一種基于PLC控制的線材送線裝置的設計

石平義+彭一航+黃鵬

【摘 要】論文提出了一種針對耳機線加工過程自動送線裝置的總體設計方案，采用“PLC+交流電機 +人機界面+變頻器”的控制方式，能實現高效自動送線、速度可調等功能。

【Abstract】This paper proposes an overall design scheme of automatic wire feeding device for the earphone wire processing .Adopting the control model of “PLC+ AC motor + man-machine interface + frequency converter”， it can realize the function of efficient automatic transmission and adjustable speed.

【關鍵詞】線材；送線；自動控制 ；PLC

【Keywords】wire；wire feeding；automatic control；PLC

【中圖分類號】TP23 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0192-03

1 引言

目前，由于耳機線的特殊結構與品質要求，對其后期加工一般采用小型刀片式裁切機，人工送線、手動裁切，存在送線效率低下、速度難以調整等問題[1]。論文針對上述問題，以及PLC在當今電氣自動化領域中越來越突出的地位和廣泛的應用[2]，提出了一種基于PLC控制技術的針對耳機線送線的裝置，并重點介紹了其組成、結構原理以及PLC控制系統設計過程。

2 設備組成及原理

2.1 設計要求

根據實際需求，該專用送線裝置需要實現以下功能與特點：

①送線效率高，能夠一次性實現多個線圈自動送線；

②速度可自動調節，該裝置能夠滿足對送線速度的自動調整；

③換線方便，該裝置能控制每個送線工位的啟停。

2.2 設備工藝流程和工作原理

2.2.1 送線裝置工藝動作流程

根據設計方案，該裝置能實現自動調速、自動啟停等功能。結合耳機線加工要求和工藝要求以及整體設計方案，確定本裝置的工藝動作流程如下：

2.2.2 裝置的工作原理

①送線速度檢測機構的設計

當主機開始拉線時，帶動鐵圓柱向上移動，傳感器檢測到信號，線卷開始放線；當鐵圓柱下降時，傳感器檢測到信號，控制線卷放線速度，防止送線過多。

②啟停控制機構的設計

該部分工作原理如下：當開始放線時，PLC控制氣缸伸出，此時皮帶與線圈相連的摩擦輪接觸，帶動線卷開始放線；當PLC收到停止放線的信號時，PLC控制氣缸收回，與線卷相連的滾輪與黃橡膠塊接觸，使線卷立即停止送線[3]。

③外框架的設計

十個線卷同時送線，分為上下兩排，并分別用兩根傳動軸傳遞動力，結合線卷的尺寸和一般公司電梯門的尺寸設計，其最終的總體尺寸為2560mm*1700mm*990mm。該機架是整個裝置的支撐部分，主要使用型材進行焊接制造而成，以滿足使用要求。

④傳動機構的設計

結合本裝置實際應用以及設計方案等綜合情況，發現兩傳動軸的距離較遠，傳動速度不高，傳動比沒有嚴格的要求，且使用環境惡劣，因此最終選用鏈條傳動形式。十個線卷送線需要動力傳動，兩排線卷使用兩個傳動軸，由電機通過鏈條將動力傳給另一傳動軸，上下傳動軸再分別通過皮帶將動力傳遞到每一個工位。

綜合線的拉力、線卷的質量、轉軸的質量以及皮帶的摩擦力，經SolidWorks三維軟件仿真和實驗測得，每個線卷達到最大轉速30r/min時所需的扭矩為21.14N.M，此時驅動每個線卷所需功率P1由公式得：

若每個傳動軸帶動五個線卷，則每根傳動軸傳動的功率為P：

當軸承載的功率不大，考慮到成本可采用Q235A，表面鍍鉻，查表可得常數C為158。由根據軸徑的估算公式可得：

軸上的傳動輪靠鍵傳遞動力，軸上有鍵時，削弱軸的強度，有一個鍵槽時，d值應增大5%，軸上有五個鍵槽，則d=44mm，查軸徑標準表，將所得的d值圓整，取d為45.0mm。

