基于PLC與液壓的塑料管材自動(dòng)切割裝置的設(shè)計(jì)

韓以倫，邱鵬程，姬光青，李　梅，朱　倩HAN Yi-lun，　QIU Peng-cheng，　JI Guang-qing，　LI Mei，　ZHU Qian（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，青島 266590）

基于PLC與液壓的塑料管材自動(dòng)切割裝置的設(shè)計(jì)

韓以倫，邱鵬程，姬光青，李梅，朱倩
HAN Yi-lun，QIU Peng-cheng，JI Guang-qing，LI Mei，ZHU Qian
（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，青島 266590）

為提高塑料管材切割效率和自動(dòng)化水平，設(shè)計(jì)了基于PLC與液壓的塑料管材自動(dòng)切割裝置。該裝置為一套機(jī)電液一體化設(shè)備，對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用液壓作為傳動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的控制理論，以PLC作為控制系統(tǒng)，機(jī)電液一體化，實(shí)現(xiàn)塑料管材的精確定位與自動(dòng)化切割。

塑料管材；切割；PLC；液壓；自動(dòng)化

0　引言

塑料管材在機(jī)械加工、水暖安裝、建筑、礦井給排水、通風(fēng)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，往往需要對塑料管材進(jìn)行定長切割，隨著該行業(yè)的高速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)塑料管材的自動(dòng)化高效切割顯得十分重要。本課題設(shè)計(jì)的基于PLC與液壓的塑料管材自動(dòng)切割裝置，實(shí)現(xiàn)了塑料管材的精確定位與自動(dòng)化切割，提高了塑料管材的切割效率。

1　機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作流程分析

1.1機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于PLC與液壓的塑料管材自動(dòng)切割裝置機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要包括液壓夾具、切割機(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)四大部分。

液壓夾具實(shí)現(xiàn)塑料管材的定位和夾緊。液壓夾具由液壓缸一、液壓缸二、V形夾具一、V形夾具二、支架一和支架二組成。液壓缸一和液壓缸二分別由支架一和支架二支撐，V形夾具一和V形夾具二組分別由液壓缸一和液壓缸二驅(qū)動(dòng)同步夾緊或放松，將塑料管材放入液壓夾具后，液壓缸一和液壓缸二同時(shí)同速動(dòng)作，將塑料管材夾緊至預(yù)定壓力值。

切割機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)塑料管材的切割。切割機(jī)構(gòu)由鋸片銑刀、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和工作臺(tái)組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在工作臺(tái)上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋸片銑刀做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割塑料管材。工作臺(tái)上設(shè)有行程開關(guān)一，工作臺(tái)上設(shè)有下料口。

推進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鋸片銑刀的進(jìn)刀與退刀。推進(jìn)機(jī)構(gòu)由液壓缸三、導(dǎo)軌、基座和機(jī)架組成。工作臺(tái)與基座之間設(shè)有導(dǎo)軌，液壓缸推動(dòng)切割機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌內(nèi)運(yùn)動(dòng)。基座上設(shè)有下料口，當(dāng)鋸片銑刀切斷塑料管材時(shí)，基座和工作臺(tái)上的下料口恰好對齊，切好的塑料管件經(jīng)下料口落到輸送帶上。基座上設(shè)有行程開關(guān)二和行程開關(guān)三。

輸送機(jī)構(gòu)為一套輸送帶，安裝在機(jī)架上，當(dāng)塑料管件落到輸送帶上時(shí)，輸送帶將塑料管件輸送出去。

圖1　塑料管材自動(dòng)切割裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2機(jī)械系統(tǒng)的工作流程分析

進(jìn)行液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先要對機(jī)械系統(tǒng)工作流程進(jìn)行梳理。其工作流程如下：

1）按下啟動(dòng)按鈕，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輸送帶和液壓泵啟動(dòng)。

2）塑料管材觸碰行程開關(guān)一，液壓夾具定位夾緊塑料管材。

3）液壓夾具中的壓力繼電器動(dòng)作，鋸片銑刀進(jìn)刀。

4）推進(jìn)機(jī)構(gòu)觸碰行程開關(guān)三，鋸片銑刀退刀。

5）推進(jìn)機(jī)構(gòu)觸碰行程開關(guān)二，鋸片銑刀靜止，液壓夾具放松。

6）重復(fù)步驟2）。

7）塑料管材加工完畢后，按下停止按鈕，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輸送帶和液壓泵停止工作。

2　液壓系統(tǒng)的構(gòu)成及原理分析

2.1液壓系統(tǒng)的構(gòu)成

該液壓系統(tǒng)由三位四通換向閥、調(diào)速閥、液壓缸、壓力繼電器、單向閥、溢流閥、液壓泵和油箱組成，其液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2　液壓系統(tǒng)原理圖

