基于PLC的新型自動薄壁管切斷機設計

胡鈺杰，李秋陽，張維良，高晨輝，劉斌超（合肥工業大學，安徽合肥230000）

基于PLC的新型自動薄壁管切斷機設計

胡鈺杰，李秋陽，張維良，高晨輝，劉斌超
（合肥工業大學，安徽合肥230000）

針對薄壁管切斷過程中易變形、自動化程度不高的現狀，提出了基于PLC的自動化薄壁管切斷機方案。分析了薄壁管切割的常見問題，設計了機械本體，完成了基于PLC控制的詳細設計。重點對機械部分的工作原理和PLC控制軟件的設計進行了詳細闡述。

薄壁管；自動切斷機；西門子PLC

0　引言

目前市面上的薄壁不銹鋼管，是用厚度為0.6～2mm的不銹鋼板，通過特殊的焊接技術制成的管材，該種鋼管廣泛應用于航空航天、石油化工、食品醫療等行業。但是薄壁不銹鋼管因其壁薄剛性差，夾緊容易發生變形［1］，且不銹鋼自身作為一種難切削材料，切削過程中塑形變形又比較明顯，所以往往加工達不到要求。

目前，國內已有的管件切割機有以下缺點：上料和下料需要手動解決，自動化程度低；上料時需要操作者目測上料的長度，誤差較大，造成產品的合格率偏低；沒有專門用于薄壁管件切割的刀具，切割時產生較多切屑，造成材料的浪費和環境的污染；沒有專門針對薄壁金屬管件的夾具，夾緊過程中往往造成管件的變形。本文采用PLC控制實現了薄壁管切斷機的智能化、可視化和人性化。在結構設計中避免使用液壓缸，使整臺機器的工作過程更加清潔，避免污染環境。通過改進結構和設計控制方法，大大降低了整機的成本，實現了全自動薄壁金屬管件切斷機的優化設計。

1　薄壁管切斷機機械系統設計

（1）機構的組成：主要由自動上料、定位夾緊、自動切斷、自動下料和機架導軌五個部分組成。

（2）工作原理。如圖1所示，物料放于導軌上，啟動后PLC控制物料尾部的步進電機1動作，通過絲桿傳動，控制推板推動物料前進。當物料首端遇到定位的光電傳感器時，光電開關打開，控制步進電機停止運動，完成定位。此時，壓緊氣缸動作，壓緊薄壁管，底部輸送氣缸啟動，帶動薄壁管和總臺板前行，使薄壁管套上切割頭。拉緊氣缸拉緊拉桿，使切割頭上膨脹套脹緊薄壁管。之后，壓緊機構松開。異步電機啟動，通過減速裝置帶動薄壁管旋轉。步進電機2啟動，刀具徑向切割，切割完畢后，刀具退回。拉緊氣缸松開，膨脹套在彈簧作用下回縮。夾緊機構夾緊，輸送氣缸退回。落料氣缸啟動前行，將切下的薄壁管從膨脹套上推下，落料氣缸退回。進入下一個工作循環。

圖1　薄壁管切斷機三維圖Fig.1 Three-dimensional diagram of thinwalled tube cutting machine

2　各關鍵部分的結構設計

（1）脹緊機構。相比較其他薄壁管切斷機，本切斷機具有獨特的脹緊機構。市面上的切管機大多采用從外夾緊的方式，只有極少數是采用從內夾緊的方式，而這些采用從內夾緊的方式，如從內填料，采用脹緊套等，也不利用自動化改進。該脹緊機構有兩個功能：脹緊工件和帶動工件旋轉。脹緊機構利用內外圓錐塊實現夾緊，類似于楔形夾緊機構的原理。氣缸拉桿前端的內脹緊塊隨拉桿向后退，使得外脹緊塊沿徑向移動從而脹緊薄壁管。異步電機帶動帶輪旋轉，使空心的夾頭旋轉，進而使工件旋轉。通過這種內脹緊，可以有效減少薄壁管的形變。

脹緊塊有兩種，分別為內脹緊塊和外脹緊塊。內脹緊塊為圓臺形狀，大徑尺寸為Φ24，小徑為Φ20。外脹緊塊共有四塊，完全脹起時其外圓表面距離內脹緊塊軸線的距離為33mm。當拉桿返回后，由彈簧將外脹緊塊拉回復位。

（2）切斷機構。切斷機構的功能是在脹緊機構帶動薄壁管旋轉時，刀具沿薄壁管徑向進給切斷薄壁管，之后刀具復位。主要零部件有：刀具、刀具架、絲桿和電機。進給運動通過普通滑動螺旋傳動實現。步進電機帶動絲桿旋轉，推動刀架沿管徑方向前進，刀架上的刀具完成切斷動作。

但由于實際情況限制，取d2=30mm，螺距P=6mm，即絲杠螺旋副的型號為Tr30×6-7e，其中徑d2=27mm，大徑d=31mm，小徑d1=23mm。

（3）上料機構。上料機構采用絲桿傳動。步進電機帶動絲桿旋轉，其滑臺上裝有推板，推板推動管材前進指定距離。當管子前端觸碰光電傳感器，步進電機停轉，完成上料動作。絲桿選用梯形螺紋，其螺紋中徑d2確定方法與前面類似。取F=3.248N，［p］=12MPa，則：

