雙軌道棒材打捆機擰絲裝置的研究

李成群，孫常偉，張凈霞

(河北聯合大學機械工程學院，河北唐山 063009)

打捆機是一個集機械、液壓、電子、計算機控制于一體的高科技產品，它利用盤條為捆扎材料，將鋼材捆扎成型，以便于鋼材的運輸、儲存和銷售。擰絲機構是棒材打捆機的關鍵部件，其設計是否合理將直接影響到鋼材捆扎的質量［1］。因此，對擰絲裝置進行研究具有重要的意義。

新型擰絲裝置能夠邊擰緊邊前進，克服了實際擰絲完成后擰絲瓣結易斷裂的缺陷，省去獨立的盤條防脫機構和瓣結擠平機構。針對打捆機的工作環境差、溫度高、擰絲動作頻繁且可靠性要求高等特點，選用西門子公司的S7-200小型可編程控制器［2］，作為控制系統的核心。

1 擰絲裝置機械結構設計

國內目前許多棒材生產線采用進口的全自動打捆機，該設備制造精細，自動化程度高，自備PLC控制系統［3］。擰絲裝置是棒材打捆機的核心部件，無論進口還是國產設備，盤條抽緊時需要獨立的盤條防脫機構，擰絲瓣結擠平需要獨立的擠平機構，擰絲頭只會原地打轉，擰絲完成后有可能會出現擰絲瓣結斷裂的現象。

為解決上述問題，設計出邊旋轉邊前進、盤條防脫和瓣結擠平一體的新型擰絲裝置，如圖1所示。

圖1 雙軌道棒材打捆機擰絲裝置結構簡圖

設計的雙軌道棒材打捆機擰絲裝置，擰絲頭被液壓缸伸出的兩個液壓銷頂緊，兩個液壓銷分別被兩個獨立的供油腔控制。液壓缸心軸另一端通過平鍵和滾珠絲杠連接，滾珠絲杠螺母一端通過花鍵與花鍵套筒連接，滾珠絲杠螺母被徑向固定在固定座上。固定座上面的兩個限位板用于限制滾珠絲杠螺母移動的軸向距離，限位板上裝有壓力傳感器，滾珠絲杠螺母另一端和活塞油缸連接，滾珠絲杠一端的漸開線花鍵插入液壓馬達軸心，液壓馬達末端和角度傳感器相連。

棒材打捆機擰絲裝置的工作原理:當盤條穿過擰絲頭之間的兩個條形槽，通油孔8開始供油，供油腔Ⅰ內充滿高壓油，高壓油推動液壓銷Ⅰ前進，液壓銷Ⅰ頂緊擰絲頭的一瓣，此時條形槽Ⅰ先夾緊盤條，防止抽緊時盤條被抽回去，這時進行抽絲，使盤條抽緊棒材。之后通油孔10開始供油，供油腔Ⅱ內充滿高壓油，高壓油推動液壓銷Ⅱ前進，此時條形槽Ⅱ夾緊盤條。液壓馬達開始供油，馬達的扭矩通過漸開線花鍵Ⅱ和平鍵12傳遞到液壓缸心軸7上，擰絲頭3開始旋轉。滾珠絲杠17和滾珠絲杠螺母15之間為螺旋配合，滾珠絲杠螺母15被花鍵套筒13徑向固定，滾珠絲杠螺母15和活塞缸18相連，在螺旋配合的作用下，液壓缸心軸會邊旋轉邊前進，前進的距離可由馬達旋轉的圈數和滾珠絲杠的螺旋角度計算出來。擰絲結束，活塞缸18供油，活塞推動滾珠絲杠螺母前進，前進力通過滾珠絲杠傳遞到液壓缸心軸上，當滾珠絲杠螺母碰到限位板時，停止直線前進，擰絲頭3擠平擰絲瓣結，擠平的前進距離由限位板16確定。

2 擰絲裝置液壓系統分析

液壓泵由油箱、泵組、電磁閥組和自循環的冷卻、過濾系統組成。液壓泵的控制為壓力控制和流量控制，系統工作壓力由溢流閥來調節［4］。

擰絲裝置液壓系統工作過程如下:在卸荷狀態下啟動電機，給溢流閥9通電，使系統壓力上升，當系統壓力超過系統設定的最高值時，溢流閥9失電卸荷，直到系統壓力降到系統規定的工作壓力為止。在液壓系統的運行過程中，油箱的溫度由溫度傳感器進行監測，并設定了油箱的正常工作溫度范圍，當油溫升高到最高值時，啟動冷卻系統，油溫降低，直到系統溫度降到溫度傳感器規定的最低工作溫度為止［5］。此外，液壓系統還設有液位、油濾堵、溫度等故障報警點，以確保液壓系統的長期穩定運行。擰絲裝置液壓系統原理圖如圖2所示。

