觸摸屏與PLC控制的異型管鋸管機(jī)的設(shè)計(jì)

蔣 玲 張 超

（①蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣系，安徽蕪湖241006;②蕪湖恒耀汽車零部件有限公司，安徽蕪湖 241000）

汽車是科技發(fā)展和人類社會(huì)文明進(jìn)步的象征。在汽車歧管的制造中，有各種各樣的異型管件需要定制切割，普通的自上而下管件切割機(jī)因機(jī)頭與切管工裝間存在不同程度的干涉，普通的切割機(jī)無法對(duì)形狀各異的管件進(jìn)行切割，這就需要開發(fā)設(shè)計(jì)一種新型的切割機(jī)，以滿足異型管件切割的需要。本異型管鋸管機(jī)就是基于這一需要開發(fā)的，已獲得了發(fā)明專利（專利號(hào):200810039389）。

該異型管鋸管機(jī)采用機(jī)、電、氣一體化設(shè)計(jì)，氣動(dòng)部分采用日本SMC的氣動(dòng)控制元件，電氣控制系統(tǒng)采用日本三菱PLC、伺服電動(dòng)機(jī)、變頻器及PROFACE的觸摸屏，并提供手動(dòng)測試、故障提示等功能，使設(shè)備維護(hù)非常簡單。該設(shè)備具有操作方便，工作效率高，出現(xiàn)故障自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)顯示故障位置信息，氣缸、伺服電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)、指示燈等可全部在設(shè)置屏上手動(dòng)控制，易于維護(hù)等特點(diǎn)。

1 異型管鋸管機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

異型管鋸管機(jī)主要由機(jī)架、工作臺(tái)、銑刀旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、銑刀進(jìn)給機(jī)構(gòu)、管件壓緊機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)和電氣控制等部分組成。

異型管鋸管機(jī)機(jī)架采用矩形管焊接結(jié)構(gòu)，主要用來支撐工作臺(tái)及管件加壓機(jī)構(gòu)。850 mm×1 000 mm工作臺(tái)用于安裝異型管切管工裝。銑刀旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是異型管鋸管機(jī)的關(guān)鍵部件，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過減速機(jī)、齒輪箱和傳動(dòng)軸等傳給銑刀鋸片。銑刀進(jìn)給機(jī)構(gòu)是由伺服電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)整個(gè)銑刀旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在直線導(dǎo)軌上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主軸箱的軸端裝有銑刀測速機(jī)構(gòu)，銑刀的進(jìn)給速度根據(jù)其自身轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)整，從而起到保護(hù)銑刀的作用。管件壓緊機(jī)構(gòu)采用SC125X200大型號(hào)氣缸，可使夾具快速壓牢管件。鋸片在工作臺(tái)的下面，鋸管時(shí)鋸片自下向上進(jìn)給。主體由1臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)升降臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)，由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的鋸片固定在升降臺(tái)上，鋸片的轉(zhuǎn)速可由修改變頻器參數(shù)來調(diào)節(jié)，升降臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)的速度可以在觸摸屏上設(shè)置。該異型管鋸管機(jī)采用自動(dòng)和手動(dòng)2種工作方式，采用自動(dòng)方式時(shí)，除人工裝卸管件外，其余工作均自動(dòng)進(jìn)行。

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

異型管鋸管機(jī)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置之一，主要實(shí)現(xiàn)裝卸管件時(shí)夾具的夾緊與松開的動(dòng)作，氣動(dòng)原理如圖1所示。工作過程為:壓縮空氣經(jīng)空氣過濾器后分兩路，一路到控制管件壓緊機(jī)構(gòu)進(jìn)退的控制氣缸，另一路到控制底座夾具壓緊的控制氣缸。氣動(dòng)系統(tǒng)的工作氣壓應(yīng)為0.5～0.7 MPa。

3 控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要確定控制方案，下一步就是PLC工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。在工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)和控制要求，明確控制任務(wù)和范圍以確定所需的操作和動(dòng)作;然后根據(jù)控制要求，估算輸入/輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量，確定PLC的功能和外部設(shè)備特性等;最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，由于要用PLC控制伺服電動(dòng)機(jī)，控制部分采用三菱FX1N－40MT可編程控制器，本研究采用的PLC有24個(gè)輸入和16個(gè)輸出。選用鋸片傳動(dòng)減速電動(dòng)機(jī)型號(hào)為WB180－29，速比為29，功率為4 kW;選用三菱公司生產(chǎn)的FR－D740－5.5K－CHT變頻器;選用進(jìn)給減速機(jī)型號(hào)為100L2D，速比為9;選用進(jìn)給電動(dòng)機(jī)是三菱公司生產(chǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為HC－KFS73，其功率為750 W，伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為MR－J3－70A;選用冷卻泵的型號(hào)為AB－12，功率為40 W;選用proface的觸摸屏，型號(hào)為 AST3301W－B1－D24，其畫面空間比較充足，完全符合控制系統(tǒng)的需要;選用銑刀鋸片的外徑為400 mm，內(nèi)徑為32 mm，厚度為3.5 mm;開關(guān)電源型號(hào)為 S－100－DC24。

在系統(tǒng)中，PLC是控制系統(tǒng)的核心，各種開關(guān)量都與PLC的輸入端相連，PLC輸出端主要與要控制的電磁閥、接觸器和報(bào)警信號(hào)等相連。各種邏輯控制全部在PLC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，工作過程能在觸摸屏上動(dòng)態(tài)顯示。總電路圖如圖2所示，伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制程序是異型管鋸管機(jī)設(shè)計(jì)的核心，程序設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到異型管鋸管機(jī)使用性能和操作方便性.同時(shí)須考慮程序的工作效率。因此，該設(shè)備控制程序設(shè)計(jì)由原點(diǎn)回歸程序、手動(dòng)操作程序和自動(dòng)操作程序等環(huán)節(jié)組成。

