基于PLC的熱縮管切管機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：目前在自動化設(shè)備制造領(lǐng)域，為了提高電氣系統(tǒng)安裝和維護(hù)的效率，市場對于熱縮套管這類多功能線束外保護(hù)材料的原材料處理提出了不同的要求，因此需要設(shè)計(jì)一款全自動熱縮管切管機(jī)設(shè)備。文中采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，并與下位機(jī)PLC進(jìn)行控制通信，構(gòu)建了一種用于切割熱縮管的自動化控制系統(tǒng)。首先，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括自動上料、夾緊控制、長度控制以及切割下料4部分；其次，電氣控制系統(tǒng)以PLC作為下位機(jī)的控制核心，通過觸摸屏界面實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、模式切換以及實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。該熱縮管切管機(jī)不僅能處理不同直徑的管件，還能實(shí)現(xiàn)多管多路徑同時(shí)切割，顯著提高了切管效率，對推動熱縮管切管機(jī)的智能化、信息化技術(shù)變革具有重大意義。

關(guān)鍵詞：熱縮管；切管機(jī)；自動化；PLC；控制系統(tǒng)；人機(jī)交互

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-0-03

0 引 言

熱縮管是一種具有形狀記憶功能的多功能產(chǎn)品，在各種管線纜的接續(xù)中能夠起到機(jī)械保護(hù)、環(huán)境保護(hù)、識別、應(yīng)力消除、線束整理以及防潮等作用，被廣泛應(yīng)用于電子、建筑、交通、化工、通信、船舶、航天等領(lǐng)域。隨著這些行業(yè)的不斷發(fā)展和需求的提升，熱縮管市場呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的態(tài)勢，因此對高效、精準(zhǔn)的熱縮管切割設(shè)備的需求也逐漸增加[1]。

在制造過程中熱縮管需要被切割成不同長度和直徑的半成品，以滿足各種管道系統(tǒng)的要求。傳統(tǒng)的手工切割方法不僅效率低，還易出現(xiàn)誤差，造成浪費(fèi)和損失。而普通切管機(jī)的控制方式采用接觸器來實(shí)現(xiàn)，其自動化水平較低。國內(nèi)在該領(lǐng)域起步晚，國外已充分利用其優(yōu)勢占據(jù)了大量的市場份額[2]。雖然一些國內(nèi)產(chǎn)品具有較高性價(jià)比，并能夠滿足一般生產(chǎn)需求，但與國外設(shè)備相比，仍存在技術(shù)差距和品質(zhì)差異。為了解決這些問題，亟需開發(fā)一種高效、精準(zhǔn)的自動化熱縮管切管機(jī)，以提高生產(chǎn)效率、保證切割質(zhì)量和降低人力成本。

1 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

如圖1所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求與各部分的功能可以將整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為4個(gè)部分，即自動上料部分、夾緊控制部分、長度控制部分以及切割下料部分。考慮到電路線束處理過程中對不同直徑熱縮管的需求，設(shè)計(jì)該熱縮管切管機(jī)具有對多型號熱縮管進(jìn)行切割的能力。

自動上料部分可以根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)不同類型的熱縮管上料。熱縮管經(jīng)過橡膠滾筒調(diào)整熱縮管姿態(tài)，再由分撥片將各熱縮管分隔開，固定其所在位置。長度控制與夾緊控制部分由2組伺服電機(jī)[3]驅(qū)動的同步帶傳動機(jī)構(gòu)組成，其中下同步帶機(jī)構(gòu)固定，上同步帶則安裝于絲杠滑臺上。上下同步帶通過步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)夾緊功能，為熱縮管提供足夠的摩擦力，從而精確控制其進(jìn)料速度和長度。長度控制部分是整個(gè)設(shè)備的核心，其功能是按要求使熱縮管輸送出一定的長度，其控制精度直接關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的性能優(yōu)劣。切割下料部分由異步電機(jī)驅(qū)動，采用偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刀具的上下往復(fù)移動，以實(shí)現(xiàn)對推送至相應(yīng)位置的熱縮管的切割操作。

設(shè)備可以完成對不同規(guī)格熱縮管多管多路徑的同時(shí)切割，在控制響應(yīng)和長度精度上能夠滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了模塊的獨(dú)立性，所以該切管機(jī)同樣適用于其他領(lǐng)域，如紡織品原材料、波紋管等線材的處理。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.2.1 自動上料部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

自動上料部分由L型帶座軸承、上料支架、熱縮管料盤、軸套、料盤夾、同步帶、同步帶輪以及步進(jìn)電機(jī)組成[4]。自動上料部分可以根據(jù)實(shí)際需求完成熱縮管的自動旋轉(zhuǎn)上料。在熱縮管上料的過程中，首先由人工或機(jī)械臂將熱縮管放置在上料支架上，套筒按照實(shí)際上料情況調(diào)整料盤軸向位置，料盤夾完成對料盤的軸向固定。隨后由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動同步帶輪，帶動同步帶使固定于上料支架上的熱縮管料盤跟隨轉(zhuǎn)動，完成熱縮管切管機(jī)的自動上料功能。

