觸摸屏與PLC控制的異型管鋸管機(jī)的設(shè)計

蔣 玲 張 超

（①蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)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(fā)展和人類社會文明進(jìn)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(jī)因機(jī)頭與切管工裝間存在不同程度的干涉，普通的切割機(jī)無法對形狀各異的管件進(jìn)行切割，這就需要開發(fā)設(shè)計一種新型的切割機(jī)，以滿足異型管件切割的需要。本異型管鋸管機(jī)就是基于這一需要開發(fā)的，已獲得了發(fā)明專利（專利號:200810039389）。

該異型管鋸管機(jī)采用機(jī)、電、氣一體化設(shè)計，氣動部分采用日本SMC的氣動控制元件，電氣控制系統(tǒng)采用日本三菱PLC、伺服電動機(jī)、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(shè)備維護(hù)非常簡單。該設(shè)備具有操作方便，工作效率高，出現(xiàn)故障自動報警，自動顯示故障位置信息，氣缸、伺服電動機(jī)、三相異步電動機(jī)、指示燈等可全部在設(shè)置屏上手動控制，易于維護(hù)等特點。

1 異型管鋸管機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

異型管鋸管機(jī)主要由機(jī)架、工作臺、銑刀旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、銑刀進(jìn)給機(jī)構(gòu)、管件壓緊機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)和電氣控制等部分組成。

異型管鋸管機(jī)機(jī)架采用矩形管焊接結(jié)構(gòu)，主要用來支撐工作臺及管件加壓機(jī)構(gòu)。850 mm×1 000 mm工作臺用于安裝異型管切管工裝。銑刀旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是異型管鋸管機(jī)的關(guān)鍵部件，電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動通過減速機(jī)、齒輪箱和傳動軸等傳給銑刀鋸片。銑刀進(jìn)給機(jī)構(gòu)是由伺服電動機(jī)拖動整個銑刀旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在直線導(dǎo)軌上做往復(fù)運動，主軸箱的軸端裝有銑刀測速機(jī)構(gòu)，銑刀的進(jìn)給速度根據(jù)其自身轉(zhuǎn)速自動調(diào)整，從而起到保護(hù)銑刀的作用。管件壓緊機(jī)構(gòu)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(jìn)給。主體由1臺伺服電動機(jī)帶動升降臺上下運動，由三相異步電動機(jī)帶動的鋸片固定在升降臺上，鋸片的轉(zhuǎn)速可由修改變頻器參數(shù)來調(diào)節(jié)，升降臺上下運動的速度可以在觸摸屏上設(shè)置。該異型管鋸管機(jī)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(jìn)行。

2 氣動系統(tǒng)設(shè)計

異型管鋸管機(jī)的氣動驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的動力裝置之一，主要實現(xiàn)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(jīng)空氣過濾器后分兩路，一路到控制管件壓緊機(jī)構(gòu)進(jìn)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(tǒng)的工作氣壓應(yīng)為0.5～0.7 MPa。

3 控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先需要確定控制方案，下一步就是PLC工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。在工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點和控制要求，明確控制任務(wù)和范圍以確定所需的操作和動作;然后根據(jù)控制要求，估算輸入/輸出點數(shù)、所需存儲器容量，確定PLC的功能和外部設(shè)備特性等;最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，由于要用PLC控制伺服電動機(jī)，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(jī)型號為WB180－29，速比為29，功率為4 kW;選用三菱公司生產(chǎn)的FR－D740－5.5K－CHT變頻器;選用進(jìn)給減速機(jī)型號為100L2D，速比為9;選用進(jìn)給電動機(jī)是三菱公司生產(chǎn)的伺服電動機(jī)，型號為HC－KFS73，其功率為750 W，伺服驅(qū)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(tǒng)的需要;選用銑刀鋸片的外徑為400 mm，內(nèi)徑為32 mm，厚度為3.5 mm;開關(guān)電源型號為 S－100－DC24。

