自動送料龍門式液壓落料機電氣控制系統的研究與設計

李文玉，王德浩

（山東省青州市高級技工學校 機電工程部，山東青州，262500）

1 自動送料龍門式液壓落料機電氣控制要求

自動送料龍門式液壓落料機是具有門式框架、機座和自動送料臺的液壓落料機。門式框架由立柱和頂梁構成，液壓缸和上模安裝在頂梁上，下模安裝在機座上，落料后的圓盤坯料（下文簡稱為工件）滑入地坑的接料框里。送料臺由X軸和Y 軸兩臺伺服電機帶動把鋼板板材送至上模和下模之間，送料到位后上模由液壓缸活塞桿帶動下行，完成對板材的落料加工后回升至上限位。

自動送料龍門式液壓落料機對電氣控制系統的要求如下：

（1）根據工件直徑和板材長、寬尺寸的不同，每張板材上沖壓3 列工件，為提高板材利用率，要求相鄰兩列工件如圖1 所示錯位排列。每個工件沖壓前需要輔助夾持，相鄰工件間要求留10mm 左右的間距。

圖1 工件落料順序圖

（2）液壓落料機每次通電開機，手動使X 軸和Y 軸回到零點。

為便于設備調整，可在手動擋時對X軸和Y軸進行點動調整、連續運行和定長運行。

啟動液壓泵后可手動對上模進行上升、下降操作。

自動擋循環啟動前，先手動使上模回升至上止點。

（3）自動擋時，板材裝夾完成并啟動液壓泵后讓自動運行開關ON，液壓落料機按照圖1 所示加工順序自動完成整張板材上全部工件的落料加工，加工完畢X 軸和Y 軸自動回到零點，等待對下一張板材的落料加工。

（4）自動落料加工工程中，急停按鈕按下時液壓泵停機，兩軸運動均立刻停止。

2 電路設計

根據電氣控制要求選用西門子S7-200 SMART 系列PLC 的CPU ST40，該型號PLC 有三路脈沖輸出，本例中使用其中兩路脈沖輸出，脈沖輸出頻率為2 @ 100 kHz；觸摸屏型號為SMART 700 IE V3；伺服驅動器選用廣東伊萊斯電機有限公司的ESDB 025AE，配套伺服電機型號為130EMA-100CE22。

電路原理圖如圖2 所示。根據電路功能分析如下。

圖2 液壓落料機電路原理圖

（1）直流24V 電源 型號為S-350-24 的開關電源為PLC、觸摸屏、4 個中間繼電器和3 個液壓電磁閥提供直流24V 電源。

（2）液壓系統控制電路 按下觸摸屏上的“液壓泵啟動”按鈕，接在PLC Q1.1 口的中間繼電器KA1 得電并自鎖，液壓泵啟動并保持連續運行。為減少液壓泵及液壓油發熱，只有在上模升降運動時液壓電磁閥YV3 得電液壓泵才能對外輸出壓力油液。上模的上升和下降由接在PLC Q1.2 口和Q1.3 口的中間繼電器KA2、KA3 控制液壓電磁閥YV1、YV2實現。

上模的上升、下降位置由接在PLC I0.6 和I0.7 口的行程開關控制。

按下觸摸屏上的“液壓泵停止”按鈕或者按下急停按鈕SB3-1、SB3-2 時，液壓泵停機。

（3）伺服電機運動控制電路 廣東伊萊斯電機有限公司提供詳細的伺服驅動器和伺服電機用戶手冊。伺服驅動器采用三相交流220V 供電。本例中伺服驅動器采用位置控制方式，由PLC 的Q0.0 口和Q0.2 口控制X 軸伺服電機，其中Q0.0 是脈沖輸出口，Q0.2 是方向控制口；PLC 的Q0.1 口和Q0.7 口控制Y 軸伺服電機，其中Q0.1 是脈沖輸出口，Q0.7 是方向控制口。需要注意的是，在PLC 的Q0.0、Q0.2、Q0.1、Q0.7 口與伺服驅動器的相應控制口之間要接入2~2.2kΩ 的限流電阻。

PLC 的I0.0~I0.5 口所接6 個接近開關均為電感式PNP常開型。

除了可以通過觸摸屏進行自動擋的循環啟動和暫停控制外，在PLC 的I1.0 口和I1.1 口各接了一個常開按鈕SB1和SB2 用作循環啟動和暫停控制。

液壓落料機尺寸較大，控制柜安放在落料機機座附近。急停按鈕SB3-1 和觸摸屏一起安裝在控制柜面板上。循環啟動按鈕SB1、暫停按鈕SB2 和急停按鈕SB3-2 安裝在板材裝夾處的支架上，方便操作工人把板材裝夾到位后就近啟動自動加工，減少往返走動時間和勞動強度。

