基于PLC的相貫線切割機控制系統的設計

孔艷艷

（閩江師范高等專科學校，福州 350108）

隨著科技的發展和社會的進步，欄桿、管道等在建筑裝飾行業、環保設備行業和機械制造行業等的應用逐漸廣泛。人們對切割焊接的工藝性要求越來越高，因此切割質量、生產效率和成本問題都是人們考慮的重點[1]。在欄桿或管道相接焊接時，需要對欄桿、管道等結構件進行切割加工。但是，此類加工以往先用三維CAD軟件繪制切割管道的相貫線，再使用數控加工機床加工一個模板，然后用凸輪機構將模板設為凸輪，制造一個合適的從動件，從而實現相貫線的切割。該工藝方法根據管徑的不同，需要制造不同管徑的模板，費時費力，且切割過程中往往會產生大量煙塵，導致工人的工作環境惡劣。當前，對于一些大批量、高精度的管道切割，采用數控相貫線切割機雖能十分方便地切割加工此類工件，但是設備投資大，非常不適合中、小企業批量小、種類多的切割作業。因此，從成本角度考慮，本文介紹了一種基于PLC控制的相貫線切割機系統，不僅滿足了相貫線切割的要求，還能有效改善傳統切割費時費工的弊端，提高切割質量和效率，降低切割機使用成本，對中、小批量生產企業提高管道的生產規模、質量和加工精度具有積極的促進作用。

1 相貫線切割機工藝要求

如圖1所示，管道正交的相貫線切割。為了滿足當前批量小、品種多且能在同一臺設備上完成相貫線切割工藝的要求，本文以管道正交為例，根據管道正交相貫線展開圖的理論計算公式，使用PLC和步進驅動來控制切割機的成型運動過程。

圖1 管道相貫線切割

管道正交對接的形式有兩種，一是管道等徑正交，二是管道異徑正交。管道等徑正交是指兩根管道直徑相同且垂直相交。管道等徑正交的相貫線正投影如圖2所示，相貫線為兩條對稱相交的直線，可直接畫出。它的相貫線展開圖，如圖3所示。可以看到，展開線為4段完全相同的曲線，因此只計算其中一段曲線坐標值即可。

圖2 等徑正交管道正投影

圖3 等徑正交管道展開圖

管道等徑正交的理論計算公式為[2-3]：

式中：yn展開圖曲線坐標值或開孔寬度，單位為mm；d管道外徑，單位為mm；αn斷面等分角，單位為°。

管道異徑正交是指主管道與支管道的直徑大小不同但垂直相交。管道異徑正交的相貫線正投影如圖4所示，相貫線為一條空間曲線。在理論計算過程中，支管道按內徑r、主管道按外徑R、支管道總高h來計算支管道展開圖曲線坐標值。它的相貫線展開圖，如圖5所示。可見，展開圖的形狀與等徑類似，僅計算其中一段即可。

圖4 異徑正交管道正投影

圖5 異徑正交支管道展開圖

管道異徑正交的理論計算公式為：

式中：y0、yn為相貫線各點至主管軸線的距離，單位為mm；R為主管道外徑，單位為mm；r為支管道外徑，單位為mm；αn為斷面等分角，單位為°。

由以上管道正交的理論計算公式，使用PLC算出相貫線展開圖各點位移的大小，再結合步進驅動控制技術，即可滿足管道正交相貫線切割的工藝要求。

2 相貫線切割機控制系統的工作原理

切割機的成型運動主要是割槍的水平運動和管道的回轉運動，輔助運動為割槍位置的上下移動。管道正交的相貫線有割槍和管道的運動合成。因此，相貫線切割機的自動控制系統的主要工作過程是，先在切割機上將棒料安裝到切割位置的正下方，再利用夾緊裝置夾緊待切割的管道，然后在HMI上設定管道直徑參數，選擇啟動切割程序，割槍自動運動到管道切割位置并點燃割槍火焰。割槍按照事先計算好的點位切割管道，待切割結束后自動關閉割槍火焰、割槍復位在松開管道，最后移走管道，結束切割。若需繼續切割管道，重復上述操作。

