自動切割圓管設備的設計與控制

□ 蔡漢明 □ 董新華 □ 郝同暉 □ 常瑞鵬

青島科技大學機電工程學院 山東青島 266061

自動切割圓管設備是一種用于切割單根圓管的自動化機械設備，針對不同長度和材料的圓管，實現自動切割。半自動化切割圓管設備是較為常見的設備，但是很難獲得更高的工作效率［1］，而全自動切割圓管設備具有更廣闊的發展空間，需要進一步探索［2］。

通過借鑒半自動化切割圓管設備的有關資料，基于可編程序控制器（PLC）設計了一種新型自動切割圓管設備，根據所需尺寸可切割出定長的圓管，具有自動、手動及單循環三種控制模式，可實現夾緊、送料及切割動作［3］。

1 自動切割圓管設備概述

基于PLC的自動切割圓管設備，其工作原理與半自動切割圓管設備類似，即夾緊機構檢測到有圓管時自動夾緊，送料氣缸伸出推動圓管，到達指定位置后升降機構下降進行切割。整個切割圓管設備由三大部分組成。第一部分是夾緊部分，用于夾緊圓管。第二部分是送料部分，送料氣缸伸出，推動夾緊機構到達指定切割位置。第三部分是升降及切割部分。自動切割圓管設備如圖1所示。

2 氣動系統

自動切割圓管設備以氣缸作為執行元件，工作時三個氣缸和一臺電動機按照預定的程序先后動作，其氣動系統原理圖如圖2所示。

（1）系統過壓卸載保護控制。當系統通電后，電動機帶動氣壓泵工作。當系統壓力超過預設的壓力值時，西門子S7-1200系列PLC通過控制電磁換向閥7YA得電，使多余的氣體從溢流閥的先導閥口迅速排出。當系統壓力在正常范圍之內時，PLC通過控制電磁換向閥7YA失電，使兩位兩通電磁換向閥閥口關閉，氣壓泵恢復常態。

（2）系統回原點控制。系統通電之前，各個電磁換向閥處于中位，閥口均關閉。系統通電之后，無論各氣缸運行到何處，都將默認進入初始化狀態，各氣缸磁感應開關、壓力表及電磁閥進入自檢狀態。若夾緊氣缸的左端磁感應器未檢測到缸桿到位，則系統首先執行送料氣缸回原點動作，再使電磁閥右位3YA得電，夾緊氣缸缸桿縮回到原點。若送料氣缸的左端磁感應器未檢測到缸桿到位，則電磁閥右位2YA得電，使送料氣缸的缸桿左移到最左端。若升降氣缸的上端磁感應器未檢測到缸桿到位，則系統首先按順序分別執行夾緊氣缸和送料氣缸回原點動作，再使電磁閥右位6YA得電，執行升降氣缸回原點動作，并使電動機停止運行。

▲圖1 自動切割圓管設備示意圖

▲圖2 自動切割圓管設備氣動系統原理圖

（3）系統正常工作的手動控制模式。當整個系統進行初始化之后，系統將一直保持無動作運行，此時用戶可根據自己的需求選擇手動、單循環和自動三種模式中的一種。在手動模式下，電磁閥1YA得電時，送料氣缸缸桿伸出執行送料動作。電磁閥2YA得電時，送料氣缸缸桿執行快退動作。電磁閥3YA得電時，夾緊氣缸缸桿執行夾緊動作。電磁閥4YA得電時，夾緊氣缸缸桿執行松開動作。電磁閥5YA得電時，升降氣缸缸桿執行縮回動作，且電動機開始運轉，執行切割動作。電磁閥6YA得電時，升降氣缸缸桿伸出，且電動機停止運行。

（4）系統正常工作的自動控制模式。系統通電進入初始化后，在自動控制模式下，設備執行預先設定順序的動作，依次為夾緊、送料、氣缸升降及切割。當需要切割短材料時，設備執行夾緊和送料動作之后，夾緊氣缸和送料氣缸返回原點位置，傳感器未檢測到圓管到位，此時還需執行多次夾緊和送料動作，直到傳感器檢測到圓管到位，然后氣缸下降執行切割動作。由于圓管的總長度視為無限長，且需要設備長時間連續工作，因此有必要循環執行以上動作。自動切割圓管設備工作流程如圖3所示。

