基于PLC的銀導爆索自動拉絲機控制系統設計

2015-05-10 11:06:24趙海彬馮寶林

制造業自動化 2015年23期

凌松，趙海彬，張亮，馮寶林

（常州先進制造技術研究所，常州 213000）

0 引言

導爆索作為傳爆和引爆的索狀起爆器材[1]，主要用于以引爆炸藥，廣泛使用在軍事、航空航天等領域中。文中涉及的導爆索是企業針對特殊應用而研制的，其外表是采用銀制的管狀結構，里面為空心，火藥則填充在空心部分。未拉絲之前的導爆索外形如圖1所示。

圖1 銀導爆索

剛生產出的導爆索是直徑相對較粗的，根據企業的要求，需要對導爆索進行逐級的拉拔至所需規格直徑的細絲，同時在末端保留一小段較粗的部分，以提高末端的爆炸效果，拉絲示意如圖2所示。

圖2 導爆索拉制示意

傳統的拉拔工作主要以手工操作為主，先通過軋頭機將粗導爆索頭部軋細，然后穿過拉絲模具，在另一端進行拉拔，這個過程至少需要兩個人進行配合操作，同時為了保證末端留有一段較粗的部分，需要拉拔的人去感受中間拉力的變化，避免直接拉穿。

本文針對企業的拉絲工藝要求，采用了PLC為控制核心，利用拉力傳感器設計了導爆索拉絲的控制系統，實現了中間拉拔過程的自動化，大大減輕勞動力，同時提高了拉絲的質量和效率。

1 自動拉絲機總體結構設計

自動拉絲機的總體機械結構如圖3所示。拉絲電機和退絲電機采用的是防爆伺服電機，通過齒輪齒條的方式安裝在直線導軌上，可以在導軌上進行往返運動。拉絲機的前部是一個夾持氣爪，用于夾持導爆索，拉絲模具槽固定在拉絲電機的機械部分，拉絲模具可以人工進行逐級更換。退絲氣爪安裝在退絲電機的機械部分，用于將拉絲完成的導火索自動拉出模具。在拉絲工程中為了能夠保留導火索末端的臺階部分，在夾持氣爪的頂部放置了拉力傳感器，用于實時的檢測拉力變化，使得能準確停在末端臺階位置。

圖3 自動拉絲機機械結構圖

自動拉絲的工作流程為：將所需模具放置在拉絲模具槽內，把軋頭完的導爆索穿過模具后，利用夾持氣爪夾緊導爆索，利用拉絲電機帶動模具往后運動，同時拉力傳感器檢測拉力的變化，到達末端位置后拉絲電機自動停止，退絲電機運動至拉絲電機處后用退絲氣爪夾持導爆索末端，拉絲電機反向運動完成自動退絲。

2 控制系統的設計

2.1 控制要求和難點

根據企業對導爆索的成型要求，對導爆索的拉拔需要每次穿過一種孔徑的拉絲模具，按照孔徑減小的方式逐步通過13種規格的拉絲模具，也就是完成一根導爆索的拉絲工藝，要經過13次的拉拔操作，同時需要逐級拉拔出來的導爆索最后末端要保留15mm長的臺階，其他部分則要保持光滑，如圖2所示。

系統控制的難點主要是對15mm末端位置的判斷，在13次的拉拔過程中，拉絲電機必須能夠準確停在末端臺階處，太靠前則容易在導爆索上留下其他臺階，影響產品質量，太靠后則容易拉斷拉爆索。由于末端臺階處的直徑要大于前端，所以在模具經過臺階處的拉力會產生突變，利用拉力傳感器可以采樣整個拉絲過程中的拉力值，利用拉力突變來檢測臺階位置。

2.2 控制系統硬件

控制系統的硬件部分主要由PLC、伺服電機、觸摸屏、拉力傳感器組成。PLC選用的是歐姆龍的CP1L，CP1L自帶四路脈沖輸出，可以獨立控制四路伺服電機。考慮到整個系統的防爆要求，伺服電機選用的是派克公司的防爆伺服電機。拉力傳感器采用的電阻應變式傳感器[2]，其電壓根據拉力值可在0±10VDC間變化。其總控制系統結構框圖如圖4所示。

圖4 控制系統結構框圖

2.3 控制系統軟件

控制系統的軟件設計主要包括PLC程序設計和觸摸屏程序界面設計[3]。

PLC主程序包括系統參數的初始化，伺服電機回原點，拉力突變檢測。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

檢測導爆索臺階處拉力的突變是控制程序的核心部分，在系統中考慮了兩種檢測方案：

1）方案一：設定拉絲過程的最大拉力，直接利用拉力傳感器檢測拉絲過程中的最大拉力，達到設定值就停止拉絲電機，默認到達臺階位置，控制方式比較簡單，易實現。在實際的工作測試中，經過測量導爆索經過每個拉絲模的拉力值均是變化的，最大拉力值如果設置過小則拉絲電機過早停止會形成新的臺階，如果設置過大則會拉斷導爆索。這種方案只能用于通過單一的拉絲模具，可行性不高。

2）方案二：同時設定最大拉力和拉力的變化率，設定PLC內部的定時器為0.1S為采樣周期，不斷檢測當前值與前一時刻值的差值，同時滿足當前的差值超過設定變化率的值和當前拉力值超過設定最大值的時候，認為拉絲模已經運行至末端臺階處。其控制流程如圖6所示。經過反復驗證測試，方案二大大提高了臺階位置的識別率，符合實際的需求。

觸摸屏的程序的設計主要是人機交互的界面，通過觸摸屏可以設置最大拉力值、變化率值等控制參數以及實現控制系統的運行和停止等操作，系統的人機界面如圖7所示。