此處選擇絲桿大徑為10mm。但由于絲桿長達1000mm，故需要校核穩定性。絲桿穩定性條件為：

其中，Fcr—臨界載荷；F—絲桿受到的軸向載荷；SS—穩定性安全因數，SS=2.5～4。下面先確定臨界載荷Fcr：

其中，λ—柔度；μ—長度系數，i—慣性半徑。對于Q235鋼，最小柔度值λp≈100，λ≥λp，故可以使用歐拉公式計算。

故絲桿會發生失穩。將絲桿直徑增大到10.8mm以上，經校核計算，不會發生失穩。故我們選取大徑為16mm的梯形絲桿。

（4）下料機構。下料動作由推板完成。安裝在軸承座上的氣缸推動安裝在導軌上的推板。推板內孔的直徑大于夾頭外圓直徑，小于薄壁管徑，故可以將切斷后的管材推下。

3　薄壁管切斷機的電氣系統設計

（1）控制系統的組成。控制系統由西門子PLC200，步進電機，異步電機，氣缸，光電開關組成。

（2）控制流程見圖2。

（3）PLC的硬件接線圖。見圖3、圖4。

（4）主要程序。由于篇幅限制，僅羅列部分程序，見圖5。

4　電機與氣缸的選型

取摩擦系數μ=0.15［2］，α=45°，則：

f=0.15×15.361×cos45°=1.624N

故推動管子的驅動力為：Fp=f=1.624N

步進電機的輸出力矩為：M=Mf+M慣

可以認為：

圖2　控制流程圖Fig.2 Flow chart of control

圖3　PLC IO接口分配示意圖Fig.3 Schematic diagram of distribution of IO port on PLC

圖4　PLC IO接口接線圖Fig.4 Connection diagram of IO port on PLC

圖5　部分程序截圖Fig.5 Partial program

由此我們可以選擇電機系列為20的。

（2）切斷機構電機選型：

螺旋傳動的運動及其功率計算：

由此選擇57系列步進電機57BYG250l-76，兩相四線，靜力矩為1.8N·m。

（3）上料機構的氣缸選型。由設計可初步計算上料機構各部分質量合計為15kg，導軌的摩擦系數μ=0.15。氣缸的實際軸向載荷為：

F=mgμ=30×9.8×0.15=44.1N

氣缸的負載率θ=0.5，故理論出力：

初選壓力為0.5MPa，故氣缸的內徑為：

故選擇CJLN20-100氣缸。

（4）下料機構的氣缸選型。由于所切的管料長度為100mm，故可知推下的管子的質量為：

m=ρlπ（D2-d2）=7800×0.1×3.142×（0.0652-0.0632）=0.627kg。取導軌的摩擦系數μ=0.15，氣缸的實際軸向載荷為：

F=mgμ=0.627×9.8×0.15=0.922N

取氣缸的負載率為θ=0.5，故理論出力：

初選壓力為0.5MPa，故氣缸的內徑為：

5　結束語

基于PLC的新型自動化薄壁管切斷機解決了薄壁管切割易變形的問題，優化了上下料、切割等機械結構，同時對電氣系統的硬件接線和軟件程序都給出了詳細的結論，顯著提高了系統的自動化程度。

［1］DREHTUTTER.LatheChucks［OL］.www.schunk.com.

［2］聞邦椿.現代機械設計師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［3］于冬.基于PLC技術的自動切管機控制系統的研究 ［J］.組合機床與自動化加工技術，2004，10.

［4］劉玉瓊.基于PLC的礦山選料控制系統的設計［J］.煤炭技術，2014，1.

［5］張建中.基于PLC控制的新型管道自動切割機［J］.輕工機械，2012，12.

［6］趙漢雨.新型紙箱包裝機PLC控制系統設計［J］.輕工機械，2011，6.

［7］T.H.C.Childs.Friction modelling in metal cutting.［J］.Wear，2005，3.

［8］朱榮錢，朱永升，于艾華，等.脹緊機構在帶鋸切割中的應用［J］.現代制造工程，2009，8.

［9］錢應平.薄壁不銹鋼管切管機的設計［J］.機床與液壓，2014，16.

New Type of Design of Automatic Thin-walled Tube Cutting Machine Based on PLC

HU Yu-Jie，LI Qiu-Yang，ZHANG Wei-Liang，GAO Chen-Hui，LIU Bin-Chao
（Hefei University of Technology，Hefei Anhui 230000，China）

On the condition that there are several problems on cutting thin-walled tube such as shear deformation and low-level automation，we put forward a project of automatic thin-walled tube cutting machine based on PLC.In the essay，there are analysis of common problems about thin-walled tube cutting，designs of mechanical parts and details of codes based on programmable logic controller.Above all，our core work is illustrating operating principle of mechanical parts and projects of programmable logic controller.

thin-walled tube；automatic cutting machine；siemens PLC

TB47

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.013

1002-6673（2015）05-033-04

2015-08-10

胡鈺杰（1993-），男，安徽淮南人，本科生。研究方向：電氣自動化；通訊作者：朱華炳（1963-），男，安徽懷寧人，教授。合肥工業大學機械與汽車工程學院執行副院長，安徽省機械工程學會常務理事，華東高校工程訓練教學學會理事長。研究方向：①機電裝備設計與制造；②數控加工技術及應用；③生產物流規劃與仿真；④制造系統系統工程理論及應用技術。已發表論文六十多篇。