基于PLC的陽(yáng)極銅智能取樣裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

［摘 要］現(xiàn)代銅冶煉行業(yè)對(duì)陽(yáng)極銅板原材料純度的檢測(cè)方式主要是通過(guò)鉆孔取樣從陽(yáng)極銅板中提取銅屑樣品，并進(jìn)行銅含量檢測(cè)來(lái)完成。現(xiàn)有的取樣方式大多為人工操作機(jī)床對(duì)銅板指定位置進(jìn)行鉆孔取樣，此方式效率較低，安全性不易保障。文章設(shè)計(jì)了基于可編程邏輯控制器（PLC）的陽(yáng)極銅智能取樣裝置，針對(duì)取樣的特定作業(yè)流程以及銅屑樣品的物料輸送，設(shè)計(jì)了裝置結(jié)構(gòu)本體及軟硬件控制系統(tǒng)，主要包括機(jī)床氣缸夾具、取樣錐斗、氣吹震動(dòng)輔助設(shè)備、樣屑螺桿收集裝置結(jié)構(gòu)、聯(lián)合控制系統(tǒng)以及上位機(jī)工控界面等。實(shí)現(xiàn)了選點(diǎn)定位、主軸移動(dòng)、鉆削、吹掃震動(dòng)以及銅屑樣品收集等功能，并通過(guò)上位機(jī)界面完成人機(jī)交互，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)極銅板的智能化全自動(dòng)取樣。

［關(guān)鍵詞］智能鉆孔機(jī)床；PLC 輔助控制系統(tǒng)；聯(lián)合控制；人機(jī)交互

［中圖分類(lèi)號(hào)］TF769 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）01–0006–04

目前，自動(dòng)控制技術(shù)蓬勃發(fā)展，在生產(chǎn)、生活中涌現(xiàn)出了越來(lái)越多的控制設(shè)備。在機(jī)械加工領(lǐng)域，數(shù)控設(shè)備越來(lái)越普遍[1]。在傳統(tǒng)的制造行業(yè)中，普通鉆取機(jī)床存在諸多問(wèn)題，包括產(chǎn)品的質(zhì)量波動(dòng)大、自動(dòng)化水平較差、生產(chǎn)過(guò)程緩慢等。現(xiàn)代銅冶煉行業(yè)對(duì)陽(yáng)極銅板原材料純度的檢測(cè)方式主要是通過(guò)鉆孔取樣從陽(yáng)極銅板中提取銅屑樣品，并進(jìn)行銅含量檢測(cè)來(lái)完成。現(xiàn)有的取樣方式大多為人工操作機(jī)床對(duì)銅板指定位置進(jìn)行鉆孔取樣，將鉆屑用于化驗(yàn)檢測(cè)，此方式效率較低，安全性不易保障。在陽(yáng)極銅取樣過(guò)程中，自動(dòng)化鉆床需要完成集精確選點(diǎn)、樣屑收集、樣板搬運(yùn)上料以及與其他自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交互于一體的全自動(dòng)操作流程，以及實(shí)現(xiàn)通過(guò)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行控制[2]。

1969年，美國(guó)DEC 公司成功研發(fā)出了全球首臺(tái)可編程邏輯控制器（PLC），開(kāi)啟了PLC 應(yīng)用于工業(yè)控制的進(jìn)程。趙明麗等[3] 以PLC 為控制核心，通過(guò)系統(tǒng)結(jié)合WinCC 組態(tài)軟件配置的方式，實(shí)現(xiàn)了將人機(jī)界面和報(bào)警功能進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)管理。張昕等[4] 針對(duì)深孔加工的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確程度，使用PLC 設(shè)計(jì)了一套雙頭深孔鉆床控制系統(tǒng)，提升了機(jī)床的加工效率與精度。劉良會(huì)等[5] 通過(guò)利用PLC 系統(tǒng)，改進(jìn)了伺服控制體系，從而提升了深孔鉆取機(jī)床的性能，同時(shí)成功進(jìn)行了計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)之間的信號(hào)交互。

基于我國(guó)有色金屬冶煉對(duì)于陽(yáng)極銅原材料檢測(cè)的需求，文章利用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)（CNC）實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床鉆孔坐標(biāo)的精確控制，并聯(lián)合PLC 擴(kuò)展機(jī)床的控制水平，搭建了一套陽(yáng)極銅智能取樣平臺(tái)，用以解決普通數(shù)控機(jī)床在實(shí)際應(yīng)用中僅能控制鉆頭運(yùn)動(dòng)，無(wú)法協(xié)調(diào)控制鉆床配套設(shè)施的弊端，改善了整套設(shè)置的自動(dòng)化水平，有效提升了工作效率。

