基于PLC的全自動鐵絲裁切控制系統設計

摘 要：針對目前國內機器加工鐵絲程序自動化不足的問題，為實現鐵絲在生產線上拉直、裁切、檢測過程的自動化，基于PLC對鐵絲裁切控制系統進行設計。文中主要從機械結構、控制系統的設計2個方面對產品進行闡述。傳輸部分的主要元件為裝配有交流電機的矯直輪。裁切部分采用步進電機帶動曲柄滑塊機構，實現對鐵絲的精確裁切。采用旋轉編碼器作為傳感檢測單元，控制部分將PLC控制通信方法與觸摸屏技術相結合，從而更好地滿足生產實踐中對鐵絲自動化裁切系統在經濟性和效率等方面的要求。

關鍵詞：鐵絲裁切；PLC；自動化；機械結構；旋轉編碼器；步進電機；電氣控制

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-0-02

0 引 言

鐵絲被廣泛應用于建筑、家具、電子、汽車等行業，由于目前國內大部分鐵絲皆以“捆”的形式存在，大多數生產廠家為保證售出產品均為固定參數，常采用半自動化機器對鐵絲進行裁切。但這種方式需要一定的人工配合，不僅會耗費較大的人工成本，同時還大幅降低了生產效率[1-5]。本文針對傳統檢測方式的弊端，設計了一款符合工廠產業鏈需求的全自動鐵絲裁切控制系統。本控制系統在控制部分采用觸摸屏編寫的可視化控制界面與PLC控制通信方法?；赑LC的鐵絲裁切控制系統通過裝配有交流電機的矯直輪實現鐵絲的拉直，通過步進電機驅動曲柄滑塊機構完成裁切動作，并以旋轉編碼器作為傳感檢測單元，這一系列設計使得鐵絲能夠順利打捆并連接到設備上。最后實現了鐵絲在生產線上拉直、裁切、檢測過程的自動化，進一步提升了生產作業效率，提高了產品質量和經濟效益。

1 機械結構設計

1.1 控制要求

本設備首先將鐵絲放入調直滾槽，將彎曲的鐵絲調直之后放入滾筒，壓緊鐵絲后啟動電機，伺服電機通過驅動齒輪傳動帶動滾筒運轉。通過摩擦力和壓緊力的作用將鐵絲向前輸送。在輸送的過程中，伺服電機由PLC控制[6-8]，使用者通過人機交互界面選擇長度參數，系統根據滾筒所轉圈數自動完成校準，即到達預設長度時伺服電機控制其啟停。滾筒停止轉動時，控制閘刀的步進電機執行一次裁切動作，從而完成一次裁剪周期。

1.2 機械結構設計

1.2.1 矯直機構方案設計

通過滾珠絲杠，步進電機根據所測得的鐵絲直徑，自動調整到相應的高度。三相交流電機通過同步帶將動力通過齒輪副傳遞給垂直矯直輪。齒輪副由3個齒輪組成，處于中間位置的齒輪為惰輪，起到換向的作用。在開始上料之前，需要人工將鐵絲插入導料套中。導料套可以非常方便地將鐵絲穿入水平矯直輪。水平矯直輪對鐵絲進行調整，使其保持水平狀態。鐵絲通過水平矯直輪后，再向前上料一小段距離即可接觸到垂直矯直輪。由于此時的垂直矯直輪已經啟動，所以會自動將鐵絲向前輸送，實現自動傳輸功能。

1.2.2 轉轂機構方案設計

自動矯直控制系統是由三相交流電機、V帶傳動、轉轂機構和壓模塊等多個部件構成[9-11]。當鐵絲被導入轉轂機構時，轉轂機構通過高速回轉將鐵絲矯直。轉轂機構內部裝有3個連接的壓模塊，通過壓模塊內部的圓口，將導入的鐵絲矯直。其中壓模塊可以根據用戶的需求調整其內部圓孔的直徑，以實現不同的矯直效果。

1.2.3 檢測機構方案設計

鐵絲從高速回轉的轉轂通過后，存在一定的不穩定性，因此需要經過二次矯直輪的矯直，以提高其傳輸時的穩定性。在二次矯直輪的矯直過程中，矯直輪通過施加壓力和摩擦來使鐵絲趨于平整，從而保證鐵絲在進入編碼器旋轉輪時處于較穩定的狀態。隨后，鐵絲經過旋轉編碼器，編碼器開始計數，以精確測量鐵絲的長度。當鐵絲經過編碼盤時，編碼盤能夠準確反映鐵絲的長度信息，進而控制系統根據編碼器發出的信號來控制傳輸裝置和裁切機構的運行。