3 PLC 程序設計

受篇幅所限，對PLC 程序設計簡述如下。

3.1 自動加工時X 軸和Y 軸方向進給距離的計算

如圖1 所示，自動加工時，板材由X 軸和Y 軸伺服電機帶動運動到1 號工件中心位置，上模下降完成落料加工后回升到上止點位置。此后第一列剩余五個工件落料時板材只做X軸方向的運動，運動距離如圖3 所示為AB。第一列工件加工完成后板材需運動到第七個工件的位置，此時板材沿X 軸反向運動距離為BD，Y 軸方向運動距離為DC。

圖3 自動運動距離AB、BD、DC 示意圖

運動距離AB、BD、DC 的計算程序如圖4、圖5 所示。

圖4 自動運動距離AB、BD 的計算

圖5 自動運動距離DC 的計算

3.2 X 軸和Y 軸運動控制向導設置

在S7-200 SMART PLC 的編程軟件STEP7-MicroWIN SMART 中執行“工具”菜單下的“運動”指令，彈出“運動控制向導”， 對X 軸組態如表1 所示。對Y 軸的組態可參照X 軸進行。正確組態是編程的重要前提。

表1 X軸運動控制向導設置

說明：

（1）“電機速度”、“JOG 點動”、“電機時間”、“參考點”是編程軟件STEP7-MicroWIN SMART 中的名稱，實際的液壓落料機中伺服電機通過滾珠絲杠驅動送料臺，伺服驅動器的電子齒輪比設定為3:1，送料臺的實際運動參數為：點動速度1.0mm/s，最大運動速度300.0mm/s，最小運動速度0.06mm/s，啟動/停止速度0.6mm/s，快速參考點查找速度6.0mm/s，慢速參考點查找速度0.6mm/s。（2）子程序AXIS0_GOTO 的作用是控制X 軸定長運動；子程序AXIS0_MAN 的作用是手動控制X 軸點動進退、連續進退；子程序AXIS0_RSEEK的作用是控制X軸回參考點。另外，X 軸還有一個初始化子程序AXIS0_CTRL。

3.3 自動擋循環工作程序設計

自動擋循環工作流程圖如圖6 所示,采用順控繼電器指令編程。

圖6 自動擋循環工作流程圖

自動加工過程中，如果“暫停”按鈕ON，執行完相應步驟后暫停；等“暫停”按鈕OFF 后繼續執行下一步。

如果按下“急停”按鈕，液壓泵、X 軸和Y 軸都停止運動，解除急停后需從第一列第一個工件開始落料加工。

4 觸摸屏程序設計

4.1 建立變量表

打開WinCC flexible SMART V3 觸摸屏編程軟件，建立變量表，如表2 所示。

表2 觸摸屏程序設計變量表

4.2 設計觸摸屏畫面

共設計3 個觸摸屏畫面，分別是主控畫面、參數畫面和手動畫面。三個觸摸屏畫面分別如圖7、8、9 所示。

圖7 觸摸屏主控畫面

圖8 觸摸屏參數畫面

圖9 觸摸屏手動畫面

5 伺服驅動系統配置與參數調整

5.1 伺服驅動裝置簡介

伺服驅動系統采用廣東伊萊斯電機有限公司的伺服驅動裝置。廣東伊萊斯電機有限公司的網址為http://www.elesy.cn，用戶可登錄公司網站下載所需資料。伺服電動機M1、M2 的型號為130EMA-100CE22，該電動機額定轉矩10.0Nm、額定轉速2000r/min、反饋元件為增量式編碼器、額定電流9.0A、額定功率2.1KW。

兩臺伺服電動機采用ESDB-025AE 伺服驅動器DR1、DR2 驅動，該伺服驅動器輸出功率2.5KW，適配2500 線增量式編碼器，伺服電動機旋轉一圈需要10000 個脈沖。

5.2 伺服驅動器參數設置

額定轉速2000r/min 的伺服電動機通過導程為10.0mm 的滾珠絲杠帶動送料臺和板材運動，電動機旋轉1 圈的送料長度為10.0mm，則能達到的最快送料速度為10.0mm/r×2000r/min÷60s/min ≈333.33mm/s。因為所用PLC 的脈沖輸出頻率為2 @ 100kHz，為達到333.33mm/s 的最快送料速度，需要設置伺服驅動器的電子齒輪比為10:3。本例中伺服驅動器的電子齒輪比設為3:1，最快送料速度能達到300.0mm/s 即可滿足使用要求。伺服驅動器的主要參數設置如表3 所示。

表3 伺服驅動器主要參數設置

6 系統調試

檢測接線無誤后通電試機。首先要確認液壓泵電機轉向正確，各個動作手動試機正常且X 軸和Y 軸都回到了零點、上模回升至上限位后才能進行自動落料加工。

7 結束語

(1)觸摸屏、PLC、液氣壓傳動、伺服驅動控制的綜合應用日益廣泛，掌握其硬件電路設計、PLC 編程、觸摸屏編程、伺服驅動器參數設置及其綜合調試成為工業自動化從業者的基本要求。本文旨在通過項目實例給初入門者提供完整的項目開發理念。

(2)當前職業院校大力推行校企合作、工學一體化教學改革，把合作企業的真實設備開發項目與PLC 專業教學相結合，目標明確、針對性強，有助于提高教學效果。