基于PLC的筘片裁剪系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

史衛(wèi)朝，王麗潔，徐德凱

（西安理工大學，西安 710082）

0 引言

隨著國家對環(huán)境保護的不斷重視，越來越多的企業(yè)開始發(fā)展過濾網(wǎng)產(chǎn)品。鋼筘作為過濾網(wǎng)生產(chǎn)過程中不可或缺的配件，筘片的硬度和耐磨性對過濾網(wǎng)的生產(chǎn)有著非常重要的影響。目前國內(nèi)生產(chǎn)筘片的材質(zhì)主要為65Mn鋼帶，其特點是：強度高、硬度高、彈性好，抗拉強度σb(MPa)=825MPa～925MPa，熱處理硬度為38HRC～60HRC[1]。紡織配件企業(yè)根據(jù)過濾網(wǎng)的型號，通過計算確定筘片厚度，一般為0.25mm～1mm。由于65Mn鋼經(jīng)過淬火后硬度高，傳統(tǒng)沖裁筘片的加工方法不僅會嚴重損傷模具，而且自動編筘機的剪切裝置無法裁剪0.4mm厚以上的65Mn鋼帶，因此，研制全自動筘片裁剪系統(tǒng)是十分必要的。

本項目通過對現(xiàn)有裁剪設(shè)備分析研究，針對性地開發(fā)出一套基于PLC控制的筘片裁剪系統(tǒng)，從根本上解決了筘片加工中存在的問題。

1 筘片裁剪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 技術(shù)要求

本項目目標是研制的筘片裁剪系統(tǒng)基于PLC控制，采用氣動送料機及電機驅(qū)動，實現(xiàn)自動送料、裁剪，保證裁剪的筘片尺寸一致，提高筘片裁剪速度及生產(chǎn)效率。企業(yè)對項目組提出了以下要求：

1）筘片裁剪系統(tǒng)的銷、軸、輪等零件應進行熱處理，安裝銷栓的孔應配銅套，電器配件、線纜均要符合國標要求；

2）裁剪速度≥100片/min；

3）裁剪后筘片長度誤差≤0.1mm；

4）筘片裁剪系統(tǒng)應具有急停裝置、潤滑裝置保證使用安全。

1.2 主體機械結(jié)構(gòu)

筘片裁剪系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)主要包括：1）料盤裝置；2）裁剪裝置；3）收料裝置三大部分，如圖1所示。

料盤裝置主要由料架、料盤、電機、減速器、傳感器等組成，作用是自動判定輸送鋼帶的時間，根據(jù)PLC指令將料盤架上的鋼帶送出。在料盤與送料氣缸之間安裝光電傳感器，在裁剪鋼帶過程中，光電傳感器檢測到鋼帶不足并發(fā)送信號至PLC，PLC控制料盤上的電機旋轉(zhuǎn)，料盤旋轉(zhuǎn)送出鋼帶。

圖1 筘片裁剪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

裁剪裝置主要由送料氣缸、手壓剪、底座、氣泵、氣動三聯(lián)件、光電傳感器等組成，如圖2所示，其作用是將料盤裝置送出的鋼帶，經(jīng)送料氣缸送入手壓剪內(nèi)，手壓剪在電機和傳動機構(gòu)的帶動下，裁剪鋼帶。筘片的長短可調(diào)整送料氣缸的擋料輪及微調(diào)螺母，送料時間由光電傳感器判定，當手壓剪抬升時，光電傳感器檢測到信號，且發(fā)送至PLC，PLC通過繼電器控制電磁閥工作，氣缸送料，同時計數(shù)器計數(shù)。送料氣缸可選擇標準型AF-4C氣動送料機，其最大送料寬度為100mm，最大送料長度為130mm，滿足筘片裁剪要求；選用三相立式380V電機和NMRV蝸輪蝸桿減速機，電機功率為750W。

圖2 裁剪裝置結(jié)構(gòu)簡易圖

收料裝置主要是將筘片按裁剪的順序依次回收，由接料盒和平行氣動手指組成。當接料盒中的筘片數(shù)目達到規(guī)定值后，計數(shù)器發(fā)出信號，PLC控制送料氣缸停止工作，同時平行氣動手指松開，操作人員取出接料盒。根據(jù)夾持力的計算公式[2]：

