基于PLC的熱縮管切管機控制系統設計

摘 要：目前在自動化設備制造領域，為了提高電氣系統安裝和維護的效率，市場對于熱縮套管這類多功能線束外保護材料的原材料處理提出了不同的要求，因此需要設計一款全自動熱縮管切管機設備。文中采用觸摸屏作為人機交互界面，并與下位機PLC進行控制通信，構建了一種用于切割熱縮管的自動化控制系統。首先，機械結構主要包括自動上料、夾緊控制、長度控制以及切割下料4部分；其次，電氣控制系統以PLC作為下位機的控制核心，通過觸摸屏界面實現參數設置、模式切換以及實時監控功能。該熱縮管切管機不僅能處理不同直徑的管件，還能實現多管多路徑同時切割，顯著提高了切管效率，對推動熱縮管切管機的智能化、信息化技術變革具有重大意義。

關鍵詞：熱縮管；切管機；自動化；PLC；控制系統；人機交互

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-0-03

0 引 言

熱縮管是一種具有形狀記憶功能的多功能產品，在各種管線纜的接續中能夠起到機械保護、環境保護、識別、應力消除、線束整理以及防潮等作用，被廣泛應用于電子、建筑、交通、化工、通信、船舶、航天等領域。隨著這些行業的不斷發展和需求的提升，熱縮管市場呈現出穩步增長的態勢，因此對高效、精準的熱縮管切割設備的需求也逐漸增加[1]。

在制造過程中熱縮管需要被切割成不同長度和直徑的半成品，以滿足各種管道系統的要求。傳統的手工切割方法不僅效率低，還易出現誤差，造成浪費和損失。而普通切管機的控制方式采用接觸器來實現，其自動化水平較低。國內在該領域起步晚，國外已充分利用其優勢占據了大量的市場份額[2]。雖然一些國內產品具有較高性價比，并能夠滿足一般生產需求，但與國外設備相比，仍存在技術差距和品質差異。為了解決這些問題，亟需開發一種高效、精準的自動化熱縮管切管機，以提高生產效率、保證切割質量和降低人力成本。

1 系統控制方案設計

1.1 結構組成與工作原理

如圖1所示，根據設計要求與各部分的功能可以將整個結構劃分為4個部分，即自動上料部分、夾緊控制部分、長度控制部分以及切割下料部分。考慮到電路線束處理過程中對不同直徑熱縮管的需求，設計該熱縮管切管機具有對多型號熱縮管進行切割的能力。

自動上料部分可以根據實際需求實現不同類型的熱縮管上料。熱縮管經過橡膠滾筒調整熱縮管姿態，再由分撥片將各熱縮管分隔開，固定其所在位置。長度控制與夾緊控制部分由2組伺服電機[3]驅動的同步帶傳動機構組成，其中下同步帶機構固定，上同步帶則安裝于絲杠滑臺上。上下同步帶通過步進電機的控制實現夾緊功能，為熱縮管提供足夠的摩擦力，從而精確控制其進料速度和長度。長度控制部分是整個設備的核心，其功能是按要求使熱縮管輸送出一定的長度，其控制精度直接關系到整個設備的性能優劣。切割下料部分由異步電機驅動，采用偏置曲柄滑塊機構實現刀具的上下往復移動，以實現對推送至相應位置的熱縮管的切割操作。

設備可以完成對不同規格熱縮管多管多路徑的同時切割，在控制響應和長度精度上能夠滿足設計要求。設計時考慮到了模塊的獨立性，所以該切管機同樣適用于其他領域，如紡織品原材料、波紋管等線材的處理。

1.2 機械結構設計方案

1.2.1 自動上料部分機構設計方案

自動上料部分由L型帶座軸承、上料支架、熱縮管料盤、軸套、料盤夾、同步帶、同步帶輪以及步進電機組成[4]。自動上料部分可以根據實際需求完成熱縮管的自動旋轉上料。在熱縮管上料的過程中，首先由人工或機械臂將熱縮管放置在上料支架上，套筒按照實際上料情況調整料盤軸向位置，料盤夾完成對料盤的軸向固定。隨后由步進電機驅動同步帶輪，帶動同步帶使固定于上料支架上的熱縮管料盤跟隨轉動，完成熱縮管切管機的自動上料功能。

