宮鳴

（延鋒汽車(chē)外飾系統(tǒng)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110121）

1 引言

同步切割機(jī)是金屬型材坯料生產(chǎn)工藝常用的設(shè)備。它以其生產(chǎn)效率和成品率高的特點(diǎn)受到鋼冶企業(yè)的重視。同步切割機(jī)切割坯料常用方式有手工切割、半自動(dòng)切割機(jī)切割及自動(dòng)切割機(jī)切割。手工切割靈活方便，但手工切割質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費(fèi)大、后續(xù)加工工作量大，同時(shí)勞動(dòng)條件惡劣，生產(chǎn)效率低。半自動(dòng)切割機(jī)切割工件的質(zhì)量較好，適合于單件、小批量和大工件切割。自動(dòng)切割相對(duì)手動(dòng)和半自動(dòng)切割方式來(lái)說(shuō)，可有效地提高坯料切割效率、切割質(zhì)量，減輕操作者地勞動(dòng)強(qiáng)度。目前在我國(guó)的一些中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中使用手工切割和半自動(dòng)切割方式還較為普遍，自動(dòng)切割機(jī)的市場(chǎng)潛力還是很大、市場(chǎng)前景比較樂(lè)觀，筆者對(duì)PLC控制同步切割機(jī)自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)總體方案進(jìn)行了分析和研究，提出了較為理想的控制方案。采用自動(dòng)控制后，可切割棒料、條料、板料，又可切割型材，適應(yīng)性強(qiáng)，切割尺寸誤差可小于2mm，只要普通工作人員就可操作,調(diào)整簡(jiǎn)單迅速，安裝、維護(hù)方便。

2 同步切割機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的必要性

本項(xiàng)目主要研究鑄鐵水平連鑄生產(chǎn)線同步切割機(jī)。此生產(chǎn)線現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了全線的半自動(dòng)化，而切割機(jī)部分基本是手動(dòng)操作的，由于生產(chǎn)中要連續(xù)不斷切割型材，型材的直徑大小、前進(jìn)速度變化，進(jìn)給的長(zhǎng)度不定，砂輪來(lái)回切割次數(shù)及深度的變化等一系列條件，在產(chǎn)量不高的情況下是可以的，隨著用戶對(duì)產(chǎn)品需求量量增大，為了提高工作效率，改善工作條件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化就必須對(duì)同步切割機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

3 對(duì)同步切割機(jī)主要?jiǎng)幼鹘Y(jié)構(gòu)分析

同步切割機(jī)采用了水平進(jìn)刀切割的方式。它由夾緊機(jī)構(gòu)、同步小車(chē)、砂輪切割機(jī)及進(jìn)給系統(tǒng)、砂輪切深補(bǔ)償調(diào)節(jié)和回車(chē)系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 同步切割機(jī)

金屬型材坯料從保溫爐中拉出，到同步切割機(jī)，當(dāng)達(dá)到給定長(zhǎng)度時(shí)，切割機(jī)的夾緊機(jī)構(gòu)首先夾住型材，進(jìn)行對(duì)刀，達(dá)不到對(duì)刀口時(shí)再松開(kāi)重新夾緊。確定好夾緊位置后，小車(chē)隨著型材一塊前進(jìn)，進(jìn)行同步切割。然后砂輪電機(jī)啟動(dòng)，實(shí)行緩慢的水平切割進(jìn)給動(dòng)作，切割到位時(shí)，砂輪快退復(fù)位，回到原位。夾緊機(jī)構(gòu)松開(kāi)，切割機(jī)將借助安裝在切割小車(chē)下面的回車(chē)系統(tǒng)返回起始工作位。

3.1 切割機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)