在系統(tǒng)中，PLC是控制系統(tǒng)的核心，各種開關(guān)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(nèi)部實現(xiàn)，工作過程能在觸摸屏上動態(tài)顯示。總電路圖如圖2所示，伺服電動機(jī)控制系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制程序是異型管鋸管機(jī)設(shè)計的核心，程序設(shè)計的好壞關(guān)系到異型管鋸管機(jī)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(shè)備控制程序設(shè)計由原點回歸程序、手動操作程序和自動操作程序等環(huán)節(jié)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(jī)帶動升降臺做下降運動，當(dāng)接近點完全無信號時升降臺改變方向做上升運動。當(dāng)上升值達(dá)到工作原點位置設(shè)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(jī)帶動升降臺做上升運動，當(dāng)觸摸屏上“切刀當(dāng)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(zhuǎn)、升降臺再做上升運動切割管子開始。當(dāng)“切刀當(dāng)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(zhuǎn)停止;壓緊缸向上返回到原位，伺服電動機(jī)帶動升降臺做下降運動，當(dāng)“切刀當(dāng)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(jié)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(zhuǎn)、升降臺做上升運動，切割管子開始。當(dāng)“切刀當(dāng)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(zhuǎn)停止。壓緊缸向上返回到原位，伺服電動機(jī)帶動升降臺做下降運動，當(dāng)“切刀當(dāng)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(jié)束。

3.2.3 手動單步

“手動單步”是一種間斷而不連續(xù)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(diào)試，二是能夠?qū)γ坎絼幼骷八O(shè)的參數(shù)慢速而仔細(xì)進(jìn)行檢查。每按一次“手動單步”觸摸鍵，設(shè)備只進(jìn)行1個工步動作。注意每次將旋轉(zhuǎn)開關(guān)轉(zhuǎn)為手動檔后的第一次進(jìn)行“手動單步”操作前，一定要先進(jìn)行原點回歸后再進(jìn)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(jìn)行控制，可以提高控制精度和靈活性，使控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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(shè)計（圖5）

利用proface的GP－pro EX2.1編程軟件對觸摸屏的界面進(jìn)行編輯:主界面顯示當(dāng)前北京時間;顯示手/自動狀態(tài);當(dāng)前工件計數(shù)顯示設(shè)備當(dāng)前的運行狀態(tài)。設(shè)備調(diào)機(jī)功能按鈕可切換到設(shè)備調(diào)機(jī)界面;手動調(diào)試功能按鈕可切換到手動調(diào)試界面;參數(shù)設(shè)置功能按鈕可切換到設(shè)備參數(shù)設(shè)置一界面;計數(shù)清零功能按鈕可切換到計數(shù)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(shè)備調(diào)機(jī)功能按鈕進(jìn)入設(shè)備調(diào)機(jī)界面。設(shè)備調(diào)機(jī)界面是用于更換模具切割新型號管材時的機(jī)器調(diào)試和設(shè)置一些必要的參數(shù)。在手動調(diào)試界面下將手/自動選擇開關(guān)旋到手動檔，按相應(yīng)按鈕可操作切刀升降、壓緊缸升降、鋸片旋轉(zhuǎn)停止和水泵打開關(guān)閉等。

在手動調(diào)試界面下，按原位檢查功能按鈕進(jìn)入原位檢查界面。在參數(shù)設(shè)置一界面和參數(shù)設(shè)置二界面可以設(shè)置各種參數(shù);在參數(shù)設(shè)置一界面和參數(shù)設(shè)置二界面可以設(shè)置各種參數(shù)。

5 結(jié)語

異型管鋸管機(jī)從投產(chǎn)以來，運行穩(wěn)定，能夠較好地完成異型管的切割，完全能滿足生產(chǎn)工藝的要求。該設(shè)備采用PLC和觸摸屏控制，大大提高了系統(tǒng)工作可靠性和柔性，運行更加穩(wěn)定，從而提高了異型管鋸管機(jī)的自動化水平，提高了生產(chǎn)效率，減輕了工人勞動強(qiáng)度。

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