自動(dòng)輸送銅管設(shè)備的設(shè)計(jì)

董新華，蔡漢明，郝同暉，韓紹林，常瑞鵬

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

自動(dòng)輸送銅管設(shè)備是根據(jù)用戶(hù)需求設(shè)計(jì)的一種基于可編程邏輯控制器(PLC)的自動(dòng)控制機(jī)械設(shè)備，依靠其控制動(dòng)作準(zhǔn)確平穩(wěn)，能頻繁啟動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決人工搬運(yùn)銅管重復(fù)程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度大的難題，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷有無(wú)銅管、夾緊銅管和輸送銅管的動(dòng)作[1]。自動(dòng)輸送銅管設(shè)備運(yùn)用氣動(dòng)技術(shù)和電控技術(shù)[2]，能利用手動(dòng)、自動(dòng)及單循環(huán)3種方式實(shí)現(xiàn)輸送夾緊動(dòng)作、支撐夾緊動(dòng)作和輸送銅管動(dòng)作。

1 自動(dòng)化輸送銅管設(shè)備系統(tǒng)工作原理

基于PLC的自動(dòng)輸送銅管設(shè)備的工作原理與半自動(dòng)輸送銅管設(shè)備類(lèi)似。檢測(cè)裝置放于伺服電機(jī)旁，當(dāng)檢測(cè)裝置檢測(cè)到有銅管時(shí)，夾緊氣缸和支撐夾緊氣缸夾緊銅管然后伺服電機(jī)執(zhí)行輸送動(dòng)作，當(dāng)另一傳感器檢測(cè)到支撐夾緊裝置到達(dá)特定位置，則支撐夾緊氣缸松開(kāi)，普通電機(jī)旋轉(zhuǎn)使得支撐夾緊裝置執(zhí)行后移動(dòng)作，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置，普通電機(jī)立即停止，同時(shí)支撐夾緊氣缸執(zhí)行夾緊動(dòng)作。自動(dòng)輸送銅管設(shè)備氣動(dòng)系統(tǒng)由兩大部分組成。第1部分是夾緊部分，用于夾緊銅管并輸送一定距離；第2部分是支撐夾緊部分，設(shè)置在輸送銅管前方(如圖1中所示位置)，用于防止銅管彎曲。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體設(shè)備示意圖

2 輸送銅管系統(tǒng)控制

自動(dòng)輸送銅管設(shè)備控制系統(tǒng)是以氣體介質(zhì)作為氣源實(shí)現(xiàn)其控制功能的，工作時(shí)2個(gè)氣缸和2個(gè)電機(jī)按照預(yù)定的程序順序動(dòng)作。其控制功能具有運(yùn)行效率高、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[3]。氣壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

以下是自動(dòng)輸送銅管設(shè)備系統(tǒng)控制主要過(guò)程。

1)報(bào)警控制過(guò)程：當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，氣壓突然低于或高于指定的壓力，氣壓表指針會(huì)碰觸開(kāi)關(guān)，使得開(kāi)關(guān)閉合，同時(shí)報(bào)警燈報(bào)警，此時(shí)系統(tǒng)停止工作，普通電機(jī)立即啟動(dòng)，直到達(dá)到系統(tǒng)工作所需的正常壓力值，系統(tǒng)回復(fù)正常工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于低壓或者高壓狀態(tài)時(shí)，可以手動(dòng)復(fù)位報(bào)警器。

1,2—過(guò)濾器；3—二位二通電磁換向閥；4—先導(dǎo)式溢流閥；5—普通電動(dòng)機(jī)；6—?dú)鈮罕茫?—?dú)鈮罕恚?—單向閥；9,13—O型三位四通電磁換向閥；10,11,14,15—調(diào)速閥；12—夾緊氣缸；16—支撐夾緊氣缸

2)手動(dòng)控制過(guò)程：開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，當(dāng)完成初始化后，將一直處于無(wú)動(dòng)作運(yùn)行狀態(tài)，直到用戶(hù)根據(jù)自己的需求選擇手動(dòng)、單循環(huán)或自動(dòng)循環(huán)3種模式的一種。在手動(dòng)模式下，當(dāng)三位四通電磁換向閥左位電磁閥1YA得電時(shí)，夾緊氣缸缸桿伸出執(zhí)行夾緊動(dòng)作，當(dāng)右位電磁閥2YA得電時(shí)，夾緊氣缸缸桿執(zhí)行松開(kāi)動(dòng)作；當(dāng)左位電磁閥3YA得電時(shí)，支撐夾緊氣缸缸桿也執(zhí)行輔助夾緊動(dòng)作，當(dāng)右位電磁閥4YA得電時(shí)，支撐夾緊氣缸缸桿執(zhí)行返回動(dòng)作。當(dāng)按下輸送按鈕時(shí)，首先夾緊氣缸執(zhí)行夾緊動(dòng)作，然后伺服電機(jī)執(zhí)行輸送動(dòng)作；當(dāng)按下前移按鈕時(shí)，首先支撐夾緊氣缸執(zhí)行回原點(diǎn)動(dòng)作，然后普通電機(jī)執(zhí)行前移動(dòng)作；當(dāng)按下后移按鈕時(shí)，首先支撐夾緊氣缸執(zhí)行回原點(diǎn)動(dòng)作，然后輔助支撐裝置執(zhí)行后移動(dòng)作。