1 智能取樣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 取樣裝置運(yùn)作流程要求

智能取樣裝置將運(yùn)用于陽(yáng)極銅板智能取樣流程中，此流程將實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極銅屑全自動(dòng)化采樣，具體作業(yè)流程要求如圖1 所示。智能取樣裝置在開(kāi)始運(yùn)行前需等待自動(dòng)上下料機(jī)器人上料完成后發(fā)出啟動(dòng)指令，然后鉆床工作臺(tái)夾具對(duì)銅板進(jìn)行收緊固定動(dòng)作；鉆取采樣方式可選擇手動(dòng)選取采樣點(diǎn)或隨機(jī)選取采樣點(diǎn)，若選擇手動(dòng)選取采樣點(diǎn)，則需輸入采樣點(diǎn)序號(hào)；鉆取作業(yè)開(kāi)始時(shí)，鉆床主軸將鉆頭固定于鉆孔位置，隨后在鉆頭旋轉(zhuǎn)、下探、鉆樣、取樣的同時(shí)，乙醇自動(dòng)噴灑系統(tǒng)啟動(dòng)對(duì)鉆頭進(jìn)行乙醇噴淋；取樣結(jié)束后鉆頭停機(jī)，主軸復(fù)位，鉆床工作臺(tái)將夾緊銅板的夾具松開(kāi)，并向自動(dòng)上下料機(jī)器人發(fā)出鉆取完成的指令，之后機(jī)器人完成下料；若鉆孔取樣作業(yè)數(shù)未達(dá)到要求的批次數(shù)量，則需重復(fù)上述步驟，若已經(jīng)達(dá)到要求，則等待自動(dòng)上下料機(jī)器人的協(xié)同清掃指令；開(kāi)始清掃時(shí)鉆床底部排屑口打開(kāi)配合收集樣屑，并等待機(jī)器人清掃完畢指令；完成清掃后排屑口關(guān)閉，結(jié)束此批次取樣作業(yè)。

1.2 陽(yáng)極銅智能取樣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的智能取樣裝置如圖2 所示，機(jī)床體部分主要由8 個(gè)部分組成，各個(gè)部件相互配合，共同完成陽(yáng)極銅的取樣與收集作業(yè)。

機(jī)床底部與后續(xù)流程的智能包裝機(jī)協(xié)同控制，保證樣屑可以順利從樣屑收集斗進(jìn)入智能包裝機(jī)中進(jìn)行包裝工作。氣缸夾具的排布根據(jù)銅板構(gòu)型尺寸設(shè)計(jì)，能有效固定銅板且不與機(jī)器人夾具干涉，并支撐工裝保證鉆孔向下鉆時(shí)產(chǎn)品不振動(dòng)；旋轉(zhuǎn)氣缸連接電磁閥配合機(jī)器人夾具作業(yè)自動(dòng)松緊；夾具部分采用氣動(dòng)下壓及氣動(dòng)側(cè)頂?shù)姆绞剑?dāng)機(jī)器人夾具按照指定路徑把陽(yáng)極銅板放入工作臺(tái)面時(shí)，左右兩端以及上端的下壓夾具會(huì)立刻鎖緊固定銅板，為防止機(jī)器人夾具上下料時(shí)陽(yáng)極銅板放置不到位，下端用側(cè)頂氣缸輔助校正，形成二次定位。錐斗的斜面可以便于樣屑向下方收集裝置聚集，為確保樣屑更加容易向下方聚集，在錐斗壁頂部4面放置4個(gè)氣吹震動(dòng)裝置，在鉆取作業(yè)完成后，裝置由兩位三通電磁閥控制啟動(dòng)，并每隔1h 間間隔吹風(fēng)并振動(dòng)1 次，以便鉆屑樣品更好地下落。氣缸及錐斗設(shè)計(jì)如圖3 所示。

樣屑螺桿收集裝置置于鉆頭外側(cè)，鉆頭在鉆取樣屑時(shí)，裝置通過(guò)閉合蓋板與機(jī)床鉆頭形成螺桿舉升結(jié)構(gòu)，通過(guò)鉆頭旋轉(zhuǎn)將銅屑舉升入裝置收集桶內(nèi)收集。此裝置可防止樣屑飛濺，且存于此裝置內(nèi)部，當(dāng)鉆取作業(yè)完成后，樣屑螺桿收集裝置兩側(cè)電機(jī)啟動(dòng)，將裝置底蓋打開(kāi)，并將收集到的樣屑一并倒入錐斗中。

2 智能取樣裝置PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)于對(duì)取樣裝置的控制，PLC 總控系統(tǒng)需要完成以下控制操作，其硬件結(jié)構(gòu)整體方案如圖4 所示。

