觸摸屏與PLC控制的異型管鋸管機的設計

蔣 玲 張 超

（①蕪湖職業技術學院電氣系，安徽蕪湖241006;②蕪湖恒耀汽車零部件有限公司，安徽蕪湖 241000）

汽車是科技發展和人類社會文明進步的象征。在汽車歧管的制造中，有各種各樣的異型管件需要定制切割，普通的自上而下管件切割機因機頭與切管工裝間存在不同程度的干涉，普通的切割機無法對形狀各異的管件進行切割，這就需要開發設計一種新型的切割機，以滿足異型管件切割的需要。本異型管鋸管機就是基于這一需要開發的，已獲得了發明專利（專利號:200810039389）。

該異型管鋸管機采用機、電、氣一體化設計，氣動部分采用日本SMC的氣動控制元件，電氣控制系統采用日本三菱PLC、伺服電動機、變頻器及PROFACE的觸摸屏，并提供手動測試、故障提示等功能，使設備維護非常簡單。該設備具有操作方便，工作效率高，出現故障自動報警，自動顯示故障位置信息，氣缸、伺服電動機、三相異步電動機、指示燈等可全部在設置屏上手動控制，易于維護等特點。

1 異型管鋸管機結構與工作原理

異型管鋸管機主要由機架、工作臺、銑刀旋轉機構、銑刀進給機構、管件壓緊機構、冷卻系統和電氣控制等部分組成。

異型管鋸管機機架采用矩形管焊接結構，主要用來支撐工作臺及管件加壓機構。850 mm×1 000 mm工作臺用于安裝異型管切管工裝。銑刀旋轉機構是異型管鋸管機的關鍵部件，電動機的旋轉運動通過減速機、齒輪箱和傳動軸等傳給銑刀鋸片。銑刀進給機構是由伺服電動機拖動整個銑刀旋轉機構在直線導軌上做往復運動，主軸箱的軸端裝有銑刀測速機構，銑刀的進給速度根據其自身轉速自動調整，從而起到保護銑刀的作用。管件壓緊機構采用SC125X200大型號氣缸，可使夾具快速壓牢管件。鋸片在工作臺的下面，鋸管時鋸片自下向上進給。主體由1臺伺服電動機帶動升降臺上下運動，由三相異步電動機帶動的鋸片固定在升降臺上，鋸片的轉速可由修改變頻器參數來調節，升降臺上下運動的速度可以在觸摸屏上設置。該異型管鋸管機采用自動和手動2種工作方式，采用自動方式時，除人工裝卸管件外，其余工作均自動進行。

2 氣動系統設計

異型管鋸管機的氣動驅動系統是驅動執行機構運動的動力裝置之一，主要實現裝卸管件時夾具的夾緊與松開的動作，氣動原理如圖1所示。工作過程為:壓縮空氣經空氣過濾器后分兩路，一路到控制管件壓緊機構進退的控制氣缸，另一路到控制底座夾具壓緊的控制氣缸。氣動系統的工作氣壓應為0.5～0.7 MPa。

3 控制系統

3.1 系統硬件設計

在PLC系統設計時，首先需要確定控制方案，下一步就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。在工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點和控制要求，明確控制任務和范圍以確定所需的操作和動作;然后根據控制要求，估算輸入/輸出點數、所需存儲器容量，確定PLC的功能和外部設備特性等;最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統。在該系統中，由于要用PLC控制伺服電動機，控制部分采用三菱FX1N－40MT可編程控制器，本研究采用的PLC有24個輸入和16個輸出。選用鋸片傳動減速電動機型號為WB180－29，速比為29，功率為4 kW;選用三菱公司生產的FR－D740－5.5K－CHT變頻器;選用進給減速機型號為100L2D，速比為9;選用進給電動機是三菱公司生產的伺服電動機，型號為HC－KFS73，其功率為750 W，伺服驅動器型號為MR－J3－70A;選用冷卻泵的型號為AB－12，功率為40 W;選用proface的觸摸屏，型號為 AST3301W－B1－D24，其畫面空間比較充足，完全符合控制系統的需要;選用銑刀鋸片的外徑為400 mm，內徑為32 mm，厚度為3.5 mm;開關電源型號為 S－100－DC24。

