自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探范文

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【摘要】多年來，我國剪板機(jī)床工業(yè)雖然發(fā)展勢頭良好，但技術(shù)上一直處于平衡發(fā)展的狀態(tài)，缺乏改革與創(chuàng)新，本文提出使用PLC對其進(jìn)行自動(dòng)控制的方案。硬件部分采用電氣和液壓驅(qū)動(dòng)，其中小車運(yùn)料機(jī)構(gòu)和傳送機(jī)構(gòu)均由三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓塊和剪切機(jī)構(gòu)采用液壓回路控制，因液壓驅(qū)動(dòng)比之機(jī)械驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)更為穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，還能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，這是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)閃光點(diǎn)；本次設(shè)計(jì)的另一個(gè)閃光點(diǎn)是軟件部分采用三菱FX2N系列PLC程序控制，PLC編程簡單、體積小、價(jià)格便宜、抗干擾能力強(qiáng)，采用PLC做順序控制，能實(shí)現(xiàn)送料、壓緊、剪切、計(jì)數(shù)、運(yùn)料等一系列過程。該自動(dòng)控制系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了人力財(cái)力，提高了剪板機(jī)工作的可靠性與穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)剪板機(jī)；PLC；液壓驅(qū)動(dòng)；順序控制

1引言

隨著剪板機(jī)產(chǎn)業(yè)需求的增加，近年來剪板機(jī)床制造的企業(yè)也日益增多。基于PLC控制的自動(dòng)剪板機(jī)系統(tǒng)屬于新一代剪板機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)剪板機(jī)是一種按照控制要求，集送料、壓料、剪切、計(jì)數(shù)、運(yùn)料于一體的順序動(dòng)作的自動(dòng)化設(shè)備。此次課題在設(shè)計(jì)過程中著重解決如何利用PLC來實(shí)現(xiàn)對剪板機(jī)順序動(dòng)作的控制。機(jī)架采用全鋼安裝結(jié)構(gòu)，有足夠的強(qiáng)度和剛性，并通過震動(dòng)時(shí)有效消除內(nèi)應(yīng)力，保證機(jī)身的整體精度。采用一次加工法，機(jī)床的立柱、上刀架、工作臺(tái)、壓料橫梁采用大型落地鏜銑床一次加工成型，保證了各個(gè)安裝面的垂直度和平行度。主要構(gòu)件為閉式結(jié)構(gòu)，采用美國UGS\CAD\CAM\MAN三維軟件進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2總體設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)剪板機(jī)是實(shí)現(xiàn)裁剪鈑金自動(dòng)化的重要工具之一，在設(shè)計(jì)剪板機(jī)之前必須對剪板機(jī)的工作效率、剪切能力和穩(wěn)定性等因素，以及材料的厚度、長度和種類進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)剪板機(jī)的自動(dòng)化，我們來考慮一下該系統(tǒng)的工作狀況，要想實(shí)現(xiàn)剪板機(jī)的工作，首先板料要通過送料機(jī)構(gòu)輸送到位，板料到位后要立即啟動(dòng)壓塊機(jī)構(gòu)使得板料壓緊在工作臺(tái)上，避免在剪切時(shí)板料的晃動(dòng)。板料壓緊后啟動(dòng)剪切刀裝置剪切板料，在板料剪切下來之后要通過計(jì)數(shù)裝置來計(jì)數(shù)，最后通過小車把板料運(yùn)送到下一個(gè)工位。在所有的這些步驟中，壓塊機(jī)構(gòu)和剪切機(jī)構(gòu)需要由液壓驅(qū)動(dòng)，送料機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)剪板機(jī)的工作特點(diǎn)，對控制系統(tǒng)提出控制要求如下：（1）通電后，使各個(gè)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)處于初始位置。（2）進(jìn)料，由控制系統(tǒng)控制進(jìn)料機(jī)構(gòu)，將待剪板料運(yùn)輸?shù)闹付ㄎ恢谩＃?）定剪切尺寸，用可移動(dòng)行程開關(guān)控制板料進(jìn)給的長度，根據(jù)所要求的不同長度，行程開關(guān)固定導(dǎo)軌上移動(dòng)以滿足要求。（4）壓緊和剪切，待剪板料長度達(dá)到特定值后，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，然后再驅(qū)動(dòng)剪切刀運(yùn)動(dòng)，先壓塊后剪切。（5）送料車運(yùn)動(dòng)，以及運(yùn)料后的返回。（6）剪切板料的尺寸設(shè)定、自動(dòng)計(jì)數(shù)以及每車板料數(shù)的預(yù)設(shè)定。（7）具備斷電保護(hù)以及來電恢復(fù)功能。（8）能實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)功能。（9）保證板料的加工精度、安全可靠性和加工效率。