3)單循環(huán)控制過(guò)程：自動(dòng)輸送銅管設(shè)備單循環(huán)模式與自動(dòng)循環(huán)模式執(zhí)行運(yùn)送銅管的流程是一樣的，唯一不同點(diǎn)是單循環(huán)模式下系統(tǒng)以檢測(cè)到?jīng)]有銅管作為程序結(jié)束的標(biāo)志，系統(tǒng)初始化之后僅執(zhí)行一個(gè)循環(huán)，隨后所有氣缸在執(zhí)行完動(dòng)作后系統(tǒng)立即執(zhí)行回原點(diǎn)動(dòng)作，否則控制系統(tǒng)將無(wú)法再次運(yùn)行或者發(fā)生誤動(dòng)作。

4)回原點(diǎn)控制過(guò)程：系統(tǒng)未供電時(shí)，各電磁換向閥處于中位，閥口均關(guān)閉；系統(tǒng)供電后，無(wú)論此時(shí)各氣缸運(yùn)行到何處，都將默認(rèn)進(jìn)入初始化狀態(tài)，各氣缸磁感應(yīng)器、壓力表以及電磁閥開(kāi)關(guān)進(jìn)入自檢狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到夾緊氣缸后端磁感應(yīng)器未到位，電磁閥右位2YA得電，夾緊氣缸缸桿縮回到原點(diǎn)；當(dāng)檢測(cè)到支撐夾緊氣缸后端磁感應(yīng)器未到位，電磁閥右位4YA得電，使得支撐夾緊氣缸缸桿縮回到頂端；當(dāng)移動(dòng)電機(jī)后端支撐夾緊裝置上的傳感器檢測(cè)到信號(hào)，系統(tǒng)首先執(zhí)行支撐夾緊氣缸回原點(diǎn)動(dòng)作，回原點(diǎn)動(dòng)作完成之后再使移動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)直到支撐夾緊裝置后端傳感器檢測(cè)到有信號(hào)，表示支撐夾緊裝置已完成執(zhí)行回原點(diǎn)動(dòng)作。以上每個(gè)步驟回原點(diǎn)流程，最終形成輸送銅管設(shè)備初始化總流程。

5)自動(dòng)循環(huán)控制過(guò)程：系統(tǒng)上電執(zhí)行初始化動(dòng)作后，在自動(dòng)循環(huán)控制模式下，設(shè)備一直處于檢測(cè)銅管有無(wú)的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有銅管的信號(hào)時(shí)，設(shè)備立即依次執(zhí)行夾緊動(dòng)作、輔助夾緊動(dòng)作、輸送動(dòng)作、支撐夾緊裝置返回動(dòng)作。完成以上動(dòng)作后，系統(tǒng)會(huì)再次判斷是否應(yīng)該執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)動(dòng)作，從而使輸送銅管設(shè)備完成整個(gè)自動(dòng)循環(huán)流程。設(shè)備自動(dòng)循環(huán)控制過(guò)程流程圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)循環(huán)控制方式流程圖

3 控制系統(tǒng)的硬件配置

自動(dòng)輸送銅管設(shè)備依據(jù)功能控制要求，所需PLC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)全部為開(kāi)關(guān)量，因此方便選擇PLC型號(hào)及I/O點(diǎn)數(shù)和編寫(xiě)內(nèi)部程序[4]。由于S7-1200系列 PLC延伸出的所有輸入輸出端子形成端子排，因此接線(xiàn)方便[5]。PLC外部接線(xiàn)圖如圖4所示。

4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制輸送銅管設(shè)備系統(tǒng)操作面板包含所有常用的手動(dòng)命令，如圖5所示。現(xiàn)場(chǎng)按鈕是很分散的，不再給出。

圖4 CPU外部接線(xiàn)示意圖

圖5 控制系統(tǒng)操作面板

4.2 自動(dòng)操作方式的程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制輸送銅管設(shè)備梯形圖的程序采用順序控制思想設(shè)計(jì)，程序利用輔助線(xiàn)圈的自鎖和互鎖實(shí)現(xiàn)[6]。設(shè)備在自動(dòng)循環(huán)模式下的系統(tǒng)順序功能圖如圖6所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制輸送銅管設(shè)備因其具有的PLC控制可靠性高、維護(hù)方便、抗干擾能力較強(qiáng)、易學(xué)易用等特點(diǎn)[7]，逐步得到推廣。設(shè)備在某工廠(chǎng)經(jīng)多次驗(yàn)證，自動(dòng)控制方式和設(shè)計(jì)方案證明是很合理的，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,同時(shí)設(shè)備還大大提高了生產(chǎn)效率，解放了勞動(dòng)力，為工廠(chǎng)帶來(lái)明顯的效益。

圖6 自動(dòng)操作方式順序功能圖