在系統中，PLC是控制系統的核心，各種開關量都與PLC的輸入端相連，PLC輸出端主要與要控制的電磁閥、接觸器和報警信號等相連。各種邏輯控制全部在PLC內部實現，工作過程能在觸摸屏上動態顯示。總電路圖如圖2所示，伺服電動機控制系統電路圖如圖3所示。

3.2 系統軟件設計

控制程序是異型管鋸管機設計的核心，程序設計的好壞關系到異型管鋸管機使用性能和操作方便性.同時須考慮程序的工作效率。因此，該設備控制程序設計由原點回歸程序、手動操作程序和自動操作程序等環節組成。

3.2.1 原點回歸

按原點回歸按鈕壓緊缸向上返回到原位，伺服電動機帶動升降臺做下降運動，當接近點完全無信號時升降臺改變方向做上升運動。當上升值達到工作原點位置設定值時原點回歸停止，原位指示燈亮。

3.2.2 自動運行

（1）原點回歸后的第一次自動運行

雙手按啟動按鈕，壓緊缸向下壓緊到位，伺服電動機帶動升降臺做上升運動，當觸摸屏上“切刀當前位置”的值與“切割最低點位置”的值相等時，上升暫停;切刀旋轉、升降臺再做上升運動切割管子開始。當“切刀當前位置”的值與“切割最高點位置”的值相等時，上升停止，切刀旋轉停止;壓緊缸向上返回到原位，伺服電動機帶動升降臺做下降運動，當“切刀當前位置”的值與“切割最低點位置”的值相等時，下降停止。原點回歸后的第一次自動運行結束。

（2）第二次及以后自動運行

雙手按啟動按鈕，壓緊缸向下壓緊到位，切刀旋轉、升降臺做上升運動，切割管子開始。當“切刀當前位置”的值與“切割最高點位置”的值相等時，上升停止，切刀旋轉停止。壓緊缸向上返回到原位，伺服電動機帶動升降臺做下降運動，當“切刀當前位置”的值與“切割最低點位置”的值相等時，下降停止。第二次及以后自動運行結束。

3.2.3 手動單步

“手動單步”是一種間斷而不連續的半自動運行，手動單步必須在手動檔才能操作。其作用一是便于更換工模夾具時調試，二是能夠對每步動作及所設的參數慢速而仔細進行檢查。每按一次“手動單步”觸摸鍵，設備只進行1個工步動作。注意每次將旋轉開關轉為手動檔后的第一次進行“手動單步”操作前，一定要先進行原點回歸后再進行手動單步。

手動單步和自動運行程序一樣分為原點回歸后第一次與第二次及以后手動單步。

利用PLC進行控制，可以提高控制精度和靈活性，使控制系統的硬件結構得到簡化。PLC的I/O端子接線如圖4所示。

4 觸摸屏界面的設計（圖5）

利用proface的GP－pro EX2.1編程軟件對觸摸屏的界面進行編輯:主界面顯示當前北京時間;顯示手/自動狀態;當前工件計數顯示設備當前的運行狀態。設備調機功能按鈕可切換到設備調機界面;手動調試功能按鈕可切換到手動調試界面;參數設置功能按鈕可切換到設備參數設置一界面;計數清零功能按鈕可切換到計數清零界面;故障報警功能按鈕可切換到故障報警界面。

在主界面下按設備調機功能按鈕進入設備調機界面。設備調機界面是用于更換模具切割新型號管材時的機器調試和設置一些必要的參數。在手動調試界面下將手/自動選擇開關旋到手動檔，按相應按鈕可操作切刀升降、壓緊缸升降、鋸片旋轉停止和水泵打開關閉等。

在手動調試界面下，按原位檢查功能按鈕進入原位檢查界面。在參數設置一界面和參數設置二界面可以設置各種參數;在參數設置一界面和參數設置二界面可以設置各種參數。

5 結語

異型管鋸管機從投產以來，運行穩定，能夠較好地完成異型管的切割，完全能滿足生產工藝的要求。該設備采用PLC和觸摸屏控制，大大提高了系統工作可靠性和柔性，運行更加穩定，從而提高了異型管鋸管機的自動化水平，提高了生產效率，減輕了工人勞動強度。

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