自動(dòng)送料龍門(mén)式液壓落料機(jī)電氣控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李文玉，王德浩

（山東省青州市高級(jí)技工學(xué)校 機(jī)電工程部，山東青州，262500）

1 自動(dòng)送料龍門(mén)式液壓落料機(jī)電氣控制要求

自動(dòng)送料龍門(mén)式液壓落料機(jī)是具有門(mén)式框架、機(jī)座和自動(dòng)送料臺(tái)的液壓落料機(jī)。門(mén)式框架由立柱和頂梁構(gòu)成，液壓缸和上模安裝在頂梁上，下模安裝在機(jī)座上，落料后的圓盤(pán)坯料（下文簡(jiǎn)稱(chēng)為工件）滑入地坑的接料框里。送料臺(tái)由X軸和Y 軸兩臺(tái)伺服電機(jī)帶動(dòng)把鋼板板材送至上模和下模之間，送料到位后上模由液壓缸活塞桿帶動(dòng)下行，完成對(duì)板材的落料加工后回升至上限位。

自動(dòng)送料龍門(mén)式液壓落料機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求如下：

（1）根據(jù)工件直徑和板材長(zhǎng)、寬尺寸的不同，每張板材上沖壓3 列工件，為提高板材利用率，要求相鄰兩列工件如圖1 所示錯(cuò)位排列。每個(gè)工件沖壓前需要輔助夾持，相鄰工件間要求留10mm 左右的間距。

圖1 工件落料順序圖

（2）液壓落料機(jī)每次通電開(kāi)機(jī)，手動(dòng)使X 軸和Y 軸回到零點(diǎn)。

為便于設(shè)備調(diào)整，可在手動(dòng)擋時(shí)對(duì)X軸和Y軸進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)調(diào)整、連續(xù)運(yùn)行和定長(zhǎng)運(yùn)行。

啟動(dòng)液壓泵后可手動(dòng)對(duì)上模進(jìn)行上升、下降操作。

自動(dòng)擋循環(huán)啟動(dòng)前，先手動(dòng)使上?；厣辽现裹c(diǎn)。

（3）自動(dòng)擋時(shí)，板材裝夾完成并啟動(dòng)液壓泵后讓自動(dòng)運(yùn)行開(kāi)關(guān)ON，液壓落料機(jī)按照?qǐng)D1 所示加工順序自動(dòng)完成整張板材上全部工件的落料加工，加工完畢X 軸和Y 軸自動(dòng)回到零點(diǎn)，等待對(duì)下一張板材的落料加工。

（4）自動(dòng)落料加工工程中，急停按鈕按下時(shí)液壓泵停機(jī)，兩軸運(yùn)動(dòng)均立刻停止。

2 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)電氣控制要求選用西門(mén)子S7-200 SMART 系列PLC 的CPU ST40，該型號(hào)PLC 有三路脈沖輸出，本例中使用其中兩路脈沖輸出，脈沖輸出頻率為2 @ 100 kHz；觸摸屏型號(hào)為SMART 700 IE V3；伺服驅(qū)動(dòng)器選用廣東伊萊斯電機(jī)有限公司的ESDB 025AE，配套伺服電機(jī)型號(hào)為130EMA-100CE22。

電路原理圖如圖2 所示。根據(jù)電路功能分析如下。

圖2 液壓落料機(jī)電路原理圖

（1）直流24V 電源 型號(hào)為S-350-24 的開(kāi)關(guān)電源為PLC、觸摸屏、4 個(gè)中間繼電器和3 個(gè)液壓電磁閥提供直流24V 電源。

（2）液壓系統(tǒng)控制電路 按下觸摸屏上的“液壓泵啟動(dòng)”按鈕，接在PLC Q1.1 口的中間繼電器KA1 得電并自鎖，液壓泵啟動(dòng)并保持連續(xù)運(yùn)行。為減少液壓泵及液壓油發(fā)熱，只有在上模升降運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓電磁閥YV3 得電液壓泵才能對(duì)外輸出壓力油液。上模的上升和下降由接在PLC Q1.2 口和Q1.3 口的中間繼電器KA2、KA3 控制液壓電磁閥YV1、YV2實(shí)現(xiàn)。

