一種斷絲保護裝置在拉絲機工藝系統(tǒng)中的設計研究

袁有明 黃晶 龐杰林 肖再敏

摘要：電工合金材料的冷拉拔工藝是使用拉絲機來實現(xiàn)的。本文簡要介紹了一款由編碼器、觸摸屏、變頻器、測距傳感器、PLC等構(gòu)成的拉絲機斷絲保護裝置，通過增加編碼器及測距傳感器的應用，可實現(xiàn)設備的斷絲停機、缺料停機及卡盤停機等功能，確保設備在自動運行的情況下穩(wěn)定可靠。保證生產(chǎn)的線材成品的外觀，抗拉強度、延伸率等力學性能合格、穩(wěn)定，以實現(xiàn)拉絲工藝的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：拉絲機 編碼器 電工合金 PLC

1引言

拉絲機是一種高速旋轉(zhuǎn)的機械設備[1]，主要應用在銅合金、不銹鋼及銀基合金材料的拉拔加工，因其良好的實用性、經(jīng)濟性而廣泛應用于各種金屬加工領(lǐng)域[3]。然而，傳統(tǒng)的拉絲機設備結(jié)構(gòu)簡單，設備在自動控制方面較為缺乏，除了必備的啟動、停止及急停操作外，無其他電氣控制功能。在設備的電氣系統(tǒng)構(gòu)造方面，傳統(tǒng)拉絲機配備了三相異步電動機、變頻器、空氣開關(guān)、交流接觸器及一些用于啟保停電路的啟停按鈕等，在產(chǎn)品加工工藝上存在一些不可避免的缺陷，比如：①拉絲過程中線材拉斷后設備無法自動停機，造成線材排線錯亂，從而導致線材表面刮花;②在線材絞絲、卡盤的情況下，設備無法自動停機，造成線材的抗拉強度、延伸率等力學性能不合格;③拉絲結(jié)束時設備無法自動停機，需要人為干預，降低了生產(chǎn)效率，增加了勞動成本等。針對這些缺陷，如何改進設備功能，提高設備工藝穩(wěn)定性，節(jié)約成本一直是各個企業(yè)重點研究的課題。因此，需設計一種自動控制裝置，既能實現(xiàn)拉絲機的平穩(wěn)運行，又能改善拉絲機的拉拔工藝，使企業(yè)降本增效、擴大收益。

針對上述問題，本文設計了一種利用編碼器、變頻器、測距傳感器及基于三菱FX系列PLC的拉絲機斷絲保護裝置，利用PLC的各種邏輯控制功能，通過硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設計，解決傳統(tǒng)拉絲機的控制及工藝缺陷。

2裝置構(gòu)成原理

拉絲機斷絲保護裝置由編碼器、觸摸屏、變頻器、測距傳感器、PLC等構(gòu)成。PLC作為裝置的核心，接受各種傳感器信號，控制設備上的各個電氣部件穩(wěn)定運行，構(gòu)成原理圖如下：

2.1 變頻器工藝設計

合金線材的加工性能不穩(wěn)定大多數(shù)是由拉絲速度不穩(wěn)定造成的，因此線材拉拔時需對拉絲速度嚴格控制，拉絲機的轉(zhuǎn)速必須保持穩(wěn)定。變頻器的控制方式為無速度傳感器矢量控制，能夠?qū)崿F(xiàn)緊急停機。通過觸摸屏設定參數(shù)，由PLC模擬輸出模塊提供給變頻器的模擬信號輸入，準確的控制電機轉(zhuǎn)速[3]。在拉絲開始時為預拉階段，該階段線材緩慢提速避免拉斷，則控制電機以極低的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，并在預拉的過程中逐漸提高轉(zhuǎn)速，直至速度恒定;變頻器的耐波動性可保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定;拉絲結(jié)束的尾段均勻降低轉(zhuǎn)速直至停止，確保線材拉絲工藝穩(wěn)定，同時變頻器的急停功能可以保證設備在出現(xiàn)故障或者事故時緊急停止[3]。