2.2工藝流程分析

如圖1所示，本系統(tǒng)分為五個(gè)部分：送料機(jī)構(gòu)、壓塊機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)、計(jì)數(shù)裝置和運(yùn)料小車裝置。設(shè)置了2個(gè)按鈕，分別控制啟動(dòng)與停止；7個(gè)行程開關(guān)，分別用于檢測各個(gè)部分的工作狀態(tài)。其中，SQ1檢測板料是否被輸送到位；SQ2和SQ3分別檢測壓塊的狀態(tài)，SQ2是壓塊處于最高點(diǎn)時(shí)的行程開關(guān)，SQ3是檢測壓塊是否已經(jīng)壓緊板料；SQ4檢測剪切刀的狀態(tài)，判斷剪切刀是否已經(jīng)被剪下；SQ7為光電開關(guān)，檢測板料是否被剪斷落入小車并計(jì)入剪切板料的數(shù)量；SQ5用于檢測運(yùn)料小車是否到位；SQ6用于判斷小車是否空載。送料機(jī)構(gòu)、送料小車分別由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，壓塊和剪切刀分別由兩個(gè)液壓泵驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)沒有動(dòng)作時(shí)，壓塊和剪切刀分別由兩個(gè)液壓泵驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)沒有動(dòng)作時(shí)，所有的行程開關(guān)都斷開。由原理圖分析得知：（1）開關(guān)SQ6判斷小車是否為空載，若為空載，便開始工作。啟動(dòng)送料小車，使其到位，此時(shí)行程開關(guān)SQ5閉合。（2）電機(jī)M啟動(dòng)，帶動(dòng)板料向右移動(dòng)。（3）當(dāng)板料碰到行程開關(guān)SQ1時(shí)停止送料，同時(shí)啟動(dòng)控制壓塊下降的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)壓緊板料時(shí)，壓塊行程開關(guān)SQ3閉合。（4）控制剪切刀的液壓系統(tǒng)工作，啟動(dòng)剪切機(jī)構(gòu)，剪板機(jī)剪刀下落，直到把板料剪斷。當(dāng)板料下落通過光電開關(guān)SQ7時(shí)，光電開關(guān)輸出一個(gè)脈沖，同時(shí)計(jì)數(shù)器加1。（5）判斷小車上的板料是否夠數(shù)，若不夠，則重復(fù)以上步驟，若夠數(shù)，則小車運(yùn)行至出料口卸料裝車。以上是小車運(yùn)載一次的過程，若還有板料需要剪切，則重復(fù)以上所有步驟。

3程序設(shè)計(jì)

程序分成系統(tǒng)啟停、送料回路、液壓回路、計(jì)數(shù)與循環(huán)回路等四個(gè)部分。

3.1I/O分配

系統(tǒng)共分為送料回路、壓塊回路、剪切回路、計(jì)數(shù)回路和小車送料回路五個(gè)回路，每個(gè)回路必有輸入控制輸出，下面我來分析一下輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的I/O口的分配。輸入設(shè)備：由總體結(jié)構(gòu)圖可知，整個(gè)系統(tǒng)是由2個(gè)按鈕和7個(gè)行程開關(guān)來控制。按鈕SB1、SB2控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止；啟動(dòng)系統(tǒng)后，系統(tǒng)要判斷小車是否是空載，這時(shí)需要行程開關(guān)SQ6來判斷，若是SQ6閉合，則不是空載，否則，是空載，小車向左移動(dòng)；小車向左移動(dòng)到工位時(shí)，會(huì)觸及行程開關(guān)SQ5，使送料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；送料機(jī)構(gòu)中的板料運(yùn)動(dòng)到指定位置會(huì)觸及行程開關(guān)SQ1，使壓塊機(jī)構(gòu)動(dòng)作；行程開關(guān)SQ2、SQ3是判斷壓塊上下極限是否到達(dá)，從而控制剪切機(jī)構(gòu)的動(dòng)作；行程開關(guān)SQ4是判斷剪切刀的位置狀態(tài)，判斷剪切刀是向下剪切還是在原位停留；光電開關(guān)SQ7控制計(jì)數(shù)裝置。綜上所述，輸入端口有9個(gè)，分別是SB1、SB2、SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6和SQ7。輸出設(shè)備：按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)判斷小車是否空載從而控制接觸器KM1、KM1’來控制小車的左右行，與此同時(shí)，兩個(gè)液壓系統(tǒng)的液壓泵KM2、KM3也工作起來；當(dāng)小車運(yùn)行到工位時(shí)，行程開關(guān)控制接觸器KM4從而控制送料電機(jī)工作；接下來是靠行程開關(guān)控制電磁閥的電磁鐵1YA、2YA、3YA、4YA和5YA使兩個(gè)液壓系統(tǒng)工作起來；當(dāng)板料下落時(shí)，光電開關(guān)控制計(jì)數(shù)裝置同時(shí)使計(jì)數(shù)指示燈HL閃爍。綜上所述。輸出端口有11個(gè)，分別是KM1、KM1’、KM2、KM3、KM4、1YA、2YA、3YA、4YA、5YA和HL通過對系統(tǒng)的功能要求分析，確定PLC應(yīng)該提供9個(gè)輸入點(diǎn)和11個(gè)輸出點(diǎn)，查閱《三菱編程手冊》可知FX2N系列的FX2N-32M具有16個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，符合設(shè)計(jì)要求，又因?yàn)檩敵鲂问绞抢^電器輸出，所以選擇FX2N-32M型PLC。

