淺談PLC 自動(dòng)送料設(shè)備在沖孔加工中的應(yīng)用

程波

（湖南中鐵五新鋼模有限責(zé)任公司，湖南 懷化 418005）

鋼模板是用于混凝土澆筑成型的鋼制模板，由于需要組合使用，每塊模板四周均設(shè)有連接鋼板或連接角鋼，這些連接鋼板和連接角鋼上分布有連接孔用于與其他模板進(jìn)行連接。對(duì)于不同的產(chǎn)品類(lèi)型、不同的客戶要求，連接鋼板和連接角鋼的長(zhǎng)度不同，其上分布的孔的數(shù)量及間距也不相同。

在鋼模板的加工時(shí)，對(duì)于直線型連接鋼板或角鋼，其加工方法為先按模板的長(zhǎng)度下好材料，然后采用沖壓式壓力機(jī)沖孔方式開(kāi)孔。與鉆孔加工相比，沖壓加工的生產(chǎn)效率高，且操作方便，容易保證孔的尺寸與形狀精度。但由于工件的種類(lèi)眾多，每類(lèi)數(shù)量較少，難以形成批量，一直以來(lái)均采用人工送料的辦法，每沖一個(gè)孔后需要人工移動(dòng)一次工件，再對(duì)沖孔位置進(jìn)行確定，因此加工速度慢，也很容易產(chǎn)生孔位誤差；另一方面，對(duì)于大型模板的連接角鋼或鋼板，單件的重量甚至?xí)^(guò)50kg，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度高，易疲勞，操作安全性也不易保證。為保障操作人員的人身安全，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，很有必要采用新的工藝進(jìn)行送料沖孔。

1 自動(dòng)送料設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

自動(dòng)控制送料設(shè)備的結(jié)構(gòu)部分主要由機(jī)座、軌道系統(tǒng)、送料小車(chē)3 部分組成。

1.1 機(jī)座

由角鋼及鋼板加工而成。機(jī)座的臺(tái)面鋼板與支架角鋼鉚焊，形成整體框架后，上表面進(jìn)行銑削機(jī)加工，確保了表面的平整度。臺(tái)座底部設(shè)有若干個(gè)可調(diào)式基座，安裝時(shí)便于適應(yīng)地面的不平整性。

1.2 軌道系統(tǒng)

軌道系統(tǒng)安裝在臺(tái)座的臺(tái)面上，主要由直線導(dǎo)軌和精密齒條組成。直線導(dǎo)軌定位精度高、摩擦力小、潤(rùn)滑方便，可以使工件運(yùn)動(dòng)速度快，電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率小。精密齒條一方面為小車(chē)提供驅(qū)動(dòng)力，另一方面為小車(chē)運(yùn)行進(jìn)行長(zhǎng)度定位。此外，為方便長(zhǎng)大板狀工件的送料，還安裝有托輥。

1.3 送料小車(chē)

送料小車(chē)安裝在軌道系統(tǒng)上，其底部為與直線導(dǎo)軌配合的滑座，內(nèi)部安裝有夾緊氣缸和步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)輸出通過(guò)減速裝置減速后，在減速裝置輸出軸安裝有齒輪，與臺(tái)面上精密齒條嚙合，驅(qū)動(dòng)小車(chē)移動(dòng)。送料小車(chē)前端安裝有夾持機(jī)構(gòu)，用于夾持工件。

除此以外，采用自動(dòng)化送料設(shè)備后，為便于自動(dòng)化操作，對(duì)原有的沖床進(jìn)行了改造，在沖床離合器的連桿上安裝了頂推氣缸，用以代替人工操作控制沖床的沖孔。

1.4 設(shè)備工作原理

設(shè)備工作前，工作人員先對(duì)工件的長(zhǎng)度、孔距等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)備工作時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)先將小車(chē)開(kāi)行到?jīng)_床處，將工件夾持住后，拖行至工件第一個(gè)開(kāi)孔處，然后使沖床連桿氣缸動(dòng)作，控制沖床完成沖孔，沖孔完成后，小車(chē)將工件拖行至第二個(gè)開(kāi)孔處，進(jìn)行第二個(gè)孔的沖壓，以此循環(huán)，全部孔沖壓完畢后，小車(chē)將工件送回到初始位置，夾持機(jī)構(gòu)松開(kāi)，完成整個(gè)工件的沖孔加工。

2 設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)

為了滿足不同工件對(duì)孔的數(shù)量、位置、間距不同的要求，保證設(shè)備穩(wěn)定可靠、操作方便、具有良好的適應(yīng)性，設(shè)備采用了以PLC 為核心的控制系統(tǒng)。

2.1 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

控制系統(tǒng)硬件部分主要由PLC、步進(jìn)系統(tǒng)、人機(jī)界面、輸入主令開(kāi)關(guān)及傳感器、輸出電磁閥等部分組成。

（1）PLC。PLC 是整個(gè)系統(tǒng)的核心元件。本設(shè)備中采用了國(guó)產(chǎn)的信捷XC 系列PLC，該款PLC 運(yùn)算速度快，具有充裕的軟元件容量、豐富的指令集，具備高速脈沖輸出端口，最高能輸出200kHz 的脈沖，可以方便地控制伺服和步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，成本較低。由于需要輸出脈沖用以控制步進(jìn)電機(jī)，故采用了晶體管輸出的PLC。