（1）根據(jù)隨機(jī)選點(diǎn)程序的控制邏輯，控制陽(yáng)極銅自動(dòng)化取樣裝置鉆孔點(diǎn)位的選取。

（2）在鉆孔銅板數(shù)到達(dá)預(yù)設(shè)值（6 塊）時(shí)，啟動(dòng)收集清掃程序，控制氣吹/ 震動(dòng)電磁閥開(kāi)啟，同時(shí)打開(kāi)樣屑螺桿收集裝置底板，完成樣屑清掃與收集工作。

（3）對(duì)陽(yáng)極銅自動(dòng)化取樣裝置進(jìn)行作業(yè)監(jiān)控，并完成關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置。

（4）在PLC 輸入與輸出端分別預(yù)留幾個(gè)接口，以便后續(xù)同上下料設(shè)備與混勻、包裝等裝置進(jìn)行信號(hào)交互。

2.2 PLC聯(lián)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC 控制系統(tǒng)中的輸入端需預(yù)留部分接口，用于接收上料，完成取料、下料等特殊判斷信號(hào)，并與主要控制部分銜接。由于PLC 主控系統(tǒng)需要通過(guò)CNC節(jié)點(diǎn)對(duì)機(jī)床的運(yùn)行、選點(diǎn)進(jìn)行控制，機(jī)床控制系統(tǒng)采取節(jié)點(diǎn)控制點(diǎn)位加工：利用4 組輸入信號(hào)組成的編碼可控16 組程序，主控系統(tǒng)可以將程序號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼發(fā)給數(shù)控系統(tǒng)，并需控制數(shù)控系統(tǒng)啟動(dòng)。共需要5 個(gè)I/O 信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)隨機(jī)選點(diǎn)程序?qū)C(jī)床的控制。同時(shí)，在PLC 主控系統(tǒng)的輸出端也需預(yù)留部分接口，用于發(fā)送樣屑收集完成信號(hào)，以便與后續(xù)智能混勻裝置、智能包裝機(jī)等設(shè)備銜接。

3 智能取樣裝置控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能取樣裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件方案是將觸摸屏作為上位機(jī)，PLC 作為主機(jī)。軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：①通過(guò)人機(jī)界面啟動(dòng)PLC 與主程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)其余模塊的控制；②控制開(kāi)啟照明系統(tǒng)、乙醇噴灑系統(tǒng)、吹掃振動(dòng)液壓氣缸等模塊；③系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式，開(kāi)始啟動(dòng)伺服準(zhǔn)備取樣作業(yè)，由鉆床自動(dòng)選點(diǎn)，確定陽(yáng)極銅板及其點(diǎn)位坐標(biāo)，計(jì)算鉆頭運(yùn)動(dòng)軌跡，開(kāi)始執(zhí)行取樣作業(yè)；④當(dāng)位置、數(shù)據(jù)、功能等出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)啟動(dòng)報(bào)警程序，并在人機(jī)界面明示報(bào)警信息，系統(tǒng)強(qiáng)制停止運(yùn)行所有程序，并開(kāi)啟蜂鳴器示警，直到故障消除后取消報(bào)警。

3.2 程序模塊

程序控制步驟如圖5 所示，為實(shí)現(xiàn)PLC 總控系統(tǒng)對(duì)CNC 選點(diǎn)程序的控制，本控制系統(tǒng)采用梯形圖進(jìn)行編譯，總控系統(tǒng)子程序會(huì)根據(jù)生成的第一個(gè)隨機(jī)序號(hào)，以及設(shè)定的銅板塊數(shù)，推算每塊銅板需要鉆孔的點(diǎn)位。而后通過(guò)I/O 控制CNC 鉆床進(jìn)行鉆孔，鉆孔結(jié)束后機(jī)具復(fù)位，夾具打開(kāi)，作業(yè)停止，發(fā)送信號(hào)給下料機(jī)器人進(jìn)行下料，并在檢測(cè)到銅板已下料后發(fā)送樣屑收集信號(hào)，開(kāi)始收集樣屑。為實(shí)現(xiàn)樣屑在陽(yáng)極銅自動(dòng)化取樣裝置的收集，以及向陽(yáng)極銅樣屑自動(dòng)化包裝裝置的輸送，需要在兩個(gè)裝置內(nèi)嵌入氣動(dòng)吹掃和震動(dòng)裝置以輔助下料。同時(shí)，對(duì)陽(yáng)極銅樣屑自動(dòng)化包裝裝置的控制程序作修改，使得真空上料部分和混合裝置部分在銅板鉆孔取樣的過(guò)程中間歇式啟動(dòng)，以配合完成對(duì)收集物料的輸送。總控系統(tǒng)將在銅板鉆取過(guò)程中協(xié)調(diào)吹掃、震動(dòng)、吸送及混料桶的上料閥工作，以完成銅屑的收集與輸送。