3.2.1 原點(diǎn)回歸

按原點(diǎn)回歸按鈕壓緊缸向上返回到原位，伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)升降臺(tái)做下降運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接近點(diǎn)完全無信號(hào)時(shí)升降臺(tái)改變方向做上升運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上升值達(dá)到工作原點(diǎn)位置設(shè)定值時(shí)原點(diǎn)回歸停止，原位指示燈亮。

3.2.2 自動(dòng)運(yùn)行

（1）原點(diǎn)回歸后的第一次自動(dòng)運(yùn)行

雙手按啟動(dòng)按鈕，壓緊缸向下壓緊到位，伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)升降臺(tái)做上升運(yùn)動(dòng)，當(dāng)觸摸屏上“切刀當(dāng)前位置”的值與“切割最低點(diǎn)位置”的值相等時(shí)，上升暫停;切刀旋轉(zhuǎn)、升降臺(tái)再做上升運(yùn)動(dòng)切割管子開始。當(dāng)“切刀當(dāng)前位置”的值與“切割最高點(diǎn)位置”的值相等時(shí)，上升停止，切刀旋轉(zhuǎn)停止;壓緊缸向上返回到原位，伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)升降臺(tái)做下降運(yùn)動(dòng)，當(dāng)“切刀當(dāng)前位置”的值與“切割最低點(diǎn)位置”的值相等時(shí)，下降停止。原點(diǎn)回歸后的第一次自動(dòng)運(yùn)行結(jié)束。

（2）第二次及以后自動(dòng)運(yùn)行

雙手按啟動(dòng)按鈕，壓緊缸向下壓緊到位，切刀旋轉(zhuǎn)、升降臺(tái)做上升運(yùn)動(dòng)，切割管子開始。當(dāng)“切刀當(dāng)前位置”的值與“切割最高點(diǎn)位置”的值相等時(shí)，上升停止，切刀旋轉(zhuǎn)停止。壓緊缸向上返回到原位，伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)升降臺(tái)做下降運(yùn)動(dòng)，當(dāng)“切刀當(dāng)前位置”的值與“切割最低點(diǎn)位置”的值相等時(shí)，下降停止。第二次及以后自動(dòng)運(yùn)行結(jié)束。

3.2.3 手動(dòng)單步

“手動(dòng)單步”是一種間斷而不連續(xù)的半自動(dòng)運(yùn)行，手動(dòng)單步必須在手動(dòng)檔才能操作。其作用一是便于更換工模夾具時(shí)調(diào)試，二是能夠?qū)γ坎絼?dòng)作及所設(shè)的參數(shù)慢速而仔細(xì)進(jìn)行檢查。每按一次“手動(dòng)單步”觸摸鍵，設(shè)備只進(jìn)行1個(gè)工步動(dòng)作。注意每次將旋轉(zhuǎn)開關(guān)轉(zhuǎn)為手動(dòng)檔后的第一次進(jìn)行“手動(dòng)單步”操作前，一定要先進(jìn)行原點(diǎn)回歸后再進(jìn)行手動(dòng)單步。

手動(dòng)單步和自動(dòng)運(yùn)行程序一樣分為原點(diǎn)回歸后第一次與第二次及以后手動(dòng)單步。

利用PLC進(jìn)行控制，可以提高控制精度和靈活性，使控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)得到簡化。PLC的I/O端子接線如圖4所示。

4 觸摸屏界面的設(shè)計(jì)（圖5）

利用proface的GP－pro EX2.1編程軟件對(duì)觸摸屏的界面進(jìn)行編輯:主界面顯示當(dāng)前北京時(shí)間;顯示手/自動(dòng)狀態(tài);當(dāng)前工件計(jì)數(shù)顯示設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)備調(diào)機(jī)功能按鈕可切換到設(shè)備調(diào)機(jī)界面;手動(dòng)調(diào)試功能按鈕可切換到手動(dòng)調(diào)試界面;參數(shù)設(shè)置功能按鈕可切換到設(shè)備參數(shù)設(shè)置一界面;計(jì)數(shù)清零功能按鈕可切換到計(jì)數(shù)清零界面;故障報(bào)警功能按鈕可切換到故障報(bào)警界面。

在主界面下按設(shè)備調(diào)機(jī)功能按鈕進(jìn)入設(shè)備調(diào)機(jī)界面。設(shè)備調(diào)機(jī)界面是用于更換模具切割新型號(hào)管材時(shí)的機(jī)器調(diào)試和設(shè)置一些必要的參數(shù)。在手動(dòng)調(diào)試界面下將手/自動(dòng)選擇開關(guān)旋到手動(dòng)檔，按相應(yīng)按鈕可操作切刀升降、壓緊缸升降、鋸片旋轉(zhuǎn)停止和水泵打開關(guān)閉等。

在手動(dòng)調(diào)試界面下，按原位檢查功能按鈕進(jìn)入原位檢查界面。在參數(shù)設(shè)置一界面和參數(shù)設(shè)置二界面可以設(shè)置各種參數(shù);在參數(shù)設(shè)置一界面和參數(shù)設(shè)置二界面可以設(shè)置各種參數(shù)。

5 結(jié)語

異型管鋸管機(jī)從投產(chǎn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠較好地完成異型管的切割，完全能滿足生產(chǎn)工藝的要求。該設(shè)備采用PLC和觸摸屏控制，大大提高了系統(tǒng)工作可靠性和柔性，運(yùn)行更加穩(wěn)定，從而提高了異型管鋸管機(jī)的自動(dòng)化水平，提高了生產(chǎn)效率，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

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