淺談PLC 自動送料設備在沖孔加工中的應用

程波

（湖南中鐵五新鋼模有限責任公司，湖南 懷化 418005）

鋼模板是用于混凝土澆筑成型的鋼制模板，由于需要組合使用，每塊模板四周均設有連接鋼板或連接角鋼，這些連接鋼板和連接角鋼上分布有連接孔用于與其他模板進行連接。對于不同的產品類型、不同的客戶要求，連接鋼板和連接角鋼的長度不同，其上分布的孔的數量及間距也不相同。

在鋼模板的加工時，對于直線型連接鋼板或角鋼，其加工方法為先按模板的長度下好材料，然后采用沖壓式壓力機沖孔方式開孔。與鉆孔加工相比，沖壓加工的生產效率高，且操作方便，容易保證孔的尺寸與形狀精度。但由于工件的種類眾多，每類數量較少，難以形成批量，一直以來均采用人工送料的辦法，每沖一個孔后需要人工移動一次工件，再對沖孔位置進行確定，因此加工速度慢，也很容易產生孔位誤差；另一方面，對于大型模板的連接角鋼或鋼板，單件的重量甚至會超過50kg，工人的勞動強度高，易疲勞，操作安全性也不易保證。為保障操作人員的人身安全，降低工人的勞動強度，提高產品的質量，很有必要采用新的工藝進行送料沖孔。

1 自動送料設備的結構組成及工作原理

自動控制送料設備的結構部分主要由機座、軌道系統、送料小車3 部分組成。

1.1 機座

由角鋼及鋼板加工而成。機座的臺面鋼板與支架角鋼鉚焊，形成整體框架后，上表面進行銑削機加工，確保了表面的平整度。臺座底部設有若干個可調式基座，安裝時便于適應地面的不平整性。

1.2 軌道系統

軌道系統安裝在臺座的臺面上，主要由直線導軌和精密齒條組成。直線導軌定位精度高、摩擦力小、潤滑方便，可以使工件運動速度快，電機驅動功率小。精密齒條一方面為小車提供驅動力，另一方面為小車運行進行長度定位。此外，為方便長大板狀工件的送料，還安裝有托輥。

1.3 送料小車

送料小車安裝在軌道系統上，其底部為與直線導軌配合的滑座，內部安裝有夾緊氣缸和步進電機。步進電機輸出通過減速裝置減速后，在減速裝置輸出軸安裝有齒輪，與臺面上精密齒條嚙合，驅動小車移動。送料小車前端安裝有夾持機構，用于夾持工件。

除此以外，采用自動化送料設備后，為便于自動化操作，對原有的沖床進行了改造，在沖床離合器的連桿上安裝了頂推氣缸，用以代替人工操作控制沖床的沖孔。

1.4 設備工作原理

設備工作前，工作人員先對工件的長度、孔距等參數進行設定，設備工作時，自動控制系統先將小車開行到沖床處，將工件夾持住后，拖行至工件第一個開孔處，然后使沖床連桿氣缸動作，控制沖床完成沖孔，沖孔完成后，小車將工件拖行至第二個開孔處，進行第二個孔的沖壓，以此循環，全部孔沖壓完畢后，小車將工件送回到初始位置，夾持機構松開，完成整個工件的沖孔加工。

2 設備的自動控制系統

為了滿足不同工件對孔的數量、位置、間距不同的要求，保證設備穩定可靠、操作方便、具有良好的適應性，設備采用了以PLC 為核心的控制系統。

2.1 控制系統的硬件構成

控制系統硬件部分主要由PLC、步進系統、人機界面、輸入主令開關及傳感器、輸出電磁閥等部分組成。

（1）PLC。PLC 是整個系統的核心元件。本設備中采用了國產的信捷XC 系列PLC，該款PLC 運算速度快，具有充裕的軟元件容量、豐富的指令集，具備高速脈沖輸出端口，最高能輸出200kHz 的脈沖，可以方便地控制伺服和步進電機系統，性能穩定，成本較低。由于需要輸出脈沖用以控制步進電機，故采用了晶體管輸出的PLC。

