基于PLC的筘片裁剪系統開發設計

史衛朝，王麗潔，徐德凱

（西安理工大學，西安 710082）

0 引言

隨著國家對環境保護的不斷重視，越來越多的企業開始發展過濾網產品。鋼筘作為過濾網生產過程中不可或缺的配件，筘片的硬度和耐磨性對過濾網的生產有著非常重要的影響。目前國內生產筘片的材質主要為65Mn鋼帶，其特點是：強度高、硬度高、彈性好，抗拉強度σb(MPa)=825MPa～925MPa，熱處理硬度為38HRC～60HRC[1]。紡織配件企業根據過濾網的型號，通過計算確定筘片厚度，一般為0.25mm～1mm。由于65Mn鋼經過淬火后硬度高，傳統沖裁筘片的加工方法不僅會嚴重損傷模具，而且自動編筘機的剪切裝置無法裁剪0.4mm厚以上的65Mn鋼帶，因此，研制全自動筘片裁剪系統是十分必要的。

本項目通過對現有裁剪設備分析研究，針對性地開發出一套基于PLC控制的筘片裁剪系統，從根本上解決了筘片加工中存在的問題。

1 筘片裁剪系統的結構設計

1.1 技術要求

本項目目標是研制的筘片裁剪系統基于PLC控制，采用氣動送料機及電機驅動，實現自動送料、裁剪，保證裁剪的筘片尺寸一致，提高筘片裁剪速度及生產效率。企業對項目組提出了以下要求：

1）筘片裁剪系統的銷、軸、輪等零件應進行熱處理，安裝銷栓的孔應配銅套，電器配件、線纜均要符合國標要求；

2）裁剪速度≥100片/min；

3）裁剪后筘片長度誤差≤0.1mm；

4）筘片裁剪系統應具有急停裝置、潤滑裝置保證使用安全。

1.2 主體機械結構

筘片裁剪系統的機械結構主要包括：1）料盤裝置；2）裁剪裝置；3）收料裝置三大部分，如圖1所示。

料盤裝置主要由料架、料盤、電機、減速器、傳感器等組成，作用是自動判定輸送鋼帶的時間，根據PLC指令將料盤架上的鋼帶送出。在料盤與送料氣缸之間安裝光電傳感器，在裁剪鋼帶過程中，光電傳感器檢測到鋼帶不足并發送信號至PLC，PLC控制料盤上的電機旋轉，料盤旋轉送出鋼帶。

圖1 筘片裁剪系統結構示意圖

裁剪裝置主要由送料氣缸、手壓剪、底座、氣泵、氣動三聯件、光電傳感器等組成，如圖2所示，其作用是將料盤裝置送出的鋼帶，經送料氣缸送入手壓剪內，手壓剪在電機和傳動機構的帶動下，裁剪鋼帶。筘片的長短可調整送料氣缸的擋料輪及微調螺母，送料時間由光電傳感器判定，當手壓剪抬升時，光電傳感器檢測到信號，且發送至PLC，PLC通過繼電器控制電磁閥工作，氣缸送料，同時計數器計數。送料氣缸可選擇標準型AF-4C氣動送料機，其最大送料寬度為100mm，最大送料長度為130mm，滿足筘片裁剪要求；選用三相立式380V電機和NMRV蝸輪蝸桿減速機，電機功率為750W。

圖2 裁剪裝置結構簡易圖

收料裝置主要是將筘片按裁剪的順序依次回收，由接料盒和平行氣動手指組成。當接料盒中的筘片數目達到規定值后，計數器發出信號，PLC控制送料氣缸停止工作，同時平行氣動手指松開，操作人員取出接料盒。根據夾持力的計算公式[2]：

式中，F為夾持力（N）；m為工件質量（kg）；g為重力加速度；μ為配件與工件之間的摩擦系數。經過計算，選擇HFZ16平行氣動手指作為夾持元件。此外接料盒尺寸不宜過大，避免筘片凌亂疊加。

1.3 工作原理

筘片裁剪系統工作時主要依靠送料氣缸將鋼帶依序送至手壓剪內，手壓剪運動完成裁剪。具體工作過程如下：料盤與送料氣缸之間的光電傳感器發出輸送鋼帶信號，PLC接收信號后驅動料盤上電機運轉，完成鋼帶輸送；同時裁剪電機啟動，安裝在手壓剪附近的傳感器檢測到手壓剪抬升的信號，發送至PLC，PLC控制繼電器及電磁閥工作，送料氣缸在電磁閥的控制下依次將長度相同的鋼帶送入手壓剪內，手壓剪上下運動裁剪鋼帶，裁剪后的鋼帶依次落至接料盒內，當筘片達到規定數目后，PLC發出信號，送料氣缸及裁剪電機停止工作，且平行手指松開，操作人員取出接料盒。

2 控制系統設計

2.1 控制電路設計

筘片裁剪系統基于PLC控制，借助三相異步電機和氣缸的運動完成鋼帶的裁剪。在外部三相電及氣泵的帶動下，通過電機的啟動停止、送料氣缸的往復運動及夾緊氣缸的工作完成控制系統要求的動作，主要輔助元件有接觸器、繼電器、電磁閥及計數器等，圖3為筘片裁剪系統主電路圖。

圖3 筘片裁剪系統主電路圖

此外在設計控制電路系統時，考慮到各種技術要求[3]，確定采用西門子S7-200型PLC作為筘片裁剪系統的控制主機。由于控制系統有11個數字輸入量，4個數字輸出量，故確定CPU224為CPU模塊，表1為PLC輸入輸出分配表，圖4為筘片裁剪系統控制原理圖。

表1 PLC輸入輸出分配表

圖4 筘片裁剪系統控制原理圖

2.2 控制程序設計

筘片裁剪系統的各個裝置在PLC及輔助元件的控制下，按規定的邏輯順序工作。我們采用西門子STEP7編程軟件對PLC程序進行編寫，該軟件可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進行編程操作，圖5為控制程序流程圖。

圖5 控制程序流程圖

3 筘片裁剪系統特點

開發的筘片裁剪系統相比傳統的裁剪設備具有以下特點：1）裁剪速度快，采用的自動送料氣缸較機械式自動送料機運行速度快，穩定性好，性價比高；2）自動化程度高，在整個筘片裁剪過程中，所有動作均有PLC控制，減輕了操作人員的勞動強度；3）結構簡單，易于安裝維護且維護。

目前，筘片裁剪系統已經應用于某紡織器材配件廠。結果表明，使用該筘片裁剪系統后，企業筘片裁剪效率大幅提高，生產周期由原來的3小時縮短至0.5小時，故障率低；生產成本較前降低了60%左右，為企業帶來了顯著的經濟效益，提高了產品的市場競爭力。

4 結束語

隨著我國過濾產業的不斷發展，過濾產品對筘片要求不斷提高。利用項目組設計的筘片裁剪系統能夠滿足筘片的裁剪需求，同時也滿足自動控制的要求，對鋼筘行業產品的質量提高具有很好的促進作用。

[1]機械設計編寫組.機械設計手冊第三版[Z].北京:機械工業出版社,1986.

[2]姜繼海.液壓與氣動傳動[M].北京:高等教育出版社,2010.

[3]林小寧.可編程控制器應用技術[M].北京:電子工業出版社,2013.