2.2 卡盤停機功能設計

線材卡盤在生產(chǎn)過程中發(fā)生的頻率很高，其原因主要是線材加工過程中進行退火時發(fā)生材料粘連，在放料盤中無法自動排料。當發(fā)生卡盤時，放料盤隨線材被拉動至校直器處。如果設備不能識別卡盤，線材就會被拉斷，進而影響線材的外觀、力學性能。為此在校直器下方設計安裝測距傳感器，當發(fā)生卡盤時，料盤與校直器的距離減小，當距離小于在觸摸屏上設置的傳感器的檢測閥值時，由PLC控制變頻器緊急停止，避免線材拉斷，改善產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3 斷絲檢測功能設計

拉絲模具與拉絲筒之間發(fā)生線材斷裂時，放料盤停止放料，加入編碼器可實現(xiàn)斷絲檢測。具體的工作原理為：在拉絲模具前端放置一個帶有圓形滾輪的編碼器，滾輪壓在線材上，用于判斷滾輪是否旋轉(zhuǎn)，在現(xiàn)實的使用環(huán)境中，當線材斷裂后，滾輪停止旋轉(zhuǎn)，PLC程序中設置了運行時滾輪的監(jiān)控情況，一旦發(fā)現(xiàn)滾輪停止，編碼器立即把信號傳給PLC裝置，由PLC控制變頻器緊急停止，避免了斷絲后設備無法自動停機引起的產(chǎn)品缺陷，保證線材質(zhì)量達到要求。同時，該設計也實現(xiàn)了產(chǎn)品拉絲結(jié)束后設備缺料停機功能。

3 拉絲機電氣系統(tǒng)設計

系統(tǒng)控制硬件主要由編碼器、PLC、觸摸屏、變頻器、測距傳感器組成。PLC采用三菱FX系列，帶14入/10出的數(shù)字信號接口，1路八位模擬輸入及1路八位模擬輸出信號，為解決PLC與變頻器的速度調(diào)節(jié)問題，將PLC自帶的模擬量輸出信號直接傳輸給變頻器，再通過變頻器控制拉絲電機轉(zhuǎn)速，達到對速度穩(wěn)定控制的要求。編碼器使用增量型編碼器，AB相信號輸出。觸摸屏使用步科MT系列，RS485通訊接口與PLC結(jié)合。變頻器功率選用2.2KW[2]，其模擬輸入信號4～20ma來自PLC模擬輸出接口。系統(tǒng)控制圖如圖2所示。

控制系統(tǒng)的軟件設計分為PLC程序設計和觸摸屏頁面程序設計。PLC主程序主要包括系統(tǒng)參數(shù)初始化，測距傳感器輸出信號采集中斷設計、編碼器定時計數(shù)設計、接受觸摸屏參數(shù)設置及輸出控制變頻器信號設計。觸摸屏的程序設計就是人機交互的界面設計，通過觸摸屏上按鈕可以控制測距系統(tǒng)、拉絲機的運行及停止。并提供了自動拉絲模式和手動控制模式。

4 結(jié)語

4.1、本文設計了拉絲機斷絲保護裝置，并通過PLC、編碼器、傳感器和變頻器的運用，實現(xiàn)了對拉絲機的自動控制，滿足了銀基合金線材自動拉拔的生產(chǎn)工藝需求，保證線材的外觀、力學性能達到技術(shù)要求。

4.2、通過實現(xiàn)斷絲停機、缺料停機及卡盤停機等功能，減少人員參與數(shù)量，實現(xiàn)一人操作多臺設備，有利于公司人力成本控制，為企業(yè)降本增效。

參考文獻

[1]凌松，趙海彬，張亮，馮寶林.基于PLC的銀導爆索自動拉絲機控制系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化，2015（12）

[2]繆盤銘.關(guān)于拉絲機拉拔力和功率計算的回答[J]。金屬制品，1999（10）

[3]李亞南，蔣周忠，熊經(jīng)先，袁有明.一種光柵保護器在拉絲機工藝系統(tǒng)中的設計研究[J]。科研，2017（3）

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