（2）步進電機驅動系統。為控制工件的孔距尺寸，控制系統采用了步進電機驅動定位。步進電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，因此可以通過控制脈沖數量來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，而不存在累積誤差；同時，可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。由于PLC 的信號無法直接驅動電機，還配備了步進電機專用的驅動器。

（3）人機界面。人機界面是操作人員與PLC 信息交互的媒介，也是設備使用方便性的重要保證，用于設置工件及系統運行的參數，考慮到現場工作環境較為惡劣，輸入信息量不大，選用了國產的信捷OP 系列小型人機界面。該人機界面雖然屏幕可視范圍較小，但對環境適應性高，表面IP65構造，防水、防油，適用范圍廣，操作人員容易上手，性價比高。

（4）輸入信號。控制系統的輸入主要由主令按鈕和傳感器組成。其中主令按鈕主要用于設備的啟動、停止、急停、運行模式選擇，手動調試時的前進、后退等。傳感器則采用了無觸點的接近開關，其定位精度準、操作頻率高、使用壽命長，安裝調整方便，對油污等惡劣環境的適用能力強。在自動送料機多處均安裝有檢測各關鍵部位的位置信號，如夾緊裝置處檢測工件是否夾緊，在小車初始位置進行零點檢測，在零點檢測前后再設置前超限保護和減速點檢測，在設備尾端進行后超限保護等，此外，還在沖床上也安裝了接近開關用以檢測沖頭是否回復到位。

（5）輸出。設備的輸出均為氣缸的電磁閥，故采用了中間繼電器隔離輸出。

2.2 控制系統的軟件設計

（1）控制系統的流程圖如圖1 所示。控制系統軟件設計時，采用了程序流程指令，保證每次只進行相應的流程運行，其它流程則不運行，確保了控制程序運行的穩定性。

（2）電機加減速控制。為了提高設備運行速度，需要電機高速運轉，但當設備從靜止開始啟動，控制脈沖提供給驅動器時，在很短的時間里，控制系統發出的脈沖數太多而有可能會產生異常，同樣的原因，電機在高速運轉的過程中也不能直接停止，因此在對電機的控制中采用了變速設計，即采用了低速啟動—加速—高速運行—減速—停止的運轉曲線，充分利用PLC 專用的脈沖輸出指令，對工件的運行進行加減速設置，使工件及設備運轉穩定可靠。在指令編寫時，針對自動、手動、退料等不同的工況設置了不同的速度特性值，在進行不同的流程時，將其對應的特性值寫入脈沖輸出指令的寄存器中，這樣即使程序流程不同，控制系統也能一方面使工件平穩運行，保證孔位的定位精度，另一方面，使整個工件加工的工效提高。

圖1

（3）人機界面。在人機界面的程序編寫中，遵循順序原則，按照操作人員的操作流程，從整體到各單項確定各對話界面的排列順序，同時在各界面中又可以相互切換，以方便操作。在人機界面中編寫了多個設置界面，設置的內容包括工件總長度、孔邊距、等或不等孔距、孔數量等工件參數，當工件發生變化時，沖孔前需對運行參數進行重新設定。除此以外，在人機界面中還可以對系統操作模式、運行速度等進行選擇。

（4）其他軟件設計。控制程序設計了手動模式，單步模式和自動模式，適應各種不同情況下的運行。在控制程序的編制過程中，除正常的運行程序外，還編寫了一些安全保護程序，例如設備運行前，程序就會對將要運行的參數進行計算檢查，當發現明顯的不合理（如孔距過小、孔邊距過小、孔距和大于工件長度等），系統會自動提示異常，提醒操作人員修改，保證設備正常運轉。

3 使用效果及結語

采用自動化送料設備后，在投入不高的情況下，實現了自動化生產的目的，不僅沖孔的速度得以提升，沖孔的精度也得到了提高，特別是對于長大以及不等孔距工件，工人的勞動強度大幅度降低，同時操作人員不再直接接觸沖床，也大大減少了安全事故發生的可能性，具有很好的應用效果。