3.2程序流程圖

根據(jù)控制系統(tǒng)對工作機(jī)構(gòu)的控制要求，結(jié)合其工作原理，以及各個(gè)元器件之間的相互關(guān)系。開機(jī)，按下啟動(dòng)按鈕SB1——KM2、KM3通電，兩個(gè)液壓泵開始工作——判斷小車是否空載，若是，KM1通電，小車左行——判斷小車是否到位，若小車到位，KM1斷電，2YA、5YA得電，壓塊和剪切刀復(fù)位——判斷壓塊和剪切刀是否復(fù)位，若是，則2YA、5YA失電，KM4得電，送料電機(jī)正轉(zhuǎn)——判斷板料是否到達(dá)指定位置，若到達(dá)，KM4失電，1YA得電，壓塊快速下降——定時(shí)K秒(K是由壓塊下降的時(shí)間決定)，3YA得電，壓塊緩慢下降——判斷壓塊是否壓緊板料，若壓緊，1YA、3YA失電，4YA得電，剪切刀下降——判斷板料是否被剪下，若被剪下，4YA失電，2YA、5YA得電，壓塊、剪切刀上升復(fù)位——再次循環(huán)送料、壓塊、剪切回路¬——判斷剪下的板料夠不夠數(shù)(設(shè)小車一次運(yùn)40塊板料)，若夠數(shù)，KM1’通電，小車右行——小車運(yùn)行到下一個(gè)工位，等待卸車。

3.3初始化程序設(shè)計(jì)

如圖3所示，使用了輔助繼電器M0和M1。按下啟動(dòng)按鈕SB1，觸點(diǎn)X000動(dòng)作，帶動(dòng)輔助繼電器M0動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)自鎖，輔助繼電器M0動(dòng)作后使Y002和Y003得電，帶動(dòng)兩個(gè)液壓系統(tǒng)的液壓泵工作。輔助繼電器M0動(dòng)作后判斷小車的位置，若是小車不在工位，則線圈Y000通電，帶動(dòng)小車向左運(yùn)動(dòng)，直到行程開關(guān)SQ5閉合，觸點(diǎn)X006得電，輔助繼電器M1動(dòng)作。

3.4送料回路子程序設(shè)計(jì)

分為兩個(gè)部分：壓塊和剪切刀的上升復(fù)位程序、送料機(jī)構(gòu)程序。送料回路子程序如圖4所示。如圖4，使用了輔助繼電器M2和M3。輔助繼電器M1動(dòng)作時(shí)，電磁鐵線圈Y006得電，即為電磁鐵2YA得電，壓塊快速向上移動(dòng)復(fù)位；同時(shí)電磁鐵線圈Y011得電，即為電磁鐵5YA得電，剪切刀快速向上移動(dòng)復(fù)位。當(dāng)壓塊移動(dòng)到上限時(shí)，限位開關(guān)SQ2閉合，觸點(diǎn)X003得電，電磁鐵2YA斷電，壓塊保持不動(dòng)；當(dāng)剪切刀移動(dòng)到上限時(shí)，限位開關(guān)SQ4閉合，觸點(diǎn)X005得電，電磁鐵5YA斷電，剪切刀保持不動(dòng)。這時(shí)，輔助繼電器M2動(dòng)作。輔助繼電器M2動(dòng)作后，送料電機(jī)的線圈Y004得電，送料電機(jī)動(dòng)作，將板料傳送到位。當(dāng)板料傳送到指定位置時(shí)，限位開關(guān)SQ1閉合，觸點(diǎn)X002得電，送料電機(jī)的線圈Y004失電，送料電機(jī)不運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，輔助繼電器M3動(dòng)作。

3.5計(jì)數(shù)與循環(huán)回路子程序設(shè)計(jì)

該部分子程序由兩部分程序構(gòu)成：計(jì)數(shù)裝置程序和循環(huán)回路程序。使用了輔助繼電器M6和計(jì)數(shù)器C0。當(dāng)輔助繼電器M5動(dòng)作時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)沒有達(dá)到指定數(shù)字時(shí)，輔助繼電器M1得電，系統(tǒng)返回到M1得電處繼續(xù)工作；當(dāng)達(dá)到指定數(shù)字時(shí)，計(jì)數(shù)器C0得電，此時(shí)系統(tǒng)不返回工作，輔助繼電器M6得電。當(dāng)輔助繼電器M6得電時(shí)，小車電動(dòng)機(jī)線圈Y001得電，小車右行，然后輔助繼電器M0通電，系統(tǒng)返回到M0得電狀態(tài)，重新循環(huán)系統(tǒng)回路。

4結(jié)語

本文在總結(jié)國內(nèi)外自動(dòng)剪板設(shè)備現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)原有的裝配生產(chǎn)情況，利用成熟的可編程控制器技術(shù)及伺服控制技術(shù)，對自動(dòng)剪板機(jī)的電氣控制技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)出效率高、可靠性好并且操作方便的自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)，通過企業(yè)實(shí)際應(yīng)用，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，提高了質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

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作者:袁芳 吳何 單位:畏湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院