切割機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)由夾緊油缸、一對(duì)V型鐵和杠桿機(jī)構(gòu)組成的。一對(duì)V型鐵在油缸帶動(dòng)下通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊。當(dāng)泵站供給液壓系統(tǒng)液壓油時(shí)，夾緊油缸通過(guò)夾緊立柱帶動(dòng)上V型鐵向下運(yùn)動(dòng)，而夾緊立柱通過(guò)短滑柱、長(zhǎng)滑柱和連桿構(gòu)成的杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下V型鐵向上運(yùn)動(dòng)，完成夾緊棒料的動(dòng)作，如圖2和圖3所示。

夾緊油缸的動(dòng)作來(lái)自于電機(jī)帶動(dòng)液壓泵旋轉(zhuǎn)，從油箱中吸油，油液進(jìn)入液壓泵，當(dāng)它從泵中輸出進(jìn)入液壓管后，通過(guò)液流閥、單向閥、節(jié)流閥、換向閥進(jìn)入液壓缸左腔，推動(dòng)活塞和工作臺(tái)向右運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油缸帶動(dòng)V型鐵運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作。

夾緊的速度通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)口大小來(lái)改變，工程中對(duì)夾緊油缸的速度沒(méi)有嚴(yán)格要求。測(cè)定夾緊機(jī)構(gòu)是否完全夾緊由壓力繼電器來(lái)測(cè)定。如圖4所示。

圖2 夾緊機(jī)構(gòu)裝配圖

圖3 夾緊機(jī)構(gòu)示意圖

3.2 切割系統(tǒng)

切割系統(tǒng)由切割機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)、升降電機(jī)、砂輪電機(jī)和吸塵電機(jī)組成。切割機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)控制，升降電機(jī)、砂輪電機(jī)和吸塵電機(jī)由交流電機(jī)帶動(dòng)。同步前進(jìn)是靠夾緊機(jī)構(gòu)夾緊型材后，借助牽引機(jī)的牽引力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并在同步運(yùn)動(dòng)中完成切割。砂輪片在切深調(diào)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)下沿立導(dǎo)軌作上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)砂輪相對(duì)型材的切深及砂輪磨損補(bǔ)償；砂輪片及進(jìn)給系統(tǒng)固定在可前后移動(dòng)的立柱上，在進(jìn)給油缸驅(qū)動(dòng)下在水平導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)慢進(jìn)切割和快退復(fù)位的雙向動(dòng)作，進(jìn)給系統(tǒng)如圖1和圖4所示。

3.3 進(jìn)給系統(tǒng)

切割機(jī)切割進(jìn)給速度由液壓系統(tǒng)保證，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)液壓泵旋轉(zhuǎn)后，從油箱中吸油，油液進(jìn)入液壓泵，當(dāng)它從泵中輸出進(jìn)入液壓管后，通過(guò)液流閥、單向閥、節(jié)流閥、換向閥進(jìn)入液壓缸左腔，推動(dòng)活塞和工作臺(tái)向右運(yùn)動(dòng)，完成切割機(jī)切割進(jìn)給的動(dòng)作，液壓油壓力的大小由壓力表來(lái)顯示，而液壓缸油腔的油經(jīng)換向閥和回油管排回油箱。如將換向閥轉(zhuǎn)換方向，活塞和工作臺(tái)向左移動(dòng)，完成切割機(jī)切割快退回位的動(dòng)作。改變節(jié)流閥開(kāi)口大小就可控制工作臺(tái)的移動(dòng)速度，從而改變切割進(jìn)給和切割快退的速度。在切割進(jìn)給過(guò)程中實(shí)行緩慢的水平切割進(jìn)給動(dòng)作，而在切割快退中不進(jìn)行深度切割，速度較快，如圖4所示。

3.4 回車(chē)系統(tǒng)

回車(chē)系統(tǒng)由小車(chē)電機(jī)帶動(dòng)的，小車(chē)電機(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)減速器，在鏈條的傳動(dòng)下，離合器的回轉(zhuǎn)帶動(dòng)車(chē)輪運(yùn)動(dòng)。離合器的線圈通以24V的直流電后形成磁路，產(chǎn)生電磁力，吸動(dòng)銜鐵而將內(nèi)、外摩擦片壓緊，靠摩擦片間的摩擦力使離合器連接成一體回轉(zhuǎn)；當(dāng)切斷電流時(shí)，磁力線消失，銜鐵釋放，摩擦力消失，車(chē)輪停止運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖5所示。