3 相貫線切割機的控制系統設計

3.1 控制系統的硬件架構

相貫線切割機控制系統選擇西門子S7-1200作為控制器。由于1200系列PLC具有處理速度快、步進驅動編程簡單等特點且最多能同時控制4個步進驅動軸，因此它能為相貫線切割機自動控制提供一個非常有效的低成本解決方案。控制系統的數字輸入量主要包括系統手動、自動、啟動、停止、急停以及4個手動控制開關等。數字輸出量主要包括1個割槍啟動信號、1個運行信號燈、1個停止信號燈、1個故障報警信號燈和1個管道夾緊電磁閥；高速脈沖輸出信號共有3組，分別是割槍水平運動需要的步進驅動方向和脈沖控制信號、管道回轉運動需要的步進驅動方向和脈沖控制信號以及割槍輔助運動需要的步進驅動方向和脈沖控制信號，同時可在HMI界面上實現啟動現場設備、設定待切割管道的直徑和割槍的位置等參數，還具有安全登錄、實時數據采集、現場監控以及歷史數據保存等功能。

3.2 I/O口分配

根據控制要求，選擇西門子S7-1200 PLC作為控制器。西門子1200系列的PLC本體具有4個數字量的高速脈沖輸出點[4]，啟用帶正負方向的脈沖發生器后可以控制兩個步進電機。但是，西門子1200系列的PLC都支持加裝一個4數字數量輸出的信號板SB，因此加裝信號板SB后，西門子1200系列的PLC有8個高速脈沖數字量輸出點，啟用帶正負方向的脈沖發生器后可以控制4個步進電機。其中，步進電機1用于控制割槍的水平運動，步進電機2用于控制割槍的輔助運動，步進電機3用于控制管道的回轉運動。PLC的部分I/O口資源分配如表1所示。

表1 PLC的部分I/O口資源分配表

3.3 PLC程序編程

相貫線位移點的計算，依據相貫線的理論計算公式，通過PLC的數學運算指令，如加ADD、減SUB、乘MUL、除DIV、取余數MOD以及計算指令CALCULATE等，將位移點的數據逐個算出，再利用PLC的表功能指令，如表存數指令ATT、表取數指令（先進先出指令FIFO和后進先出指令LIFO）以及表查找指令FND，將這些位移點數據存入數據表，等待PLC程序的調用。

S7-1200對運動的控制有3種方式。一是PROFIdrive方式，電機與支持PROFIdrive的驅動器連接進行運動控制；二是PTO的脈沖方式控制，通過PLC發送方向脈沖和速度脈沖；三是模擬量控制，通過PLC輸出模擬量控制驅動器。本文對步進電機的控制選用第2種PTO的脈沖方式控制[5]，PTO的脈沖方式控制先要通過軸控制對象TO_AXIS_PTO映射物理軸，再設置軸的工藝參數，在添加工藝對象命令表TO_CommandTable_PTO使用PLCopen在表中創建運動控制命令和運動軌跡。步進電機的控制程序常用功能數據塊有使能MC_POWER、復位MC_Reset、回原點MC_Home、點動MC_MoveJog以及命令表MC_CommandTable等，控制程序如圖6所示。

圖6 步進電機的控制程序

4 觸摸屏控制界面

觸摸屏顯示界面是人與機器之間傳遞信息的媒介，實現了從PLC內部讀寫信息并實時轉換為人們可以接受信息的形式，方便了人們對系統參數信息的實時修改，并能夠實時顯示系統的狀態信息。相貫線切割機的控制界面主要包括系統啟動主界面、等徑正交控制界面、異徑正交控制界面、狀態顯示界面以及操作說明界面等。

系統啟動主界面，如圖7所示。系統啟動后進入主界面，主要用來控制系統的手動自動運行的切換、割槍的前后或上下運動的手動控制、管道正反方向回轉運動的手動控制。

圖7 控制系統主界面

等徑正交控制界面，如圖8所示。該界面需在自動控制下才能使用，主要設置相貫線的切割工藝參數，如管道直徑、管道回轉速度、割槍前后運動速度、割槍上下運動的位移修正等參數。異徑正交控制界面除以上參數外，還包含主管道的直徑參數。這些參數是管道切割的工藝參數。除管道直徑參數外，其他參數設定后立即生效，實現了對管道切割的形狀和精度等的實時控制，在工業生成過程中尤為重要。

圖8 等徑正交參數設置界面

5 結語

本文利用西門子S7-1200 PLC和觸摸屏等實現了對等徑正交和異徑正交相貫線切割機的切割的自動控制系統。實際應用表明，該系統可以方便地修改系統各種參數，監視設備運行的狀態。步進驅動控制系統還能控制步進電機的旋轉速度和旋轉角度，相比于伺服控制系統，在成本和控制方法上具有明顯優勢。可見，該方法不僅保證了切割工藝精度、設備柔性和設備調試的方便性，還降低了成本，達到了實際應用要求。