為了縮短批次作業(yè)結(jié)束的真空上料時(shí)間，對(duì)樣屑的收集和吸送工作將在銅板鉆取過(guò)程中間隙進(jìn)行。從實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看，每次負(fù)壓吸送時(shí)間設(shè)定為40～50s，銅屑吸送量控制在≤ 1 500 g 為宜。經(jīng)測(cè)算，以Φ20 mm 口徑鉆孔產(chǎn)生銅屑約為84.7 g/ 孔，若為每塊銅板鉆取3 個(gè)孔，則需大約6 塊銅板，啟動(dòng)一次收集吸送。

3.3 人機(jī)界面及其功能

顯示界面是人機(jī)交互的重要組成部分，是操作員實(shí)際進(jìn)行操作的部分，人機(jī)界面觸摸屏采用西門(mén)子精智面板TP700，其主要分為兩個(gè)部分，即監(jiān)控模塊與手動(dòng)模式模塊。監(jiān)控模塊的主要功能是監(jiān)視各個(gè)自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與上下料批次剩余樣件、單次鉆取數(shù)等數(shù)據(jù)，便于操作人員確認(rèn)自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行是否達(dá)到工作要求。手動(dòng)模式模塊的主要功能是在自動(dòng)化運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤報(bào)警，或其他需要手動(dòng)操作的情況下，對(duì)整個(gè)自動(dòng)化流程進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，包括手動(dòng)選點(diǎn)、鉆取樣屑、風(fēng)刀清掃等步驟的運(yùn)行。此外，由于PLC擴(kuò)展了裝置與配套裝置的通信功能，界面設(shè)計(jì)仍留有與類(lèi)似搬運(yùn)機(jī)器人、運(yùn)輸車(chē)等交互的信號(hào)指示燈。

4 設(shè)備精度分析與技術(shù)應(yīng)用

4.1 設(shè)備精度分析

由于本智能取樣裝置的設(shè)計(jì)目的為對(duì)陽(yáng)極銅板進(jìn)行精確選點(diǎn)與鉆孔取樣，本鉆床的精度為機(jī)床本身的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所保障。PLC 的最低輸出為1 脈沖/s，而1脈沖/s 可以通過(guò)絲杠旋轉(zhuǎn)使主軸向X、Y、Z 中任意一個(gè)方向行走達(dá)到0.025 mm/s，考慮到鉆床機(jī)構(gòu)中存在的慣性和摩擦力等因素，可以滿足0.050 mm/s 的要求，其他指標(biāo)精度見(jiàn)表1。

4.2 實(shí)際運(yùn)用

開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)運(yùn)用于陽(yáng)極銅全自動(dòng)智能取樣裝置中，作業(yè)過(guò)程設(shè)備為全自動(dòng)作業(yè)，無(wú)需工作人員參與，僅需監(jiān)視設(shè)備是否流暢運(yùn)行，設(shè)備取樣結(jié)束后，設(shè)備僅需1 名工作人員操作，且工作人員90% 以上的工作時(shí)間只需監(jiān)控設(shè)備作業(yè)即可，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低，持續(xù)作業(yè)能力強(qiáng)。裝置設(shè)備投入現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣規(guī)程，控制鉆孔轉(zhuǎn)速為600 r/min，進(jìn)給量為0.1 mm/r，取樣速度約為1.2 min/ 孔，以常見(jiàn)的3 孔位取樣為例，取樣及銅屑收集時(shí)間約為4.2 min，達(dá)到控制的預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的智能取樣裝置控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化陽(yáng)極銅智能取樣。在普通鉆取機(jī)床的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了多氣缸夾具、樣屑收集錐斗、氣吹與震動(dòng)裝置以及樣屑螺桿收集裝置；并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套全流程自動(dòng)控制軟件，進(jìn)行機(jī)床選點(diǎn)以及氣吹震動(dòng)等取樣過(guò)程的協(xié)調(diào)控制；同時(shí)設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)潔的人機(jī)界面，以便操作人員可以更加簡(jiǎn)單地操作此控制系統(tǒng)，且本系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中達(dá)到了較高的選點(diǎn)精度與鉆孔取樣精度。

經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，本機(jī)床與控制系統(tǒng)已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，能夠以較高精度完成自動(dòng)進(jìn)行陽(yáng)極銅鉆孔取樣工作。由于本研究尚未考慮在全自動(dòng)化陽(yáng)極銅智能取樣過(guò)程中與裝置使用相配套的上下料機(jī)器人、自動(dòng)混勻機(jī)以及自動(dòng)包裝機(jī)之間的聯(lián)動(dòng)控制，需要在后續(xù)的研究中進(jìn)行進(jìn)一步完善。

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