圖4 切割機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)原理圖

圖5 回車(chē)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

4 PLC控制方案的分析

4.1 控制方案的分析

本項(xiàng)目是一個(gè)順序過(guò)程它是以開(kāi)關(guān)量邏輯控制為主的程序控制，能實(shí)現(xiàn)這種工業(yè)控制方案的裝置很多，有可編程控制器（PLC），繼電器控制系統(tǒng)，單片機(jī)，微型計(jì)算機(jī)，集散系統(tǒng)等。在控制系統(tǒng)中，PLC成為當(dāng)今增長(zhǎng)速度最快的工業(yè)控制設(shè)備，它具備了許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能較好的解決工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題，為此選擇PLC作為控制設(shè)備。夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊油缸、杠桿機(jī)構(gòu)；切割機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)控制、升降電機(jī)、砂輪電機(jī)和吸塵電機(jī)；回車(chē)系統(tǒng)小車(chē)電機(jī)、離合器等均為需要控制的部件。

4.2 PLC控制方案的特點(diǎn)

（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)；（2）編程簡(jiǎn)單易學(xué)；（3）設(shè)計(jì)、安裝容易，調(diào)試周期短，維護(hù)簡(jiǎn)單；（4）模塊品種豐富、通用性好、功能強(qiáng)大；（5）體積小、能耗低。

PLC是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)，它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，但PLC產(chǎn)品并不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用、配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。

4.3 PLC與其他工業(yè)控制設(shè)備的比較

4.3.1 PLC與繼電器控制系統(tǒng)的比較

（1）控制方式。繼電器的控制方式是采用硬接線實(shí)現(xiàn)的，它是利用繼電器機(jī)械觸點(diǎn)的串聯(lián)或并聯(lián)以及延時(shí)繼電器的滯后動(dòng)作等組合形成控制邏輯，它只能實(shí)現(xiàn)既定的邏輯控制。且其連線多而復(fù)雜，體積大，能耗大，一旦系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造完成后，再想改變或增加功能將十分困難。此外繼電器觸點(diǎn)數(shù)目有限，其靈活性和擴(kuò)展性也很差；而PLC采用存儲(chǔ)邏輯，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，且其連線少，體積小，靈活性和擴(kuò)展性極佳。

（2）控制速度。繼電器控制邏輯是依靠觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制，其工作頻率低，觸點(diǎn)的開(kāi)合動(dòng)作一般在幾十毫秒，此外機(jī)械觸電還會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象；而PLC是由控制指令控制半導(dǎo)體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，速度極快，一般一條用戶指令的執(zhí)行時(shí)間在微秒數(shù)量級(jí)。

（3）延時(shí)控制。繼電器控制系統(tǒng)是靠時(shí)間繼電器的滯后動(dòng)作實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制，而時(shí)間繼電器定時(shí)精度不高，易受環(huán)境溫度和濕度的影響；PLC是半導(dǎo)體集成電路做定時(shí)器，時(shí)基脈沖由晶體震蕩器產(chǎn)生，精度高。

（4）設(shè)計(jì)與施工。用繼電器實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)控制工程，其設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試必須依次進(jìn)行，周期長(zhǎng)，且修改困難；而PLC設(shè)計(jì)與施工可同時(shí)進(jìn)行，周期短，調(diào)試和修改都較方便。

（5）可靠性和維護(hù)性。繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸電，壽命短，可靠性和維護(hù)性都差；PLC采用微電子技術(shù)，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸電的半導(dǎo)體來(lái)完成，壽命長(zhǎng)，可靠性高。