1.2.2 夾緊控制部分的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

夾緊控制部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)[4]、絲杠模組、行程開關(guān)及輸送裝置的上平臺支架組成。當(dāng)熱縮管卷入輸送同步帶時(shí)，夾緊控制部分根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，帶動絲杠模塊，將步進(jìn)電機(jī)周轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為絲杠模組的直線運(yùn)動，調(diào)整長度控制部分的上下同步帶間隙，其作用是讓熱縮管受到足夠的摩擦力以便于精確控制其進(jìn)料速度和進(jìn)料長度。

1.2.3 長度控制部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

長度控制部分由橡膠滾輪支架、橡膠滾輪、分撥片、光電傳感器、分撥滾輪以及輸送模組組成。在熱縮管上料的過程中，首先由人工或機(jī)械臂將熱縮管依次繞過上橡膠滾輪與下橡膠滾輪，再經(jīng)過分撥片送入輸送模組，在刀具切割前，夾緊控制部分完成對熱縮管的固定。同步帶入口與出口處的光電傳感器判斷熱縮管是否處于切割位置并進(jìn)行反饋。

1.2.4 切割下料部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

切割下料部分由三相交流異步電動機(jī)[5]、電機(jī)支架、光電傳感器、分撥滾輪、刀具模塊以及下料板組成。當(dāng)長度控制部分將熱縮管按輸入?yún)?shù)要求推出輸送模塊時(shí)，熱縮管會經(jīng)過分撥滾輪調(diào)整至正確的切割位置，同時(shí)光電傳感器會檢測刀具的位置并反饋回長度控制模塊。當(dāng)?shù)毒咛幱谙碌段粫r(shí)，長度控制模塊停止動作；當(dāng)?shù)毒咛幱谏系段粫r(shí)，長度控制模塊會繼續(xù)動作，按要求輸送規(guī)定長度的熱縮管。最后下料板會將加工完成的熱縮管分離并下料到規(guī)定位置。

2 PLC控制程序總體框架設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)流程如圖2所示。

本文的控制系統(tǒng)以PLC為核心[6]，按操作方式可分為手動操作和自動運(yùn)行2種模式，并配有復(fù)位按鈕，各步動作均可暫時(shí)停止或急停。

手動操作模式可以分別控制自動上料部分的步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、夾緊控制部分步進(jìn)電機(jī)夾緊與松開、長度控制部分伺服電機(jī)輸送與退出，以及切割下料三相交流異步電機(jī)切割與暫停[7]。

自動運(yùn)行模式具體動作流程如下：系統(tǒng)通電后，首先進(jìn)行初始化，用戶根據(jù)切割需求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；然后將檔位調(diào)至自動，按下“運(yùn)行”，系統(tǒng)進(jìn)入自動運(yùn)行模式[8]。自動運(yùn)行模式中，系統(tǒng)首先根據(jù)輸入?yún)?shù)進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)定公式程序完成計(jì)算，得出運(yùn)行參數(shù)[9]；與此同時(shí)，自動上料部分步進(jìn)電機(jī)啟動，驅(qū)動同步帶輪和同步帶，帶動熱縮管料盤按照運(yùn)行參數(shù)作勻速圓周運(yùn)動實(shí)現(xiàn)自動上料。然后夾緊控制部分根據(jù)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行夾緊，給予加工對象一定的摩擦力。夾緊控制部分完成夾緊后，長度控制部分伺服電機(jī)[10]根據(jù)運(yùn)行參數(shù)轉(zhuǎn)動一定角度，帶動同步帶轉(zhuǎn)動輸送設(shè)定長度的熱縮管；隨后切割下料部分三相交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完成切割。由此，系統(tǒng)單次熱縮管切割流程完成[11]。

每次切割流程完成后，系統(tǒng)對完成切割總量進(jìn)行計(jì)算，判斷其是否達(dá)到設(shè)定要求的切割總量，如果未完成，則跳轉(zhuǎn)到長度控制部分電機(jī)動作，繼續(xù)完成“送管-切管-送管”的循環(huán)過程。若達(dá)到設(shè)定的切割總量，則進(jìn)行夾緊控制步進(jìn)電機(jī)與長度控制伺服電機(jī)復(fù)位[12]。

3 結(jié) 語

本文針對現(xiàn)有熱縮管切管機(jī)存在的問題進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新研究。基于PLC的熱縮管切管機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了熱縮管切管機(jī)的自動化控制，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。該自動化控制系統(tǒng)可以精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)切管操作，避免了人工操作誤差，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。本文研究對熱縮管切管機(jī)的智能化、信息化技術(shù)變革具有重大意義。

注：本文通訊作者為薛亞平。

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作者簡介：孫 萌（2003—），女，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化。

薛亞平（1982—），男，碩士，高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、研究生教育管理。

收稿日期：2023-11-02 修回日期：2023-12-05

基金項(xiàng)目：2023年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目：“切割如風(fēng)”—全自動熱縮管切管機(jī)（11310112311，202311463122E）