▲圖3 系統自動控制模式流程圖

（5）系統正常工作的單循環控制模式。單循環控制模式是在自動控制模式的基礎上實現的。單循環控制模式下，系統以切割動作的完成作為程序結束的標志，僅執行一次，所有氣缸動作完成后立即執行回原點動作，否則后續控制動作將無法正常進行。

（6）信號報警控制。當系統處于正常狀態工作時，由傳感器檢測工作臺上有無圓管，若工作臺上突然沒有圓管，為了防止設備誤動作，報警燈立即報警，此時系統停止工作，各個氣缸自動返回原點，同時電動機立即停轉。系統將直至檢測到有圓管信號后再次執行動作。

3 控制系統

3.1 硬件配置

自動切割圓管設備選擇西門子S7-1200系列PLC，這一系列PLC體積小，質量輕，響應速度快，工作性能穩定可靠［4］。控制系統主要包括PLC、直流隔離電源、兩臺電動機、換向閥、各種開關、按鈕、光電傳感器、磁感應器等，硬件選型見表1。

自動切割圓管設備控制系統硬件如圖4所示。

▲圖4 自動切割圓管設備控制系統硬件

表1 控制系統硬件選型

3.2 PLC接線

自動切割圓管設備控制系統PLC外部接線如圖5所示。自動切割圓管設備控制系統的程序編寫是比較復雜的，因其不僅有手動、自動、單循環三種控制模式，而且有報警、蜂鳴器、自檢等輔助程序［5-6］。

▲圖5 自動切割圓管設備控制系統PLC外部接線圖

3.3 程序設計

自動控制切割圓管設備的三種控制模式是互不干擾的，所以程序中的三個功能塊是相互獨立的［7-8］。在TIA Portal軟件的主程序中調用手動和自動程序功能塊非常方便。梯形圖程序采用順序控制法設計，利用輔助線圈的自鎖和互鎖實現控制功能［9］。自動切割圓管設備控制系統自動控制模式編程如圖6所示。

▲圖6 自動切割圓管設備控制系統自動控制模式編程

4 檢驗測試

選用不同長度的圓管進行測試，測試數據見表2。

表2 自動切割圓管設備測試數據

測試結果表明，自動切割圓管設備的機械設計和控制方案是合理的。因為要為精加工留有余量，所以客戶規定的余量要求為0～5 mm，使用游標卡尺所測得的測試數據誤差在0～4 mm之間，滿足客戶要求［10］。測試證明自動切割圓管設備的總體設計和控制方案是可行的。

5 結論

自動切割圓管設備基于市場需求設計，在分析工作原理和邏輯控制的基礎上，采用PLC控制，具有可靠性高、使用維護方便、抗干擾能力強、易學易用等特點［10］。設備經多次試用，證明了控制方式和設計方案是可行的，系統工作穩定性良好。

［1］李柯，陳明達，馮雄峰，等.基于PLC的熱塑性復合材料熱壓成型用機械手設計［J］.機械制造，2015，53（4）：4-8.

［2］孫中旭.大型水處理裝置生產管理與全自動化控制［J］.硅谷，2015，8（3）：70，77.

［3］殷正保.粘膠長絲的毛絲及定長自動檢測研究［D］.武漢：華中科技大學，2009.

［4］廖常初.S7-1200 PLC編程及應用［M］.3版.北京：機械工業出版社，2017.

［5］高安邦，石磊，胡乃文.三菱FX/A/Q系列PLC自學手冊［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［6］黃俊玲.西門子S7-1200 PLC程序設計方法研究［J］.工業控制計算機，2016，29（10）：142-143.

［7］周美蘭，周封，徐永明.PLC電氣控制與組態設計［M］.北京：科學出版社，2010.

［8］梁慧斌，李學華.西門子PLC在空壓機站智能控制系統中的應用［J］.煤礦機械，2012（4）：208-211.

［9］高安邦，石磊，張曉輝.典型工控電氣設備應用與維護自學手冊［M］.北京：中國電力出版社，2015.

［10］謝振江，王樹彩，魏義輝.游標卡尺的檢定與修理問答［M］.北京：中國計量出版社，1991.