4.3.2 PLC與微型計(jì)算機(jī)的比較

（1）應(yīng)用范圍。微機(jī)除了用于控制領(lǐng)域外，其主要用于科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)通訊等方面；而PLC主要用于工業(yè)控制。

（2）使用環(huán)境。微機(jī)對(duì)環(huán)境的要求高，一般要在干擾小，具有一定的濕度和溫度的機(jī)房?jī)?nèi)使用；而PLC適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境。

（3）輸入和輸出。微機(jī)系統(tǒng)的I/O設(shè)備與主機(jī)之間采用微電聯(lián)系，一般不需電器隔離；PLC一般可控制強(qiáng)電設(shè)備。

（4）程序設(shè)計(jì)。微機(jī)具有豐富的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，要求使用者具有一定的計(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)；而PLC的程序采用梯形圖即可，程序編制比較容易。

（5）系統(tǒng)功能。微機(jī)系統(tǒng)一般配有較強(qiáng)的系統(tǒng)軟件，并具有豐富的應(yīng)用軟件；而PLC的軟件則相對(duì)簡(jiǎn)單。

（6）運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量。微機(jī)運(yùn)算速度快，其存儲(chǔ)容量很大；PLC因接口的速度慢影響數(shù)據(jù)處理速度，內(nèi)存容量小，因而適用于中小規(guī)模的過(guò)程控制。

4.3.3 PLC與工業(yè)控制機(jī)

這兩種機(jī)器都是適合于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的。工業(yè)控制機(jī)是由通用微機(jī)推廣應(yīng)用發(fā)展起來(lái)的，硬件結(jié)構(gòu)方面總線標(biāo)準(zhǔn)化高；可編程控制器是由電氣控制廠家研制生產(chǎn)的，從開(kāi)始就是針對(duì)工業(yè)順序并擴(kuò)大應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的。

工業(yè)控制機(jī)由于直接由通用微機(jī)而來(lái)，故軟件資源豐富，特別是有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，故要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模擬復(fù)雜性高的領(lǐng)域占有優(yōu)勢(shì)；可編程控制器的運(yùn)行方式不同于工業(yè)微機(jī)，它對(duì)邏輯順序控制很適應(yīng)，它編程中的梯形圖很受不熟悉計(jì)算機(jī)而熟悉電器的工人的歡迎。

4.3.4 PLC與集散系統(tǒng)

（1）PLC是由繼電器邏輯控制發(fā)展而來(lái)得，集散系統(tǒng)是由回路儀表控制發(fā)展而來(lái)。

（2）早期的PLC在開(kāi)關(guān)量控制、順序控制方面有一定優(yōu)勢(shì)，而集散系統(tǒng)在回路調(diào)節(jié)、模擬量控制方面有一定的優(yōu)勢(shì)。

5 PLC 控制方案的確定

鑒于PLC的特點(diǎn)及與其它工業(yè)控制裝置的比較，決定對(duì)同步切割機(jī)的動(dòng)作循環(huán)過(guò)程采用PLC作為控制方案，完成一個(gè)完整周期動(dòng)作循環(huán)過(guò)程的自動(dòng)控制。以棒料直徑的大小及棒料前進(jìn)速度作為原始參數(shù)，分析從夾緊到小車(chē)回位的一整套切割機(jī)操作過(guò)程，完成系統(tǒng)的自動(dòng)控制，最后實(shí)現(xiàn)PLC控制程序與觸摸屏控制相鏈接構(gòu)成人機(jī)交互界面，從而實(shí)現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。操作員可以通過(guò)監(jiān)控命令有關(guān)部分的運(yùn)行狀態(tài)，可以根據(jù)不同直徑的大小及棒料前進(jìn)速度，調(diào)整定時(shí)、定數(shù)等設(shè)定值。

小結(jié)。同步切割機(jī)在整個(gè)鑄鐵水平連鑄生產(chǎn)線上是主要的生產(chǎn)設(shè)備，也是提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，企業(yè)對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造，可以擴(kuò)大產(chǎn)能，降低成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。

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