基于PLC的相貫線切割機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孔艷艷

（閩江師范高等專科學(xué)校，福州 350108）

隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，欄桿、管道等在建筑裝飾行業(yè)、環(huán)保設(shè)備行業(yè)和機(jī)械制造行業(yè)等的應(yīng)用逐漸廣泛。人們對(duì)切割焊接的工藝性要求越來越高，因此切割質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本問題都是人們考慮的重點(diǎn)[1]。在欄桿或管道相接焊接時(shí)，需要對(duì)欄桿、管道等結(jié)構(gòu)件進(jìn)行切割加工。但是，此類加工以往先用三維CAD軟件繪制切割管道的相貫線，再使用數(shù)控加工機(jī)床加工一個(gè)模板，然后用凸輪機(jī)構(gòu)將模板設(shè)為凸輪，制造一個(gè)合適的從動(dòng)件，從而實(shí)現(xiàn)相貫線的切割。該工藝方法根據(jù)管徑的不同，需要制造不同管徑的模板，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且切割過程中往往會(huì)產(chǎn)生大量煙塵，導(dǎo)致工人的工作環(huán)境惡劣。當(dāng)前，對(duì)于一些大批量、高精度的管道切割，采用數(shù)控相貫線切割機(jī)雖能十分方便地切割加工此類工件，但是設(shè)備投資大，非常不適合中、小企業(yè)批量小、種類多的切割作業(yè)。因此，從成本角度考慮，本文介紹了一種基于PLC控制的相貫線切割機(jī)系統(tǒng)，不僅滿足了相貫線切割的要求，還能有效改善傳統(tǒng)切割費(fèi)時(shí)費(fèi)工的弊端，提高切割質(zhì)量和效率，降低切割機(jī)使用成本，對(duì)中、小批量生產(chǎn)企業(yè)提高管道的生產(chǎn)規(guī)模、質(zhì)量和加工精度具有積極的促進(jìn)作用。

1 相貫線切割機(jī)工藝要求

如圖1所示，管道正交的相貫線切割。為了滿足當(dāng)前批量小、品種多且能在同一臺(tái)設(shè)備上完成相貫線切割工藝的要求，本文以管道正交為例，根據(jù)管道正交相貫線展開圖的理論計(jì)算公式，使用PLC和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)來控制切割機(jī)的成型運(yùn)動(dòng)過程。

圖1 管道相貫線切割

管道正交對(duì)接的形式有兩種，一是管道等徑正交，二是管道異徑正交。管道等徑正交是指兩根管道直徑相同且垂直相交。管道等徑正交的相貫線正投影如圖2所示，相貫線為兩條對(duì)稱相交的直線，可直接畫出。它的相貫線展開圖，如圖3所示。可以看到，展開線為4段完全相同的曲線，因此只計(jì)算其中一段曲線坐標(biāo)值即可。

圖2 等徑正交管道正投影

圖3 等徑正交管道展開圖

管道等徑正交的理論計(jì)算公式為[2-3]：

式中：yn展開圖曲線坐標(biāo)值或開孔寬度，單位為mm；d管道外徑，單位為mm；αn斷面等分角，單位為°。

管道異徑正交是指主管道與支管道的直徑大小不同但垂直相交。管道異徑正交的相貫線正投影如圖4所示，相貫線為一條空間曲線。在理論計(jì)算過程中，支管道按內(nèi)徑r、主管道按外徑R、支管道總高h(yuǎn)來計(jì)算支管道展開圖曲線坐標(biāo)值。它的相貫線展開圖，如圖5所示。可見，展開圖的形狀與等徑類似，僅計(jì)算其中一段即可。

圖4 異徑正交管道正投影

圖5 異徑正交支管道展開圖

管道異徑正交的理論計(jì)算公式為：

式中：y0、yn為相貫線各點(diǎn)至主管軸線的距離，單位為mm；R為主管道外徑，單位為mm；r為支管道外徑，單位為mm；αn為斷面等分角，單位為°。

由以上管道正交的理論計(jì)算公式，使用PLC算出相貫線展開圖各點(diǎn)位移的大小，再結(jié)合步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，即可滿足管道正交相貫線切割的工藝要求。

2 相貫線切割機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理

切割機(jī)的成型運(yùn)動(dòng)主要是割槍的水平運(yùn)動(dòng)和管道的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輔助運(yùn)動(dòng)為割槍位置的上下移動(dòng)。管道正交的相貫線有割槍和管道的運(yùn)動(dòng)合成。因此，相貫線切割機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要工作過程是，先在切割機(jī)上將棒料安裝到切割位置的正下方，再利用夾緊裝置夾緊待切割的管道，然后在HMI上設(shè)定管道直徑參數(shù)，選擇啟動(dòng)切割程序，割槍自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到管道切割位置并點(diǎn)燃割槍火焰。割槍按照事先計(jì)算好的點(diǎn)位切割管道，待切割結(jié)束后自動(dòng)關(guān)閉割槍火焰、割槍復(fù)位在松開管道，最后移走管道，結(jié)束切割。若需繼續(xù)切割管道，重復(fù)上述操作。

