江德松

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230041；2.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖241000）

0 引言

切管機(jī)是在切割各種管件時(shí)必不可少的設(shè)備，普通切管機(jī)由于其控制方式是通過(guò)接觸器控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，其自動(dòng)化控制水平較低，切刀在工作臺(tái)上方，切削運(yùn)動(dòng)從上到下，在切割管件過(guò)程中，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，精度不高，工作效率低，故障率高，加工管件尺寸受到限制，特別在加工異型管件時(shí)暴露的問(wèn)題更多，不能滿足現(xiàn)代企業(yè)加工需求，因此研究異型管切管機(jī)的控制系統(tǒng)不但提高工作效率，而且使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

基于PLC作為控制核心的觸摸屏、伺服電機(jī)和其位置/速度控制單元、變頻器組合的異型管控制系統(tǒng)，整個(gè)切割加工過(guò)程由PLC進(jìn)行控制，通過(guò)觸摸屏可以設(shè)置切管機(jī)在切割過(guò)程中各種參數(shù)，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示切割過(guò)程。該異型切管機(jī)不僅能切外形復(fù)雜多變的管件，如汽車排氣歧管上的各種管件，也能切常規(guī)的直管件。將該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，滿足系統(tǒng)控制要求。

1 切管機(jī)主要組成及工作原理

1.1 主要組成

切管機(jī)主要由機(jī)架、工作臺(tái)、刀具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)、管件夾緊機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、人機(jī)界面及電氣控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

機(jī)架主要用于支撐工作臺(tái)及管件夾緊機(jī)構(gòu)，工作臺(tái)用于安裝特殊管件切管工裝。刀具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是切管機(jī)的關(guān)鍵部件，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)齒輪箱、傳動(dòng)軸和減速機(jī)等傳遞給切刀。刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)切刀旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在直線導(dǎo)軌上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。主軸箱軸端上裝有刀具測(cè)速傳感器，根據(jù)切刀的轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)整進(jìn)給速度，因此對(duì)刀具起到保護(hù)作用。

圖1 異型管切管機(jī)的組成

管件的夾緊機(jī)構(gòu)是用氣壓控制，能使夾具快速壓緊管件。切刀在工作臺(tái)下面，切割管件時(shí)切刀自下而上進(jìn)給，切刀固定在升降臺(tái)上由三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，切刀轉(zhuǎn)速可通過(guò)修改變頻器參數(shù)調(diào)整。升降臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可通過(guò)觸摸屏設(shè)置升降臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)的速度和位置［1］。

2 切管機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)包括PLC、觸摸屏、伺服系統(tǒng)、變頻器、編碼器、低壓電器元件和電源組成，控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）主控制系統(tǒng)。PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。該系統(tǒng)采用三菱公司生產(chǎn)的FX系列FX1N-60T-001型的PLC作為控制裝置，該P(yáng)LC為DC24V輸入、晶體管輸出型，I/O點(diǎn)數(shù)為60點(diǎn)，輸入為36點(diǎn)，輸出為24點(diǎn)，提供簡(jiǎn)易定位、脈沖輸出功能及功能擴(kuò)展板和顯示模塊，通過(guò)RS232C標(biāo)準(zhǔn)接口與觸摸屏通訊。

2）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺服電機(jī)也被稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角速度或角位移輸出。輸入的電壓信號(hào)也稱為控制信號(hào)或電壓，自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)常作為執(zhí)行元件，切刀的上下位置由伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置控制。該系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動(dòng)器是由三菱公司生產(chǎn)的MRJ3-100A型和與之配套的交流同步伺服電機(jī)HF-SP102B型。此驅(qū)動(dòng)器是基于MR-J2S系列開發(fā)的具有更高功能的伺服系統(tǒng)，具有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的三種方式，并且三種控制方式之間可以相互切換。

3）變頻器調(diào)速系統(tǒng)。在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí),首先要考慮電機(jī)磁通量，如果磁通量較弱，電機(jī)將會(huì)出現(xiàn)欠磁通，它會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，公式為 Tm=KTΦmI2cosφ2。式中：Tm為電磁轉(zhuǎn)矩；KT為比例系數(shù)；Φm為主磁通量；I2為轉(zhuǎn)子電流；cosφ2為轉(zhuǎn)子回路的功率因數(shù)。由上式可知，減小電機(jī)磁通量會(huì)直接影響電磁轉(zhuǎn)矩的減小。因此，電機(jī)頻率變化時(shí)，同時(shí)協(xié)調(diào)控制電機(jī)的電壓，以保持電機(jī)磁通恒定。

