好。

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