2.2液壓系統(tǒng)的原理分析

液壓系統(tǒng)的工作原理如下：

2）塑料管材到位后，行程開關(guān)一得到信號，電磁鐵1YA得電，三位四通換向閥一右位工作，液壓缸一和液壓缸二同步動(dòng)作，液壓夾具將塑料管材夾緊。

3）與液壓缸一和液壓缸二無桿腔連通的油路中設(shè)有壓力繼電器，達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)，控制系統(tǒng)三位四通換向閥一中位工作，電磁鐵3YA得電，三位四通換向閥二右位工作，液壓缸三驅(qū)動(dòng)鋸片銑刀進(jìn)刀。調(diào)速閥一和調(diào)速閥二調(diào)節(jié)流量實(shí)現(xiàn)慢工進(jìn)，快工退。

4）當(dāng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)觸碰行程開關(guān)三時(shí)，電磁鐵4YA得電，三位四通換向閥二左位工作，驅(qū)動(dòng)鋸片銑刀退刀。

5）當(dāng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)觸碰行程開關(guān)二后，三位四通換向閥二中位工作，推進(jìn)機(jī)構(gòu)靜止，電磁鐵2YA得電，三位四通換向閥一左位工作，液壓缸一和液壓缸二同步動(dòng)作，液壓夾具放松。

6）重復(fù)步驟2）。

7）塑料管材加工完畢后，按下停止按鈕，液壓泵停止工作。

根據(jù)液壓系統(tǒng)的原理分析繪制電磁鐵動(dòng)作順序表如表1所示。

但是，商業(yè)銀行金融產(chǎn)品單一，而且創(chuàng)新效果并不理想，產(chǎn)品同質(zhì)化比較嚴(yán)重，這些都是商業(yè)銀行需要進(jìn)行金融產(chǎn)品創(chuàng)新的重要原因。

表1　電磁鐵動(dòng)作順序表

3　PLC控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1PLC選型

根據(jù)控制系統(tǒng)要求，從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面考慮，選擇西門子S7-200系列PLC作為基于PLC與液壓的塑料管材自動(dòng)切割裝置的控制主機(jī)。此控制系統(tǒng)共有6個(gè)數(shù)字輸入量，7個(gè)數(shù)字輸出量，共需要13個(gè)數(shù)字量I/ O，根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)，以及程序容量和控制的要求，選擇CPU224作為控制系統(tǒng)的主機(jī)。

3.2I/O分配

在這個(gè)控制系統(tǒng)中，PLC輸入信號包括啟動(dòng)按鈕、關(guān)閉按鈕、壓力繼電器和三個(gè)行程開關(guān)。輸出信號包括三個(gè)接觸器和四個(gè)電磁鐵，接觸器控制電機(jī)，電磁鐵控制三位四通換向閥。基于PLC與液壓的塑料管材自動(dòng)切割裝置的I/O分配表如表2所示。

表2　I/O分配表

3.3繪制PLC硬件接線圖

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求、硬件框架及I/O分配情況，基于PLC與液壓的塑料管材自動(dòng)切割裝置PLC控制部分的硬件接線圖如圖3所示。

圖3　PLC硬件接線圖

3.4繪制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的編程方法進(jìn)行編程，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。

圖4　狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3.5繪制梯形圖

根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖繪制梯形圖，如圖5所示。

圖5　梯形圖

5　結(jié)論

1）進(jìn)行了機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的液壓夾具定位精準(zhǔn)；所采用鋸片銑刀切割管件能夠?qū)崿F(xiàn)高效切割；利用重力實(shí)現(xiàn)塑料管材的自動(dòng)上料，結(jié)構(gòu)簡單。

2）設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)作為傳動(dòng)系統(tǒng)。采用了液壓缸作為刀具進(jìn)給的動(dòng)力源，使切割工作更為平穩(wěn)，且可以頻繁換向；采用兩個(gè)同步液壓缸作為兩個(gè)V形夾具的動(dòng)力源，定位精準(zhǔn)且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

3）結(jié)合較先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制方式，采用了PLC作為控制系統(tǒng)，設(shè)置了行程開關(guān)和壓力繼電器，工作可靠，響應(yīng)速度快，實(shí)現(xiàn)了塑料管材切割過程的自動(dòng)化。

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The design of automatic plastic pipe cutting device based on PLC and hydraulic pressure

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韓以倫（1962 -），男，山西太原人，教授，博士，主要從事汽車電子及機(jī)電液一體化研究。