3 相貫線切割機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

相貫線切割機(jī)控制系統(tǒng)選擇西門子S7-1200作為控制器。由于1200系列PLC具有處理速度快、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)且最多能同時(shí)控制4個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)軸，因此它能為相貫線切割機(jī)自動(dòng)控制提供一個(gè)非常有效的低成本解決方案。控制系統(tǒng)的數(shù)字輸入量主要包括系統(tǒng)手動(dòng)、自動(dòng)、啟動(dòng)、停止、急停以及4個(gè)手動(dòng)控制開關(guān)等。數(shù)字輸出量主要包括1個(gè)割槍啟動(dòng)信號(hào)、1個(gè)運(yùn)行信號(hào)燈、1個(gè)停止信號(hào)燈、1個(gè)故障報(bào)警信號(hào)燈和1個(gè)管道夾緊電磁閥；高速脈沖輸出信號(hào)共有3組，分別是割槍水平運(yùn)動(dòng)需要的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方向和脈沖控制信號(hào)、管道回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方向和脈沖控制信號(hào)以及割槍輔助運(yùn)動(dòng)需要的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方向和脈沖控制信號(hào)，同時(shí)可在HMI界面上實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、設(shè)定待切割管道的直徑和割槍的位置等參數(shù)，還具有安全登錄、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控以及歷史數(shù)據(jù)保存等功能。

3.2 I/O口分配

根據(jù)控制要求，選擇西門子S7-1200 PLC作為控制器。西門子1200系列的PLC本體具有4個(gè)數(shù)字量的高速脈沖輸出點(diǎn)[4]，啟用帶正負(fù)方向的脈沖發(fā)生器后可以控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)。但是，西門子1200系列的PLC都支持加裝一個(gè)4數(shù)字?jǐn)?shù)量輸出的信號(hào)板SB，因此加裝信號(hào)板SB后，西門子1200系列的PLC有8個(gè)高速脈沖數(shù)字量輸出點(diǎn)，啟用帶正負(fù)方向的脈沖發(fā)生器后可以控制4個(gè)步進(jìn)電機(jī)。其中，步進(jìn)電機(jī)1用于控制割槍的水平運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)2用于控制割槍的輔助運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)3用于控制管道的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。PLC的部分I/O口資源分配如表1所示。

表1 PLC的部分I/O口資源分配表

3.3 PLC程序編程

相貫線位移點(diǎn)的計(jì)算，依據(jù)相貫線的理論計(jì)算公式，通過PLC的數(shù)學(xué)運(yùn)算指令，如加ADD、減SUB、乘MUL、除DIV、取余數(shù)MOD以及計(jì)算指令CALCULATE等，將位移點(diǎn)的數(shù)據(jù)逐個(gè)算出，再利用PLC的表功能指令，如表存數(shù)指令A(yù)TT、表取數(shù)指令（先進(jìn)先出指令FIFO和后進(jìn)先出指令LIFO）以及表查找指令FND，將這些位移點(diǎn)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)表，等待PLC程序的調(diào)用。

S7-1200對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制有3種方式。一是PROFIdrive方式，電機(jī)與支持PROFIdrive的驅(qū)動(dòng)器連接進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制；二是PTO的脈沖方式控制，通過PLC發(fā)送方向脈沖和速度脈沖；三是模擬量控制，通過PLC輸出模擬量控制驅(qū)動(dòng)器。本文對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制選用第2種PTO的脈沖方式控制[5]，PTO的脈沖方式控制先要通過軸控制對(duì)象TO_AXIS_PTO映射物理軸，再設(shè)置軸的工藝參數(shù)，在添加工藝對(duì)象命令表TO_CommandTable_PTO使用PLCopen在表中創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)控制命令和運(yùn)動(dòng)軌跡。步進(jìn)電機(jī)的控制程序常用功能數(shù)據(jù)塊有使能MC_POWER、復(fù)位MC_Reset、回原點(diǎn)MC_Home、點(diǎn)動(dòng)MC_MoveJog以及命令表MC_CommandTable等，控制程序如圖6所示。

圖6 步進(jìn)電機(jī)的控制程序

4 觸摸屏控制界面

觸摸屏顯示界面是人與機(jī)器之間傳遞信息的媒介，實(shí)現(xiàn)了從PLC內(nèi)部讀寫信息并實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為人們可以接受信息的形式，方便了人們對(duì)系統(tǒng)參數(shù)信息的實(shí)時(shí)修改，并能夠?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息。相貫線切割機(jī)的控制界面主要包括系統(tǒng)啟動(dòng)主界面、等徑正交控制界面、異徑正交控制界面、狀態(tài)顯示界面以及操作說明界面等。

系統(tǒng)啟動(dòng)主界面，如圖7所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入主界面，主要用來控制系統(tǒng)的手動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行的切換、割槍的前后或上下運(yùn)動(dòng)的手動(dòng)控制、管道正反方向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的手動(dòng)控制。

圖7 控制系統(tǒng)主界面

等徑正交控制界面，如圖8所示。該界面需在自動(dòng)控制下才能使用，主要設(shè)置相貫線的切割工藝參數(shù)，如管道直徑、管道回轉(zhuǎn)速度、割槍前后運(yùn)動(dòng)速度、割槍上下運(yùn)動(dòng)的位移修正等參數(shù)。異徑正交控制界面除以上參數(shù)外，還包含主管道的直徑參數(shù)。這些參數(shù)是管道切割的工藝參數(shù)。除管道直徑參數(shù)外，其他參數(shù)設(shè)定后立即生效，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道切割的形狀和精度等的實(shí)時(shí)控制，在工業(yè)生成過程中尤為重要。

圖8 等徑正交參數(shù)設(shè)置界面

5 結(jié)語

本文利用西門子S7-1200 PLC和觸摸屏等實(shí)現(xiàn)了對(duì)等徑正交和異徑正交相貫線切割機(jī)的切割的自動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可以方便地修改系統(tǒng)各種參數(shù)，監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)還能控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)角度，相比于伺服控制系統(tǒng)，在成本和控制方法上具有明顯優(yōu)勢(shì)。可見，該方法不僅保證了切割工藝精度、設(shè)備柔性和設(shè)備調(diào)試的方便性，還降低了成本，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用要求。