根據(jù)該切管機(jī)主電機(jī)參數(shù)，系統(tǒng)采用三菱公司生產(chǎn)的FR D740-7.5KW-CHT變頻器，主電機(jī)轉(zhuǎn)速可通過(guò)改變變頻器的輸出功率進(jìn)行控制，使兩者之間的呈近似線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速的目的［2］。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 主要人機(jī)畫面

圖4 程序流程圖

2.1 切管機(jī)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

輸入和顯示系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)操作者和機(jī)器設(shè)備之間的雙向通信，友好的人機(jī)交互界面充分體現(xiàn)了設(shè)備智能化與先進(jìn)性水平。因此在切管機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為其配備了臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)的DOP-B07S411型觸摸屏作為人機(jī)交互的設(shè)備，完成管件切割過(guò)程參數(shù)的設(shè)置和實(shí)時(shí)的顯示。PLC與觸摸屏采用串行方式通訊實(shí)現(xiàn)用戶指令的傳送，根據(jù)需要設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)［2］。

觸摸屏界面設(shè)計(jì)使用軟件為Screen Editor 2.0，利用此軟件可以創(chuàng)建在觸摸屏上顯示的畫面，可以對(duì)畫面編輯、系統(tǒng)設(shè)置、PT狀態(tài)控制/通信區(qū)進(jìn)行設(shè)置，不僅可以保存畫面，而且能夠?qū)嬅鎮(zhèn)魉偷接|摸屏的內(nèi)存中。

本控制系統(tǒng)觸摸屏界面設(shè)計(jì)分為2個(gè)層次。在上電開機(jī)后，觸摸屏首先進(jìn)入主畫面。主畫面顯示當(dāng)前北京時(shí)間；顯示手/自動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)前工件計(jì)數(shù)顯示設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。在主畫面下面區(qū)域有5個(gè)操作按鈕，分別是設(shè)備調(diào)機(jī)功能按鈕、手動(dòng)調(diào)試功能按鈕、參數(shù)設(shè)置功能按鈕、計(jì)數(shù)清零功能按鈕和故障報(bào)警功能按鈕。在主畫面按下任一功能按鈕，可進(jìn)入下一層次畫面，進(jìn)行相應(yīng)的操作。觸摸屏畫面之間切換關(guān)系如圖3所示［3］。

2.2 切管機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)

切管機(jī)控制程序包括系統(tǒng)初始化和系統(tǒng)控制兩部分，系統(tǒng)程序在初始化后，與觸摸屏通訊，接收觸摸屏傳送的控制信息，根據(jù)用戶選擇的操作模式進(jìn)行切割加工。如將手/自動(dòng)選擇開關(guān)旋到自動(dòng)檔時(shí)設(shè)備開始工作，第一次工作流程是：切刀先從工作原點(diǎn)上升到切割最低點(diǎn),壓緊缸同時(shí)下壓并到位→切刀旋轉(zhuǎn)并上升開始切割管材直至最高點(diǎn)（切割結(jié)束）→壓緊缸上升并回到原位、切刀回到切割最低點(diǎn)。以后切刀就直接從切割最低點(diǎn)開始啟動(dòng)。每班工作完成后可在手動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行一次原點(diǎn)回歸使切刀回到工作原點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

3結(jié)語(yǔ)

異形管切管機(jī)自投產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，能很好地完成特殊切管，并能充分滿足生產(chǎn)工藝要求。該設(shè)備采用觸摸屏、伺服系統(tǒng)和PLC控制，高度自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)單，精度高。該控制系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定，故障率低，維護(hù)方便，提高了生產(chǎn)效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足客戶的要求。

［1］ 蔣玲，張超.觸摸屏與PLC控制的異型管鋸管機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012（7）：123-126.

［2］ 孫耀杰，趙君，賈靜蕾，等.基于觸摸屏和PLC的金相切割機(jī)控制系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（14）：23－25.

［3］ 吳全.新型切管機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(14)：39-41.