基于PLC 的磁材數控自動切割機控制系統設計

范登勝，林泳峰

（1.閩西職業技術學院，福建龍巖 364000；2.福建省長汀金龍稀土有限公司，福建龍巖 364000）

0 引言

隨著當前我國工業現代化和工程機械輔料制造設備行業的不斷進步，對于新型板材、磁材的加工切割和輔料加工在其剪切工作效率及其相關產品質量安全方面的技術要求也不斷提高。在稀土行業中也力求切割設備的更新換代，從而提高生產力，降低勞動成本，為企業和國家增加經濟效益。國內切割機目前控制系統仍然以功能簡單、設計復雜的繼電器控制方法為主，經過不斷完善和發展，近年來也逐漸涌現出以PLC 為主要控制系統的各種具有更加完善功能的自動化、智能化控制技術，驅動系統亦由步進式驅動向現在的全數字伺服驅動過渡。因此本設計提出了基于PLC 的全數字伺服驅動的自動切割控制系統，該系統具有人機交互性好、切割精度高等優點。

1 系統總體設計

自動切割機主要由提供設備保護的防護罩，加工時噴射冷卻液冷卻工件的三頭可調冷卻管，固定待切割工件的可移動切割手臂，用于工件切割的鍍金剛砂圓形刀片，設備機架組成。自動切割機是通過程序控制可移動切割手臂在水平和豎直兩方向自由運動使固定在可移動切割手臂上的工件靠近固定在固定位置的鍍金剛砂圓形刀片從而實現工件的切割。

自動切割工藝在稀土生產工藝中包含5 個流程，分別為手動粘膠、自動切割、自動煮膠、超聲波清洗烘干和AGV 送料，如圖1 所示。

圖1 自動切割工藝流程

2 控制系統硬件設計

控制系統以西門子S7-200 SMART PLC 為控制核心，結合威綸通觸摸屏M76071，實現人機交互。控制系統根據控制精度的需求采用兩種電機，即伺服電機和一般電機，伺服電機采用伺服驅動方式驅動，其它的則為變頻器驅動方式控制。其中，可移動機械臂X 軸和Y 軸電機對控制精度要求較高，采用伺服電機。防護罩、冷卻管、切割刀片的電機則為一般電機，采用變頻控制。自動切割機控制系統硬件結構如圖2 所示。

圖2 自動切割機控制系統硬件結構

由于自動切割機控制系統中對控制精度要求較高，控制對象為伺服電機，因此這里選用CPU ST20 為主機，它有12 個輸入點、8 個輸出點，輸出方式為晶體管輸出。控制回路由主控制電路和可移動機械臂、切割刀片、防護罩和冷卻管的控制電路5 個部分組成。控制系統主控制回路如圖3 所示。

圖3 自動切割機控制系統控制電路接線

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

自動切割機控制系統軟件設計主要是控制機械臂移動、防護罩、冷卻管功能、切割功能，并且為了方便現場設備維護和調試作用，還設有手動調試功能。PLC 程序采用模塊化的設計方法，將這些功能分別編制為不同的功能塊，通過主程序的功能調用來調度，協調運作。觸摸屏和上位機主要用來實時監控設備，并能根據實際工藝需求快速調整加工參數。控制系統中，PLC 控制器與觸摸屏、IPC 相互之間采用工業以太網協議進行通信，通過對現場設備的實時監控，從而實現人機交互和設備的閉環控制。自動切割機控制系統的主程序流程如圖4 所示。

圖4 自動切割機控制系統程序流程

3.2 系統子程序設計

3.2.1 機械臂運動程序

機械臂運動程序中包含了對機械臂2 個自由度X、Y 軸的移動脈沖驅動，脈沖通過系統自帶的運動庫程序產生，通過對其中對應的坐標和速度數據的設定來完成絕對位移和速度控制，并在完成切割后回到原點，且復位按鈕可對絕對數據進行歸零操作。

具體的動作流程為：啟動切割運行時，Y 軸先偏移到達切割點上方，Y 軸移動完成后，X 軸偏移，開始切割，切割完成后，X 軸返回切割點上方，切割次數加1。未到達切割次數時，Y 軸下移，開始下一階段切割動作，直到完成切割次數，停止X、Y 軸運動。

3.2.2 防護罩動作程序

防護罩動作程序是啟用和停止防護罩的動作程序，在前面的控制要求中，系統要求在切割時必須放下防護罩，以防止工業廢屑的飛濺對人身造成傷害和環境污染。所以在防護罩動作程序中，編寫為運行切割開始，防護罩落下，直到完成切割6 min后，確定完成切割，防護罩才開啟。

3.2.3 冷卻管動作程序

冷卻管動作程序是啟用和停止冷卻管動作的程序，在前面的控制要求中，系統同樣要求在切割時，必須開啟冷卻管對切割片和工件降溫，防止切割片和工件摩擦溫度過高，導致變形影響工藝和刀具使用壽命。所以在冷卻管動作程序中，編寫為防護罩落下后開始，冷卻管動作，在確認完成切割3 min 后關閉。

3.2.4 切割刀片動作程序

在系統運行過程中，切割片位于機架內部，配合機械臂做切割動作，當冷卻液開始噴射時即開始切割動作，切割片啟動，完成切割后切割片停止。

3.3 組態編程

人機界面作為PLC 與操作人員之間交流的媒介，將PLC 不可視化的程序和系統的工作狀態，通過信息交互通信，與構建的組態畫面關聯，使系統運行狀態更直觀，操作更便捷。

控制系統的人機交互一共有工作參數設置和設備工作狀態兩個界面。在工作參數設置界面可以設置切割的參數如切割速度、切割長度、緩出距離、緩出速度、初始原點、片頭厚度等還可選擇自動和手動兩種工作方式。工作參數設置界面如圖5 所示。

圖5 自動切割機控制系統工作參數設置界面

設備工作狀態界面設置了啟動按鈕、停止按鈕、復位按鈕及切割次數設置顯示。按下啟動按鈕，可通過觸摸屏實現對自動切割系統的的啟動操作；按下停止按鈕，可通過觸摸屏實現對自動切割系統的停止操作，這個操作優先判斷與啟動按鈕，優先停止系統的運行狀態；按下復位按鈕，可對自動切割系統的X、Y 軸機械臂進行復位。使X、Y 軸機械臂回歸原點，切割次數設置顯示可完成對自動控制系統切割功能工作次數的設置，每次切割系統都會累計，直到切割次等于設置的切割次數時系統停止完成切割工作。還設置了切割片工作狀態指示，冷卻管工作狀態指示，保護罩工作狀態指示，切割次數顯示、Y 軸位移和速度顯示、X 軸位移和速度顯示，還展示了切割進度可以完成自動切割機控制系統當前工作狀態的監視任務。

4 結語

數控自動切割機控制系統在稀土工業加工中有著廣泛的應用，該系統可以實現多種材料的精確加工。使用S7-200 SMART系列PLC，以CPU ST20 為控制核心實現了對數控切割系統的控制，通過與觸摸屏的連接實現了人機交互，便于工作人員對數控切割系統的調試和生產參數的設置。同時可以實時監測設備的工作狀態及進度，使加工工藝的自動化程度大大提升，減輕了工作人員的負擔。