上模的上升、下降位置由接在PLC I0.6 和I0.7 口的行程開(kāi)關(guān)控制。

按下觸摸屏上的“液壓泵停止”按鈕或者按下急停按鈕SB3-1、SB3-2 時(shí)，液壓泵停機(jī)。

（3）伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制電路 廣東伊萊斯電機(jī)有限公司提供詳細(xì)的伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)用戶(hù)手冊(cè)。伺服驅(qū)動(dòng)器采用三相交流220V 供電。本例中伺服驅(qū)動(dòng)器采用位置控制方式，由PLC 的Q0.0 口和Q0.2 口控制X 軸伺服電機(jī)，其中Q0.0 是脈沖輸出口，Q0.2 是方向控制口；PLC 的Q0.1 口和Q0.7 口控制Y 軸伺服電機(jī)，其中Q0.1 是脈沖輸出口，Q0.7 是方向控制口。需要注意的是，在PLC 的Q0.0、Q0.2、Q0.1、Q0.7 口與伺服驅(qū)動(dòng)器的相應(yīng)控制口之間要接入2~2.2kΩ 的限流電阻。

PLC 的I0.0~I0.5 口所接6 個(gè)接近開(kāi)關(guān)均為電感式PNP常開(kāi)型。

除了可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行自動(dòng)擋的循環(huán)啟動(dòng)和暫停控制外，在PLC 的I1.0 口和I1.1 口各接了一個(gè)常開(kāi)按鈕SB1和SB2 用作循環(huán)啟動(dòng)和暫?？刂?。

液壓落料機(jī)尺寸較大，控制柜安放在落料機(jī)機(jī)座附近。急停按鈕SB3-1 和觸摸屏一起安裝在控制柜面板上。循環(huán)啟動(dòng)按鈕SB1、暫停按鈕SB2 和急停按鈕SB3-2 安裝在板材裝夾處的支架上，方便操作工人把板材裝夾到位后就近啟動(dòng)自動(dòng)加工，減少往返走動(dòng)時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 PLC 程序設(shè)計(jì)

受篇幅所限，對(duì)PLC 程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述如下。

3.1 自動(dòng)加工時(shí)X 軸和Y 軸方向進(jìn)給距離的計(jì)算

如圖1 所示，自動(dòng)加工時(shí)，板材由X 軸和Y 軸伺服電機(jī)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)到1 號(hào)工件中心位置，上模下降完成落料加工后回升到上止點(diǎn)位置。此后第一列剩余五個(gè)工件落料時(shí)板材只做X軸方向的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)距離如圖3 所示為AB。第一列工件加工完成后板材需運(yùn)動(dòng)到第七個(gè)工件的位置，此時(shí)板材沿X 軸反向運(yùn)動(dòng)距離為BD，Y 軸方向運(yùn)動(dòng)距離為DC。

圖3 自動(dòng)運(yùn)動(dòng)距離AB、BD、DC 示意圖

運(yùn)動(dòng)距離AB、BD、DC 的計(jì)算程序如圖4、圖5 所示。

圖4 自動(dòng)運(yùn)動(dòng)距離AB、BD 的計(jì)算

圖5 自動(dòng)運(yùn)動(dòng)距離DC 的計(jì)算

3.2 X 軸和Y 軸運(yùn)動(dòng)控制向?qū)гO(shè)置

在S7-200 SMART PLC 的編程軟件STEP7-MicroWIN SMART 中執(zhí)行“工具”菜單下的“運(yùn)動(dòng)”指令，彈出“運(yùn)動(dòng)控制向?qū)А保?對(duì)X 軸組態(tài)如表1 所示。對(duì)Y 軸的組態(tài)可參照X 軸進(jìn)行。正確組態(tài)是編程的重要前提。

表1 X軸運(yùn)動(dòng)控制向?qū)гO(shè)置

說(shuō)明：

（1）“電機(jī)速度”、“JOG 點(diǎn)動(dòng)”、“電機(jī)時(shí)間”、“參考點(diǎn)”是編程軟件STEP7-MicroWIN SMART 中的名稱(chēng)，實(shí)際的液壓落料機(jī)中伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)送料臺(tái)，伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比設(shè)定為3:1，送料臺(tái)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)為：點(diǎn)動(dòng)速度1.0mm/s，最大運(yùn)動(dòng)速度300.0mm/s，最小運(yùn)動(dòng)速度0.06mm/s，啟動(dòng)/停止速度0.6mm/s，快速參考點(diǎn)查找速度6.0mm/s，慢速參考點(diǎn)查找速度0.6mm/s。（2）子程序AXIS0_GOTO 的作用是控制X 軸定長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)；子程序AXIS0_MAN 的作用是手動(dòng)控制X 軸點(diǎn)動(dòng)進(jìn)退、連續(xù)進(jìn)退；子程序AXIS0_RSEEK的作用是控制X軸回參考點(diǎn)。另外，X 軸還有一個(gè)初始化子程序AXIS0_CTRL。