所有的動力由電機提供，因此選擇電機時要遵循兩個重要原則，首先是必須考慮互換性，選擇標準電動機，以備出現故障時可以及時更換；其次是為使整個系統高效率運行，要綜合考慮電機的級數及電壓等級[4]。另外還要綜合本裝置實際情況，兩根傳動軸所需功率為： 5P2 =0.664kw：電機的傳動效率η取0.9，則電機所需功率為：P電機=0.737kw 。根據以上計算，選用三相異步圓柱齒輪減速電機，電機功率0.75kw。

⑤線架的整體設計圖

最終設計的線架整體設計圖如圖2所示。其主要由機架、啟停控制、傳動機構以及檢測機構等部分組成。

3 線架控制系統的設計

3.1 控制任務分析與設計

根據裝置的動作流程，當工人上好線，主機開始拉線時，鐵圓柱上升，傳感器檢測到信號后，PLC發出信號，電磁閥動作，氣缸伸出，連接線卷的滾輪與皮帶接觸，開始放線；當主機速度降低時，鐵圓柱下降，傳感器檢測到信號后，PLC發出信號，電磁閥動作，氣缸縮回，橡膠板與滾輪接觸，立即停止放線。此時電機一直處于運轉的狀態，電機的速度可由PLC通過變頻器進行控制，工人可在觸摸屏界面進行相關參數的調整。從上述流程可知，本裝置的輸入信號主要為傳感器信號，輸出信號主要為電磁閥控制信號以及變頻器速度控制信號。

另外，人機界面選用能夠理想生動的顯示PLC、單片機、PC機上數據信息的威綸通TK6070ip系列觸摸屏，并支持與大多數的PLC直接通信[5]。PLC與上位機之間采用的是無通信協議的RS-232串行通信，變頻器采用三菱A500型號，采取RS485BD通訊與PLC通訊。

3.2 PLC的I/O分配與參數配置

3.2.1 PLC的I/O地址分配

根據送線的動作工藝流程和PLC控制系統的控制要求，進行PLC的I/O地址分配。其中輸入信號主要包括啟動、停止、急停、復位、傳感器信號，輸出主要包括各工位氣缸電磁閥信號以及變頻器啟動與調速端子信號地址。

3.3.2 PLC參數配置

從I/O分配結果可以得出，共需要25個輸入點，23個輸出點，選用小型PLC可以滿足使用，綜上考慮本項目的PLC，采用三菱系列的FX3U型號。根據需要的I/O配置，預留20%的I/O余量[6]，故選擇了FX3U-64MT型的PLC，它能提供的輸入輸出點數為32/32，和一個485串行數據口。另外，設置一個三菱FR-A740變頻器，用來控制送線的主電機，并控制送線速度。

3.3.3 PLC程序設計

本項目選用的是三菱系列PLC，采用的編程軟件為GX Developer中文界面編程軟件，它可以適用于三菱全系列的PLC編程和調試。在本系統中，PLC控制程序由系統啟動、系統運行、系統故障報警、自動復位或緊急停止等控制模塊組成。

4 結語

該線材加工專用送線裝置實現了線材的自動化高效送線，具有自動調整送線速度、換線簡便等特點，有效彌補了長期以來耳機生產制造領域中手工送線、效率低、勞動強度大等缺點與不足。通過現場應用證明該裝置配合主機使用能夠有效解決上述問題，提高了耳機線材的現場加工質量與效率，降低了勞動強度與生成成本，為相關線材制造、加工企業提供了一定的借鑒與實用價值。

【參考文獻】

【1】石平義，姜莉莉，余輝.基于PLC的耳機專用多工位粘合機的設計[J].機械制造與自動化，2017（02）：57.

【2】王歡，張悅超. 探討PLC 技術在電氣自動控制中的運用[J].中小企業管理與科技，2016（03）：213.

【3】孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理 [M].北京：高等教育出版社，2013.

【4】鄧星鐘.機電傳動控制 [M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

【5】石平義，姜莉莉，余輝.基于PLC的多工位粘合機控制系統設計[J].化工自動化及儀表，2016（05）：535-536.

【6】管文博. 基于PLC和組態王的纖維改性控制系統[J].化工自動化及儀表，2013（06）：1467.