自動涂帶切斷機控制系統設計*

王曉宇 ，劉 永

（湖北汽車工業學院機械工程學院，湖北 十堰 442002）

目前，PLC 控制器已經被廣泛應用于工業自動控制場合，并達到了預期的使用效果，如自動送料系統[1]、立體倉庫系統[2]等。工業中經常需要對連續的半成品或成品進行定長切斷，如金屬制品、橡膠制品等。考慮到被切斷產品的厚度、強度、韌性及切口的質量等因素，切斷的方式主要分為沖裁、刀具切割、火焰切割、激光切割等方式。沖裁方式主要用于有一定強度、比較薄的制品，如薄金屬板材、線材、帶鋼絲的輪胎簾布等；刀具切割方式可使用圓形刀片旋轉并配合直線行走裝置實現，適合如輪胎胎冠膠料、木材等制品；火焰切割方式主要是針對厚度值比較大的金屬采用乙炔氣體燃燒高溫熔化的方式；激光切割方式精度高，主要用于硬度高的金屬及非金屬材料。設計不同方式的切斷機配合使用PLC控制器能實現制品的切斷過程完全自動進行。采用火焰切割[3]、沖裁[4]的方式，PLC 配合組態軟件能實現金屬板材的自動輸送、定長、切斷。使用三菱或西門子的PLC 設計控制系統可以對汽車密封件[5]、耳機線材[6]、柔性繩[7]等非金屬材料自動定長切斷。以西門子S7 的PLC 為控制器，采用圖像定長技術及火焰切割方式可以切割重型鑄造毛坯[8]。除此之外，采用PLC 配合工業機器人可以對廢舊鋰電池進行自動切割、拆分[9]。以上工程應用場景都實現了制品的自動切斷。為了實現0.2 mm厚度的不銹鋼料卷定長165 mm 自動切斷[10]，課題組設計了切斷機的控制系統，并選用三菱公司的Fx1s-20MR-001 型號PLC 設計了切斷機的控制系統，能實現涂帶的自動輸送、定長、切斷功能。

1 總體方案設計

切斷機的總體設計方案示意圖，如圖1 所示。切斷原理是通過沖裁方式將涂帶板切斷，動力源為氣缸。定長輸送也通過氣缸實現，通過調節行程開關及機械檔塊的位置，實現輸送缸165 mm 的行程長度，從而保證板材定長切斷。將涂帶料卷打開后，料頭放置在輸送夾緊氣缸4 的夾頭上，下部活動壓頭和輸送活動架11 固定連接在一起，輸送夾緊氣缸4 的缸桿頭也固定連接在輸送活動架11 上。輸送夾緊氣缸壓頭與活動架壓頭夾緊料卷后通過輸送氣缸7 帶動向前輸送。切斷前通過裁斷夾緊氣缸3 夾緊裁斷部分的料卷，以保證切口平整，裁斷夾緊氣缸3 固定連接在機架上。裁斷氣缸1 也固定連接在機架上，缸桿連接著上刀5，下刀6也固定連接在機架上。

圖1 切斷機總體設計方案示意圖

自動涂帶切斷機動作流程圖，如圖2 所示。啟動后，4 個氣缸開始復位回到初始位置，裁斷缸上升，裁斷夾緊缸上升，輸送夾緊缸上升、輸送缸向右。延時3 s 后，輸送夾緊缸向下夾緊鋼板；延時4 s 后，輸送缸向前；延時4 s 后，裁斷夾緊缸向下；延時4 s 后，裁斷缸向下；延時4 s 后，裁斷缸向上；延時4 s 后，輸送夾緊缸向上；延時4 s 后，輸送缸向后，此為一個動作的順序循環過程。

圖2 自動涂帶切斷機動作流程圖

2 氣動部分設計

課題組設計的氣動控制原理圖，如圖3 所示。裁斷氣缸1、裁斷夾緊氣缸3、輸送夾緊氣缸4、輸送氣缸7 通過與調速閥6 和換向閥8 相同的閥控制氣缸缸桿移動速度及正反方向運動的切換；元件9 為調壓閥，控制系統的氣壓；元件10 為氣動三件：過濾器、調壓閥、油霧器，起過濾壓縮空氣的雜質、調壓及潤滑的作用。

圖3 氣動控制原理圖

3 PLC選型及外部接線圖

PLC 選用三菱公司的Fx1s-20MR-001 型號PLC，共有20 個輸入、輸出點，其中，輸入點12 個，輸出點8 個。PLC 外部接線圖，如圖4 所示。輸入部分由PLC 內部24 V 直流電源供電。啟動常開按鈕SB1 和X0 輸入口連接，停止常閉按鈕SB2 和X1 輸入口連接。圖3 中的裁斷氣缸1、裁斷夾緊氣缸3、輸送氣缸7、輸送夾緊氣缸4 一共8 個行程開關，分別和X2~X9口連接。輸出由開關電源S-75-24-2A 供電，該電源輸入為220 V 交流電，輸出為24 V 直流電。Y0~Y3這4 個輸出口分別接到電磁頭YV1~YV4，對應圖3中裁斷氣缸1、裁斷夾緊氣缸3、輸送氣缸7、輸送夾緊氣缸4相同的4個換向閥8 上的電磁頭。

圖4 PLC外部接線圖

4 PLC程序設計

PLC 的啟動程序，如圖5 所示。通電時，M8000接通，當按下圖4 中的啟動按鈕SB1 時，程序中常開觸點X0 接通，狀態器S0在命令SET 作用下復位，命令STL 讓狀態器S0處于接通狀態。當按下圖4 中的停止按鈕SB2 時，程序中常閉觸點X1 斷開，整個程序停止運行，起到互鎖保護的作用。

圖5 PLC的啟動程序

啟動后的復位程序，如圖6 所示。其作用是系統啟動后使裁斷、裁斷夾緊、輸送夾緊、輸送4 個氣缸回到初始位置。復位程序啟動后，圖3 中裁斷、裁斷夾緊、輸送夾緊、輸送4 個氣缸對應的換向電磁閥的電磁頭依次得電，4個氣缸依次動作回到初始位置。

圖6 復位程序

系統各動作狀態及對應功能，如表1 所示。自動涂帶切斷機PLC 順序功能圖，如圖7 所示。按下圖4中的啟動按鈕后，各狀態按照邏輯先后順序依次運行，每個狀態都有運行的前置輸入條件，滿足前置輸入條件才能運行該狀態，輸出控制結果。以S5 狀態為例，當S5 狀態的輸出缸電磁閥失電，輸出缸向前到位后，圖4 中輸送向前限位開關SQ5 得電閉合，X6輸入觸點接通。X6 輸入觸點接通是S6 狀態延時4 s狀態運行的前置必要條件，S6 狀態運行后輸出定時繼電器T2，定時繼電器T2 計時4 s 后，其常開觸點閉合，運行S7 狀態。遇到緊急情況時，按下圖4 中的停止按鈕SB2，X1 輸入斷開，系統停止運行。

表1 系統各動作狀態及對應功能

圖7 自動涂帶切斷機PLC順序功能圖

5 結論

課題組設計的基于PLC 的自動涂帶切斷機控制系統可以實現不銹鋼料卷定長自動裁斷的功能，綜合考慮使用要求和成本，選用三菱公司的Fx1s-20MR-001 型號PLC，設計了PLC 的外圍電路，輸送夾緊、輸送、裁斷夾緊、裁斷自動循環過程由設計的PLC 程序實現，而且從使用效果來看，該設計滿足現場要求。