3.3 自動(dòng)擋循環(huán)工作程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)擋循環(huán)工作流程圖如圖6 所示,采用順控繼電器指令編程。

圖6 自動(dòng)擋循環(huán)工作流程圖

自動(dòng)加工過(guò)程中，如果“暫?！卑粹oON，執(zhí)行完相應(yīng)步驟后暫停；等“暫?！卑粹oOFF 后繼續(xù)執(zhí)行下一步。

如果按下“急?！卑粹o，液壓泵、X 軸和Y 軸都停止運(yùn)動(dòng)，解除急停后需從第一列第一個(gè)工件開(kāi)始落料加工。

4 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

4.1 建立變量表

打開(kāi)WinCC flexible SMART V3 觸摸屏編程軟件，建立變量表，如表2 所示。

表2 觸摸屏程序設(shè)計(jì)變量表

4.2 設(shè)計(jì)觸摸屏畫(huà)面

共設(shè)計(jì)3 個(gè)觸摸屏畫(huà)面，分別是主控畫(huà)面、參數(shù)畫(huà)面和手動(dòng)畫(huà)面。三個(gè)觸摸屏畫(huà)面分別如圖7、8、9 所示。

圖7 觸摸屏主控畫(huà)面

圖8 觸摸屏參數(shù)畫(huà)面

圖9 觸摸屏手動(dòng)畫(huà)面

5 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置與參數(shù)調(diào)整

5.1 伺服驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)介

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用廣東伊萊斯電機(jī)有限公司的伺服驅(qū)動(dòng)裝置。廣東伊萊斯電機(jī)有限公司的網(wǎng)址為http://www.elesy.cn，用戶(hù)可登錄公司網(wǎng)站下載所需資料。伺服電動(dòng)機(jī)M1、M2 的型號(hào)為130EMA-100CE22，該電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩10.0Nm、額定轉(zhuǎn)速2000r/min、反饋元件為增量式編碼器、額定電流9.0A、額定功率2.1KW。

兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)采用ESDB-025AE 伺服驅(qū)動(dòng)器DR1、DR2 驅(qū)動(dòng)，該伺服驅(qū)動(dòng)器輸出功率2.5KW，適配2500 線(xiàn)增量式編碼器，伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈需要10000 個(gè)脈沖。

5.2 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

額定轉(zhuǎn)速2000r/min 的伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)導(dǎo)程為10.0mm 的滾珠絲杠帶動(dòng)送料臺(tái)和板材運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)1 圈的送料長(zhǎng)度為10.0mm，則能達(dá)到的最快送料速度為10.0mm/r×2000r/min÷60s/min ≈333.33mm/s。因?yàn)樗肞LC 的脈沖輸出頻率為2 @ 100kHz，為達(dá)到333.33mm/s 的最快送料速度，需要設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比為10:3。本例中伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比設(shè)為3:1，最快送料速度能達(dá)到300.0mm/s 即可滿(mǎn)足使用要求。伺服驅(qū)動(dòng)器的主要參數(shù)設(shè)置如表3 所示。

表3 伺服驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)設(shè)置

6 系統(tǒng)調(diào)試

檢測(cè)接線(xiàn)無(wú)誤后通電試機(jī)。首先要確認(rèn)液壓泵電機(jī)轉(zhuǎn)向正確，各個(gè)動(dòng)作手動(dòng)試機(jī)正常且X 軸和Y 軸都回到了零點(diǎn)、上?；厣辽舷尬缓蟛拍苓M(jìn)行自動(dòng)落料加工。

7 結(jié)束語(yǔ)

(1)觸摸屏、PLC、液氣壓傳動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)控制的綜合應(yīng)用日益廣泛，掌握其硬件電路設(shè)計(jì)、PLC 編程、觸摸屏編程、伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置及其綜合調(diào)試成為工業(yè)自動(dòng)化從業(yè)者的基本要求。本文旨在通過(guò)項(xiàng)目實(shí)例給初入門(mén)者提供完整的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)理念。

(2)當(dāng)前職業(yè)院校大力推行校企合作、工學(xué)一體化教學(xué)改革，把合作企業(yè)的真實(shí)設(shè)備開(kāi)發(fā)項(xiàng)目與PLC 專(zhuān)業(yè)教學(xué)相結(jié)合，目標(biāo)明確、針對(duì)性強(qiáng)，有助于提高教學(xué)效果。