1.2.4 裁切機構方案設計

導料套、上刀槽板、刀片、連桿、曲柄共同組成裁切部分。當鐵絲被送到導料套的位置時，步進電機會驅動曲柄轉動一周。曲柄的轉動會通過曲柄滑塊機構將曲柄的整周回轉轉化為滑塊的往復移動。滑塊上裝有刀片，當滑塊移動到鐵絲下方時，刀片會通過對鐵絲的裁切實現自動裁切的功能。

2 控制設計

2.1 硬件選擇

PLC作為廣泛用于工業控制的數字運算操作裝置，具有高靈活性、高可靠性、出色的擴展性以及易于維護等優點。PLC能夠便捷地實現控制系統管理，并且可以高效地進行維護和修正。使用PLC控制可以確保裝置的高精度、高效率和穩定地運行，同時也能夠延長電氣控制元件的使用壽命。

旋轉編碼器是一個基于光電原理的旋轉檢測設備，主要用于檢測和計算轉動角、轉速、位移等參量。該裝置將旋轉編碼器作為傳感檢測單元，可將測量的角位移信息直接轉化為高速脈沖信號，再使用PLC的高速計時器對其進行測量，從而得到精確的測量結果。

2.2 電氣控制流程設計

根據圖1所示的系統程序流程，可以將該裝置分為4個部分：裁切部分、X軸傳輸部分、檢測部分和Y軸傳輸部分。

在系統通電之后，首先需要進行復位操作，以便輸入所裁切鐵絲的直徑。一旦輸入完畢，矯直輪將自動移動到相應位置，便于鐵絲導入。等待矯直輪在Y軸方向矯直完成后，就可以進行長度設置操作。一旦長度設置完畢，系統將開始工作。在系統運行期間，矯直輪會驅動鐵絲橫向移動，同時轉轂會旋轉以調直鐵絲。此時，操作員需要手動將鐵絲送入導料槽，使其先通過水平矯直輪，再接觸到垂直矯直輪。當鐵絲進入旋轉編碼器的檢測范圍，系統將判斷是否為首次上料。如果是首次上料，將在鐵絲移動至裁切口時通過算法計算其長度。當鐵絲達到預設長度時，控制轉轂的電機和矯直輪Y軸方向的電機將停止工作，同時裁切電機將運轉一圈裁切鐵絲。在傳輸鐵絲的過程中，如果收到停止信號，系統將立刻停止所有動作。

系統通過PLC控制步進電機將絲杠模組抬到固定位置，以便于鐵絲的順利導入。隨后，PLC發出信號控制三相電機啟動。通過同步帶與齒輪的傳動機制，驅動垂直矯直輪旋轉，從而在X軸方向輸送鐵絲。同時，轉轂系統的三相電機也被啟動，用于矯直輸送到轉轂的鐵絲。在檢測系統中，旋轉編碼器得到鐵絲的長度信號并將結果反饋給PLC。PLC根據觸摸屏中預設的長度值判斷是否發出控制信號。如果達到預設的長度值，PLC就會發出信號，控制步進電機將鐵絲繼續移動到下一個預設位置，以便繼續輸送鐵絲。這個過程不斷重復，直到鐵絲被輸送到目標位置。

3 結 語

自動化是現代化機械加工制造業的必然發展趨勢?？紤]到半自動裁切方式費時費力，本文提出了一種可視化的矯直裁切方案，以實現對矯直裁切過程的實時監控和調整，提高了傳統半自動裁切方式的精度和效率。同時，還提出采用曲柄滑塊機構裁切鐵絲的方式，通過優化裁切方式，提高了裁切的精度和斷截面的平整程度，減少了人工成本，延長了控制系統的使用壽命。綜上所述，全自動鐵絲裁切機控制系統在提升制造效率與產品品質的同時，有效降低了生產成本與資源消耗，為推動社會產業結構優化與經濟信息化發展作出了積極貢獻。

注：本文通訊作者為單文桃。

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作者簡介：肖雨芯（2003—），女，研究方向為機械設計制造及其自動化。

單文桃（1987—），男，工學博士，副教授，研究方向為高速電主軸智能驅動控制策略、試驗檢測技術等。

收稿日期：2023-11-01 修回日期：2023-12-04

基金項目：2023年大學生創新創業訓練計劃立項項目：“一裁永逸”——自動化鐵絲裁切管家（11310112309，202311463120E）