石平義+彭一航+黃鵬

【摘 要】論文提出了一種針對(duì)耳機(jī)線加工過程自動(dòng)送線裝置的總體設(shè)計(jì)方案，采用“PLC+交流電機(jī) +人機(jī)界面+變頻器”的控制方式，能實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)送線、速度可調(diào)等功能。

【Abstract】This paper proposes an overall design scheme of automatic wire feeding device for the earphone wire processing .Adopting the control model of “PLC+ AC motor + man-machine interface + frequency converter”， it can realize the function of efficient automatic transmission and adjustable speed.

【關(guān)鍵詞】線材；送線；自動(dòng)控制 ；PLC

【Keywords】wire；wire feeding；automatic control；PLC

【中圖分類號(hào)】TP23 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）05-0192-03

1 引言

目前，由于耳機(jī)線的特殊結(jié)構(gòu)與品質(zhì)要求，對(duì)其后期加工一般采用小型刀片式裁切機(jī)，人工送線、手動(dòng)裁切，存在送線效率低下、速度難以調(diào)整等問題[1]。論文針對(duì)上述問題，以及PLC在當(dāng)今電氣自動(dòng)化領(lǐng)域中越來越突出的地位和廣泛的應(yīng)用[2]，提出了一種基于PLC控制技術(shù)的針對(duì)耳機(jī)線送線的裝置，并重點(diǎn)介紹了其組成、結(jié)構(gòu)原理以及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。

2 設(shè)備組成及原理

2.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)實(shí)際需求，該專用送線裝置需要實(shí)現(xiàn)以下功能與特點(diǎn)：

①送線效率高，能夠一次性實(shí)現(xiàn)多個(gè)線圈自動(dòng)送線；

②速度可自動(dòng)調(diào)節(jié)，該裝置能夠滿足對(duì)送線速度的自動(dòng)調(diào)整；

③換線方便，該裝置能控制每個(gè)送線工位的啟停。

2.2 設(shè)備工藝流程和工作原理

2.2.1 送線裝置工藝動(dòng)作流程

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，該裝置能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)啟停等功能。結(jié)合耳機(jī)線加工要求和工藝要求以及整體設(shè)計(jì)方案，確定本裝置的工藝動(dòng)作流程如下：

2.2.2 裝置的工作原理

①送線速度檢測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

當(dāng)主機(jī)開始拉線時(shí)，帶動(dòng)鐵圓柱向上移動(dòng)，傳感器檢測(cè)到信號(hào)，線卷開始放線；當(dāng)鐵圓柱下降時(shí)，傳感器檢測(cè)到信號(hào)，控制線卷放線速度，防止送線過多。

②啟停控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

該部分工作原理如下：當(dāng)開始放線時(shí)，PLC控制氣缸伸出，此時(shí)皮帶與線圈相連的摩擦輪接觸，帶動(dòng)線卷開始放線；當(dāng)PLC收到停止放線的信號(hào)時(shí)，PLC控制氣缸收回，與線卷相連的滾輪與黃橡膠塊接觸，使線卷立即停止送線[3]。

③外框架的設(shè)計(jì)

十個(gè)線卷同時(shí)送線，分為上下兩排，并分別用兩根傳動(dòng)軸傳遞動(dòng)力，結(jié)合線卷的尺寸和一般公司電梯門的尺寸設(shè)計(jì)，其最終的總體尺寸為2560mm*1700mm*990mm。該機(jī)架是整個(gè)裝置的支撐部分，主要使用型材進(jìn)行焊接制造而成，以滿足使用要求。

④傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

結(jié)合本裝置實(shí)際應(yīng)用以及設(shè)計(jì)方案等綜合情況，發(fā)現(xiàn)兩傳動(dòng)軸的距離較遠(yuǎn)，傳動(dòng)速度不高，傳動(dòng)比沒有嚴(yán)格的要求，且使用環(huán)境惡劣，因此最終選用鏈條傳動(dòng)形式。十個(gè)線卷送線需要?jiǎng)恿鲃?dòng)，兩排線卷使用兩個(gè)傳動(dòng)軸，由電機(jī)通過鏈條將動(dòng)力傳給另一傳動(dòng)軸，上下傳動(dòng)軸再分別通過皮帶將動(dòng)力傳遞到每一個(gè)工位。

綜合線的拉力、線卷的質(zhì)量、轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量以及皮帶的摩擦力，經(jīng)SolidWorks三維軟件仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)得，每個(gè)線卷達(dá)到最大轉(zhuǎn)速30r/min時(shí)所需的扭矩為21.14N.M，此時(shí)驅(qū)動(dòng)每個(gè)線卷所需功率P1由公式得：

若每個(gè)傳動(dòng)軸帶動(dòng)五個(gè)線卷，則每根傳動(dòng)軸傳動(dòng)的功率為P：

當(dāng)軸承載的功率不大，考慮到成本可采用Q235A，表面鍍鉻，查表可得常數(shù)C為158。由根據(jù)軸徑的估算公式可得：

軸上的傳動(dòng)輪靠鍵傳遞動(dòng)力，軸上有鍵時(shí)，削弱軸的強(qiáng)度，有一個(gè)鍵槽時(shí)，d值應(yīng)增大5%，軸上有五個(gè)鍵槽，則d=44mm，查軸徑標(biāo)準(zhǔn)表，將所得的d值圓整，取d為45.0mm。