擰絲裝置液壓系統回路，主要包括液壓銷Ⅰ供油缸、液壓銷Ⅱ供油缸、活塞缸、液壓馬達、兩個兩位兩通電磁換向閥和兩個三位四通電磁換向閥，通過PLC對電磁換向閥進行控制，實現防脫、夾緊、擰絲頭扭轉前進、擠平的動作。擰絲裝置液壓系統回路的工作壓力為10 MPa。

圖2 液壓系統原理圖

擰絲進行時電磁鐵動作見表1。

表1 擰絲時電磁鐵動作

3 PLC控制系統

3.1 控制系統硬件設計

控制系統電路接線圖如圖3所示。

圖3 控制系統電路接線圖

系統主要控制液壓缸電磁閥的開關，并且控制點較多，因此選用性能和性價比極高的S7-200系列PLC。CPU226是S7-200系列PLC功能最強的單元，具有較多的I/O端子，具有兩路高頻脈沖的輸出，也可用于步進電機或伺服電機的定位控制［6］，完全適用于中小型復雜控制系統。

如圖3所示，開始按鈕控制系統開始運行，停止按鈕控制整個動作停止; “Y3前進完畢”是擠平動作向前運動的限位開關信號，該信號置位說明動作完成;“Y4復位完成”是擠平動作復位過程的限位開關信號，該信號置位說明活塞缸復位完成。

EM235是模擬量輸入輸出模塊，該模塊具有4個模擬量輸入通道、1個模擬量輸出通道。這里通過2個模擬量輸入通道接收角度傳感器的信號，分別用于獲得抽絲完畢和馬達正轉完畢信息。

擰絲裝置的控制原理圖3中描述了S7-200部分引腳的接線方式，其中各個I/O引腳功能分配如表2所示。

表2 控制系統I/O分配表

3.2 控制系統抗干擾設計

PLC具有可靠性高、抗干擾能力強等特點。但由于工業現場環境非常惡劣，為了確保PLC系統的運行穩定性和安全性，在PLC與液壓閥之間加入了中間繼電器，通過控制繼電器來控制液壓閥線圈的通斷，從而保證液壓系統的運行，一旦打捆運行發生故障或單機調試時，可以通過中間繼電器，把PLC控制切換到手動開關控制，便于故障診斷及排除［7］。系統設計時，應用了包括接地保護設計、供電系統設計、冗余設計等相應的可靠性保護措施，以消除或減小對PLC的干擾，保證系統的正常運行。

3.3 控制系統軟件設計

棒材打捆機整個系統軟件設計是根據PLC周期執行掃描程序的特點，按照各個輸入點及相關寄存器的當前狀態進行相應的動作。程序包括掃描部分和順序控制部分，當按下開始按鈕后，系統開始運行，首先掃描是否存在棒材;其次判斷棒材是否進入到指定區域，如果是則進行順序控制模塊執行打捆動作。

擰絲過程中，由于該部分必須嚴格按照指定的順序進行工作，因此程序采用順序控制方式，按照液壓銷Ⅰ頂緊→抽絲→液壓銷Ⅱ頂緊→切絲→擰絲→擠平的控制順序進行動作，以每一步動作完成的信號作為切換條件。

4 結束語

根據實際應用中打捆機擰絲過程出現的問題，設計出一種新型擰絲裝置。該擰絲裝置的兩個液壓銷分別由兩個獨立的供油腔控制，液壓缸心軸和滾珠絲杠連接，可邊旋轉邊前進，滾珠絲杠螺母由活塞缸直接推動，擰絲頭直接擠平瓣結。新型擰絲裝置改善了盤條擰結易斷裂的缺陷，具有防脫和擠平功能。通過S7-200系列PLC對電磁換向閥的控制，實現擰絲裝置一系列擰絲動作。新型擰絲裝置將機、電、液三者結合起來，自動化程度更高，可靠性更強，提高了擰絲質量，從而提高了生產效率。

［1］沈鑫剛.全自動鋼管打捆機的研究與開發［D］.杭州:浙江大學，2005.

［2］馬紀明，付永領，王亮.S7-200PLC在全自動打捆包裝機器人中的應用［J］.電氣自動化，2004(6):26.

［3］劉超.KNCA-7/800D液壓打捆機扭轉頭的改進［J］.冶金設備，2005(2):59.

［4］左健民.液壓與氣壓傳動［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［5］裴忠才，王立國.鋼材打捆機液壓系統的設計［J］.機床與液壓，2001(1):11－12.

［6］Siemens SE＆A.SIMATIC S7-200可編程序控制器系統手冊［M］.1998.

［7］唐志勇，李萬紅，斐忠才.棒材打捆機控制系統的研究與應用［J］冶金自動化，2000(4):34－36.