（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為控制工件的孔距尺寸，控制系統(tǒng)采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，因此可以通過(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，而不存在累積誤差；同時(shí)，可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由于PLC 的信號(hào)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，還配備了步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)器。

（3）人機(jī)界面。人機(jī)界面是操作人員與PLC 信息交互的媒介，也是設(shè)備使用方便性的重要保證，用于設(shè)置工件及系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境較為惡劣，輸入信息量不大，選用了國(guó)產(chǎn)的信捷OP 系列小型人機(jī)界面。該人機(jī)界面雖然屏幕可視范圍較小，但對(duì)環(huán)境適應(yīng)性高，表面IP65構(gòu)造，防水、防油，適用范圍廣，操作人員容易上手，性價(jià)比高。

（4）輸入信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)的輸入主要由主令按鈕和傳感器組成。其中主令按鈕主要用于設(shè)備的啟動(dòng)、停止、急停、運(yùn)行模式選擇，手動(dòng)調(diào)試時(shí)的前進(jìn)、后退等。傳感器則采用了無(wú)觸點(diǎn)的接近開(kāi)關(guān)，其定位精度準(zhǔn)、操作頻率高、使用壽命長(zhǎng)，安裝調(diào)整方便，對(duì)油污等惡劣環(huán)境的適用能力強(qiáng)。在自動(dòng)送料機(jī)多處均安裝有檢測(cè)各關(guān)鍵部位的位置信號(hào)，如夾緊裝置處檢測(cè)工件是否夾緊，在小車(chē)初始位置進(jìn)行零點(diǎn)檢測(cè)，在零點(diǎn)檢測(cè)前后再設(shè)置前超限保護(hù)和減速點(diǎn)檢測(cè)，在設(shè)備尾端進(jìn)行后超限保護(hù)等，此外，還在沖床上也安裝了接近開(kāi)關(guān)用以檢測(cè)沖頭是否回復(fù)到位。

（5）輸出。設(shè)備的輸出均為氣缸的電磁閥，故采用了中間繼電器隔離輸出。

2.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

（1）控制系統(tǒng)的流程圖如圖1 所示?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用了程序流程指令，保證每次只進(jìn)行相應(yīng)的流程運(yùn)行，其它流程則不運(yùn)行，確保了控制程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（2）電機(jī)加減速控制。為了提高設(shè)備運(yùn)行速度，需要電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，但當(dāng)設(shè)備從靜止開(kāi)始啟動(dòng)，控制脈沖提供給驅(qū)動(dòng)器時(shí)，在很短的時(shí)間里，控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數(shù)太多而有可能會(huì)產(chǎn)生異常，同樣的原因，電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中也不能直接停止，因此在對(duì)電機(jī)的控制中采用了變速設(shè)計(jì)，即采用了低速啟動(dòng)—加速—高速運(yùn)行—減速—停止的運(yùn)轉(zhuǎn)曲線，充分利用PLC 專(zhuān)用的脈沖輸出指令，對(duì)工件的運(yùn)行進(jìn)行加減速設(shè)置，使工件及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠。在指令編寫(xiě)時(shí)，針對(duì)自動(dòng)、手動(dòng)、退料等不同的工況設(shè)置了不同的速度特性值，在進(jìn)行不同的流程時(shí)，將其對(duì)應(yīng)的特性值寫(xiě)入脈沖輸出指令的寄存器中，這樣即使程序流程不同，控制系統(tǒng)也能一方面使工件平穩(wěn)運(yùn)行，保證孔位的定位精度，另一方面，使整個(gè)工件加工的工效提高。

圖1

（3）人機(jī)界面。在人機(jī)界面的程序編寫(xiě)中，遵循順序原則，按照操作人員的操作流程，從整體到各單項(xiàng)確定各對(duì)話界面的排列順序，同時(shí)在各界面中又可以相互切換，以方便操作。在人機(jī)界面中編寫(xiě)了多個(gè)設(shè)置界面，設(shè)置的內(nèi)容包括工件總長(zhǎng)度、孔邊距、等或不等孔距、孔數(shù)量等工件參數(shù)，當(dāng)工件發(fā)生變化時(shí)，沖孔前需對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定。除此以外，在人機(jī)界面中還可以對(duì)系統(tǒng)操作模式、運(yùn)行速度等進(jìn)行選擇。

（4）其他軟件設(shè)計(jì)?？刂瞥绦蛟O(shè)計(jì)了手動(dòng)模式，單步模式和自動(dòng)模式，適應(yīng)各種不同情況下的運(yùn)行。在控制程序的編制過(guò)程中，除正常的運(yùn)行程序外，還編寫(xiě)了一些安全保護(hù)程序，例如設(shè)備運(yùn)行前，程序就會(huì)對(duì)將要運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)明顯的不合理（如孔距過(guò)小、孔邊距過(guò)小、孔距和大于工件長(zhǎng)度等），系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示異常，提醒操作人員修改，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 使用效果及結(jié)語(yǔ)

采用自動(dòng)化送料設(shè)備后，在投入不高的情況下，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)的目的，不僅沖孔的速度得以提升，沖孔的精度也得到了提高，特別是對(duì)于長(zhǎng)大以及不等孔距工件，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低，同時(shí)操作人員不再直接接觸沖床，也大大減少了安全事故發(fā)生的可能性，具有很好的應(yīng)用效果。