所有的動(dòng)力由電機(jī)提供，因此選擇電機(jī)時(shí)要遵循兩個(gè)重要原則，首先是必須考慮互換性，選擇標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)，以備出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)更換；其次是為使整個(gè)系統(tǒng)高效率運(yùn)行，要綜合考慮電機(jī)的級(jí)數(shù)及電壓等級(jí)[4]。另外還要綜合本裝置實(shí)際情況，兩根傳動(dòng)軸所需功率為： 5P2 =0.664kw：電機(jī)的傳動(dòng)效率η取0.9，則電機(jī)所需功率為：P電機(jī)=0.737kw 。根據(jù)以上計(jì)算，選用三相異步圓柱齒輪減速電機(jī)，電機(jī)功率0.75kw。

⑤線架的整體設(shè)計(jì)圖

最終設(shè)計(jì)的線架整體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。其主要由機(jī)架、啟?？刂啤鲃?dòng)機(jī)構(gòu)以及檢測(cè)機(jī)構(gòu)等部分組成。

3 線架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 控制任務(wù)分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)裝置的動(dòng)作流程，當(dāng)工人上好線，主機(jī)開始拉線時(shí)，鐵圓柱上升，傳感器檢測(cè)到信號(hào)后，PLC發(fā)出信號(hào)，電磁閥動(dòng)作，氣缸伸出，連接線卷的滾輪與皮帶接觸，開始放線；當(dāng)主機(jī)速度降低時(shí)，鐵圓柱下降，傳感器檢測(cè)到信號(hào)后，PLC發(fā)出信號(hào)，電磁閥動(dòng)作，氣缸縮回，橡膠板與滾輪接觸，立即停止放線。此時(shí)電機(jī)一直處于運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，電機(jī)的速度可由PLC通過變頻器進(jìn)行控制，工人可在觸摸屏界面進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整。從上述流程可知，本裝置的輸入信號(hào)主要為傳感器信號(hào)，輸出信號(hào)主要為電磁閥控制信號(hào)以及變頻器速度控制信號(hào)。

另外，人機(jī)界面選用能夠理想生動(dòng)的顯示PLC、單片機(jī)、PC機(jī)上數(shù)據(jù)信息的威綸通TK6070ip系列觸摸屏，并支持與大多數(shù)的PLC直接通信[5]。PLC與上位機(jī)之間采用的是無通信協(xié)議的RS-232串行通信，變頻器采用三菱A500型號(hào)，采取RS485BD通訊與PLC通訊。

3.2 PLC的I/O分配與參數(shù)配置

3.2.1 PLC的I/O地址分配

根據(jù)送線的動(dòng)作工藝流程和PLC控制系統(tǒng)的控制要求，進(jìn)行PLC的I/O地址分配。其中輸入信號(hào)主要包括啟動(dòng)、停止、急停、復(fù)位、傳感器信號(hào)，輸出主要包括各工位氣缸電磁閥信號(hào)以及變頻器啟動(dòng)與調(diào)速端子信號(hào)地址。

3.3.2 PLC參數(shù)配置

從I/O分配結(jié)果可以得出，共需要25個(gè)輸入點(diǎn)，23個(gè)輸出點(diǎn)，選用小型PLC可以滿足使用，綜上考慮本項(xiàng)目的PLC，采用三菱系列的FX3U型號(hào)。根據(jù)需要的I/O配置，預(yù)留20%的I/O余量[6]，故選擇了FX3U-64MT型的PLC，它能提供的輸入輸出點(diǎn)數(shù)為32/32，和一個(gè)485串行數(shù)據(jù)口。另外，設(shè)置一個(gè)三菱FR-A740變頻器，用來控制送線的主電機(jī)，并控制送線速度。

3.3.3 PLC程序設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目選用的是三菱系列PLC，采用的編程軟件為GX Developer中文界面編程軟件，它可以適用于三菱全系列的PLC編程和調(diào)試。在本系統(tǒng)中，PLC控制程序由系統(tǒng)啟動(dòng)、系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)故障報(bào)警、自動(dòng)復(fù)位或緊急停止等控制模塊組成。

4 結(jié)語(yǔ)

該線材加工專用送線裝置實(shí)現(xiàn)了線材的自動(dòng)化高效送線，具有自動(dòng)調(diào)整送線速度、換線簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，有效彌補(bǔ)了長(zhǎng)期以來耳機(jī)生產(chǎn)制造領(lǐng)域中手工送線、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)與不足。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明該裝置配合主機(jī)使用能夠有效解決上述問題，提高了耳機(jī)線材的現(xiàn)場(chǎng)加工質(zhì)量與效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度與生成成本，為相關(guān)線材制造、加工企業(yè)提供了一定的借鑒與實(shí)用價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

【1】石平義，姜莉莉，余輝.基于PLC的耳機(jī)專用多工位粘合機(jī)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2017（02）：57.

【2】王歡，張悅超. 探討PLC 技術(shù)在電氣自動(dòng)控制中的運(yùn)用[J].中小企業(yè)管理與科技，2016（03）：213.

【3】孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理 [M].北京：高等教育出版社，2013.

【4】鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制 [M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

【5】石平義，姜莉莉，余輝.基于PLC的多工位粘合機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2016（05）：535-536.

【6】管文博. 基于PLC和組態(tài)王的纖維改性控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2013（06）：1467.