式中，F(xiàn)為夾持力（N）；m為工件質(zhì)量（kg）；g為重力加速度；μ為配件與工件之間的摩擦系數(shù)。經(jīng)過計算，選擇HFZ16平行氣動手指作為夾持元件。此外接料盒尺寸不宜過大，避免筘片凌亂疊加。

1.3 工作原理

筘片裁剪系統(tǒng)工作時主要依靠送料氣缸將鋼帶依序送至手壓剪內(nèi)，手壓剪運動完成裁剪。具體工作過程如下：料盤與送料氣缸之間的光電傳感器發(fā)出輸送鋼帶信號，PLC接收信號后驅(qū)動料盤上電機運轉(zhuǎn)，完成鋼帶輸送；同時裁剪電機啟動，安裝在手壓剪附近的傳感器檢測到手壓剪抬升的信號，發(fā)送至PLC，PLC控制繼電器及電磁閥工作，送料氣缸在電磁閥的控制下依次將長度相同的鋼帶送入手壓剪內(nèi)，手壓剪上下運動裁剪鋼帶，裁剪后的鋼帶依次落至接料盒內(nèi)，當筘片達到規(guī)定數(shù)目后，PLC發(fā)出信號，送料氣缸及裁剪電機停止工作，且平行手指松開，操作人員取出接料盒。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制電路設(shè)計

筘片裁剪系統(tǒng)基于PLC控制，借助三相異步電機和氣缸的運動完成鋼帶的裁剪。在外部三相電及氣泵的帶動下，通過電機的啟動停止、送料氣缸的往復運動及夾緊氣缸的工作完成控制系統(tǒng)要求的動作，主要輔助元件有接觸器、繼電器、電磁閥及計數(shù)器等，圖3為筘片裁剪系統(tǒng)主電路圖。

圖3 筘片裁剪系統(tǒng)主電路圖

此外在設(shè)計控制電路系統(tǒng)時，考慮到各種技術(shù)要求[3]，確定采用西門子S7-200型PLC作為筘片裁剪系統(tǒng)的控制主機。由于控制系統(tǒng)有11個數(shù)字輸入量，4個數(shù)字輸出量，故確定CPU224為CPU模塊，表1為PLC輸入輸出分配表，圖4為筘片裁剪系統(tǒng)控制原理圖。

表1 PLC輸入輸出分配表

圖4 筘片裁剪系統(tǒng)控制原理圖

2.2 控制程序設(shè)計

筘片裁剪系統(tǒng)的各個裝置在PLC及輔助元件的控制下，按規(guī)定的邏輯順序工作。我們采用西門子STEP7編程軟件對PLC程序進行編寫，該軟件可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進行編程操作，圖5為控制程序流程圖。

圖5 控制程序流程圖

3 筘片裁剪系統(tǒng)特點

開發(fā)的筘片裁剪系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的裁剪設(shè)備具有以下特點：1）裁剪速度快，采用的自動送料氣缸較機械式自動送料機運行速度快，穩(wěn)定性好，性價比高；2）自動化程度高，在整個筘片裁剪過程中，所有動作均有PLC控制，減輕了操作人員的勞動強度；3）結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝維護且維護。

目前，筘片裁剪系統(tǒng)已經(jīng)應用于某紡織器材配件廠。結(jié)果表明，使用該筘片裁剪系統(tǒng)后，企業(yè)筘片裁剪效率大幅提高，生產(chǎn)周期由原來的3小時縮短至0.5小時，故障率低；生產(chǎn)成本較前降低了60%左右，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

4 結(jié)束語

隨著我國過濾產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，過濾產(chǎn)品對筘片要求不斷提高。利用項目組設(shè)計的筘片裁剪系統(tǒng)能夠滿足筘片的裁剪需求，同時也滿足自動控制的要求，對鋼筘行業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量提高具有很好的促進作用。

[1]機械設(shè)計編寫組.機械設(shè)計手冊第三版[Z].北京:機械工業(yè)出版社,1986.

[2]姜繼海.液壓與氣動傳動[M].北京:高等教育出版社,2010.

[3]林小寧.可編程控制器應用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.