1.2.2 夾緊控制部分的機構設計方案

夾緊控制部分的機械結構由步進電機[4]、絲杠模組、行程開關及輸送裝置的上平臺支架組成。當熱縮管卷入輸送同步帶時，夾緊控制部分根據系統設置通過步進電機驅動，帶動絲杠模塊，將步進電機周轉運動轉化為絲杠模組的直線運動，調整長度控制部分的上下同步帶間隙，其作用是讓熱縮管受到足夠的摩擦力以便于精確控制其進料速度和進料長度。

1.2.3 長度控制部分機構設計方案

長度控制部分由橡膠滾輪支架、橡膠滾輪、分撥片、光電傳感器、分撥滾輪以及輸送模組組成。在熱縮管上料的過程中，首先由人工或機械臂將熱縮管依次繞過上橡膠滾輪與下橡膠滾輪，再經過分撥片送入輸送模組，在刀具切割前，夾緊控制部分完成對熱縮管的固定。同步帶入口與出口處的光電傳感器判斷熱縮管是否處于切割位置并進行反饋。

1.2.4 切割下料部分機構設計方案

切割下料部分由三相交流異步電動機[5]、電機支架、光電傳感器、分撥滾輪、刀具模塊以及下料板組成。當長度控制部分將熱縮管按輸入參數要求推出輸送模塊時，熱縮管會經過分撥滾輪調整至正確的切割位置，同時光電傳感器會檢測刀具的位置并反饋回長度控制模塊。當刀具處于下刀位時，長度控制模塊停止動作；當刀具處于上刀位時，長度控制模塊會繼續動作，按要求輸送規定長度的熱縮管。最后下料板會將加工完成的熱縮管分離并下料到規定位置。

2 PLC控制程序總體框架設計

PLC控制系統流程如圖2所示。

本文的控制系統以PLC為核心[6]，按操作方式可分為手動操作和自動運行2種模式，并配有復位按鈕，各步動作均可暫時停止或急停。

手動操作模式可以分別控制自動上料部分的步進電機正轉與反轉、夾緊控制部分步進電機夾緊與松開、長度控制部分伺服電機輸送與退出，以及切割下料三相交流異步電機切割與暫停[7]。

自動運行模式具體動作流程如下：系統通電后，首先進行初始化，用戶根據切割需求進行參數設置；然后將檔位調至自動，按下“運行”，系統進入自動運行模式[8]。自動運行模式中，系統首先根據輸入參數進行處理，根據設定公式程序完成計算，得出運行參數[9]；與此同時，自動上料部分步進電機啟動，驅動同步帶輪和同步帶，帶動熱縮管料盤按照運行參數作勻速圓周運動實現自動上料。然后夾緊控制部分根據運行參數進行夾緊，給予加工對象一定的摩擦力。夾緊控制部分完成夾緊后，長度控制部分伺服電機[10]根據運行參數轉動一定角度，帶動同步帶轉動輸送設定長度的熱縮管；隨后切割下料部分三相交流異步電動機轉動，帶動曲柄滑塊機構完成切割。由此，系統單次熱縮管切割流程完成[11]。

每次切割流程完成后，系統對完成切割總量進行計算，判斷其是否達到設定要求的切割總量，如果未完成，則跳轉到長度控制部分電機動作，繼續完成“送管-切管-送管”的循環過程。若達到設定的切割總量，則進行夾緊控制步進電機與長度控制伺服電機復位[12]。

3 結 語

本文針對現有熱縮管切管機存在的問題進行了技術改進和創新研究?；赑LC的熱縮管切管機控制系統設計方案，實現了熱縮管切管機的自動化控制，提高了生產效率和產品質量。該自動化控制系統可以精準地實現切管操作，避免了人工操作誤差，提高了生產效率和產品質量，降低了生產成本。本文研究對熱縮管切管機的智能化、信息化技術變革具有重大意義。

注：本文通訊作者為薛亞平。

參考文獻

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[12]劉鐵中. PLC技術在電氣設備自動化控制中的應用[J].科技視界，2013（34）：106.

作者簡介：孫 萌（2003—），女，研究方向為機械設計制造及其自動化。

薛亞平（1982—），男，碩士，高級實驗師，研究方向為機械設計、研究生教育管理。

收稿日期：2023-11-02 修回日期：2023-12-05

基金項目：2023年大學生創新創業訓練計劃立項項目：“切割如風”—全自動熱縮管切管機（11310112311，202311463122E）