錨具夾片自動切割裝置的結構設計與控制研究

王 軍，阮學云

（安徽理工大學，安徽淮南 232000）

0 引言

隨著我國工業(yè)水平的不斷提升，科學技術水平的不斷提高，在預應力工程中錨具扮演的角色越來越重要，例如煤礦中的井下支護設備的安裝，橋梁建筑的安裝等都離不開錨具[1]。而在夾片錨的使用過程中，夾片是最重要也是最常用的部分。同時對于夾片的加工方法也進一步提出了要求，面對龐大的需求量，其加工的工作效率以及精度需要進一步提高。本文為提高加工工作效率和精度做了一些研究，并設計了錨具夾片的加工裝置[2]。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

裝置整體結構如圖1所示。

（1）支撐機構

由一個四角支撐底座平臺以及4個直角立柱通過焊接在底座平臺上，其中底座用來安裝下液壓缸、電機機架、下料槽等構件。

（2）夾緊機構

夾緊機構包括2個液壓缸、工件固定芯軸、液壓推桿桿頭固定塊，以及上液壓缸十字固定板。液壓缸十字固定板通過直角連接板固定于四周立柱上，進而固定上液壓缸缸體。

圖1 錨具夾片3等分自動切割裝置三維圖

（3）切割機構

主要由交流電機、電機套、電機機架、專用鋸片、接觸開關和繼電器組成[3-4]。電機機架通過底座上的孔進行定位，3個電機所配的鋸片呈120°夾角布置，電機套安裝于電機機架上用于固定電機。

（4）液壓系統(tǒng)

由2個規(guī)格相同的液壓缸、電磁換向閥，節(jié)流閥，單向閥等組成。通過液壓系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)的結合實現上液壓缸快進給動作與慢進給動作與兩個液壓缸的同步進給的工作。

（5）PLC控制系統(tǒng)

主要是將電機、電磁換向閥、繼電器、電源開關、限位開關與PLC相連，進而通過編程對整個切割工作進行控制，實現錨具夾片切割工作的自動化[5]。

1.2 工作原理

該裝置完成切割，是靠電機的運轉帶動鋸片旋轉實現切割的主運動，同時依靠雙液壓缸對工件進行夾緊，且提供工件切削的進給運動。整個切割過程由PLC控制，能夠實現從裝夾工件到加工后工件脫落整個過程的自動化，不需要人工操作。

2 錨具夾片自動切割機工作過程

該裝置的切割過程主要分為以下幾個部分：工作開始前、工件的裝夾工作、工件切割過程、工件脫落過程，4個過程為1個工作循環(huán)。

（1）工作開始前

工作開始前上液壓缸與下液壓缸均處于未推出狀態(tài)，其狀態(tài)圖如圖2所示。

圖2 工作開始前狀態(tài)

（2）工件的裝夾過程

首先由PLC控制上液壓缸推桿推出，同時焊接在推桿上的芯軸也一并推出，當芯軸到達工件安裝處時，觸碰接觸開關，此時開關信號傳遞給PLC系統(tǒng)，上液壓缸停止運動。等待安裝工件，待工件安裝完成后，由PLC控制的下液壓缸推桿推出對工件進行夾緊工作。各步驟狀態(tài)圖如圖3所示。

（3）工件切割過程

等待裝夾工作完成后，PLC控制的電機開關使電機運轉，PLC同時給控制上液壓缸與下液壓缸進給的電磁信號，上液壓缸伸出，下液壓缸縮回，速度相同，工件在上液壓缸與下液壓缸共同作用下，在保持相對夾緊的狀態(tài)下，一一通過鋸片完成切割[6-7]。圖4所示為切割過程圖。

圖3 工件裝夾過程圖

圖4 工件切割過程

（4）工件脫落過程

當切割完成時，此時下液壓缸完全縮回，如圖5所示。同時切割完成后的夾片脫落至下料槽，隨后沿下料槽滑至下料口，脫離工作區(qū)以外，落入工件收集箱。

圖5 工件脫落過程

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)方案

為了實現錨具夾片自動切割加工，經分析，確定錨具夾片自動切割的工作循環(huán)如圖6所示。設計的控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、工業(yè)觸摸屏、交流電機、電磁換向閥、繼電器、電源開關，限位開關組成[8]，控制系統(tǒng)結構示意圖如圖7所示，其運行原理：操作人員通過工業(yè)觸摸屏設置所需的交流電機旋轉速度和進給速度等參數，電機啟動，上料，通過電磁換向閥控制液壓缸夾緊工件，通過兩個液壓缸同步運動實現工件進給，切割完成，電磁換向閥控制液壓缸回程松開工件，工件掉落。

圖6 錨具夾片自動切割機工作循環(huán)圖

圖7 控制系統(tǒng)結構示意圖

3.2 PLC控制程序設計

圖8 PLC控制程序流程圖

表1 I/O分配表

為實現錨具夾片自動切割機的工作循環(huán)，制定了PLC控制程序流程圖與I/O分配表，如圖8和表1所示。在啟動錨具夾片自動切割機后，上液壓缸與下液壓缸、3個交流電機、芯軸及上液壓缸行程間的限位開關是否復位，若未復位則需復位后再次檢測，若復位完畢，則上料，檢測工件上料到位后，電機啟動，PLC給電磁換向閥發(fā)送信號，液壓缸夾緊工件，限位開關觸發(fā)，檢測到工件是否夾緊，若夾緊，PLC給電磁換向閥發(fā)送信號，上下液壓缸同步運動進給工件，直到工件切割完成，上PLC給上液壓缸電磁換向閥發(fā)出信號，上液壓缸縮回，檢測是否縮回，若上液壓缸縮回完畢，等待下一批工件上料，完成一個工作循環(huán)。

4 結束語

本文采用新的設計思路，設計新型切割裝置，3個電機驅動散片刀具，使刀具具有自動切割工件的功能，且速度可調；運用PLC與液壓系統(tǒng)相結合實現雙同步液壓缸夾持輸送錨具夾片功能，且進給速度、夾持力可調；工作時自動保證工件夾緊功能，且刀具切割等分數量、切割速度和壓力均可調[2]；切割結束時液壓缸受PLC控制自動結束對工件施加的夾持力，錨具夾片由于重力自動向下運動，保證切割成品自動離開工作面，自動化程度高，生產效率高，解決了現有的錨具夾片切割作業(yè)的精度不高，生產效率低的問題，降低了操作人員的勞動強度和生產成本。該機還具有結構緊湊、操作簡單、維護便捷等諸多優(yōu)點，可克服錨具夾片切割現有技術的缺陷。