范登勝，林泳峰

（1.閩西職業(yè)技術(shù)學院，福建龍巖 364000；2.福建省長汀金龍稀土有限公司，福建龍巖 364000）

0 引言

隨著當前我國工業(yè)現(xiàn)代化和工程機械輔料制造設(shè)備行業(yè)的不斷進步，對于新型板材、磁材的加工切割和輔料加工在其剪切工作效率及其相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量安全方面的技術(shù)要求也不斷提高。在稀土行業(yè)中也力求切割設(shè)備的更新?lián)Q代，從而提高生產(chǎn)力，降低勞動成本，為企業(yè)和國家增加經(jīng)濟效益。國內(nèi)切割機目前控制系統(tǒng)仍然以功能簡單、設(shè)計復雜的繼電器控制方法為主，經(jīng)過不斷完善和發(fā)展，近年來也逐漸涌現(xiàn)出以PLC 為主要控制系統(tǒng)的各種具有更加完善功能的自動化、智能化控制技術(shù)，驅(qū)動系統(tǒng)亦由步進式驅(qū)動向現(xiàn)在的全數(shù)字伺服驅(qū)動過渡。因此本設(shè)計提出了基于PLC 的全數(shù)字伺服驅(qū)動的自動切割控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有人機交互性好、切割精度高等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

自動切割機主要由提供設(shè)備保護的防護罩，加工時噴射冷卻液冷卻工件的三頭可調(diào)冷卻管，固定待切割工件的可移動切割手臂，用于工件切割的鍍金剛砂圓形刀片，設(shè)備機架組成。自動切割機是通過程序控制可移動切割手臂在水平和豎直兩方向自由運動使固定在可移動切割手臂上的工件靠近固定在固定位置的鍍金剛砂圓形刀片從而實現(xiàn)工件的切割。

自動切割工藝在稀土生產(chǎn)工藝中包含5 個流程，分別為手動粘膠、自動切割、自動煮膠、超聲波清洗烘干和AGV 送料，如圖1 所示。

圖1 自動切割工藝流程

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)以西門子S7-200 SMART PLC 為控制核心，結(jié)合威綸通觸摸屏M76071，實現(xiàn)人機交互?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)控制精度的需求采用兩種電機，即伺服電機和一般電機，伺服電機采用伺服驅(qū)動方式驅(qū)動，其它的則為變頻器驅(qū)動方式控制。其中，可移動機械臂X 軸和Y 軸電機對控制精度要求較高，采用伺服電機。防護罩、冷卻管、切割刀片的電機則為一般電機，采用變頻控制。自動切割機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 自動切割機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由于自動切割機控制系統(tǒng)中對控制精度要求較高，控制對象為伺服電機，因此這里選用CPU ST20 為主機，它有12 個輸入點、8 個輸出點，輸出方式為晶體管輸出。控制回路由主控制電路和可移動機械臂、切割刀片、防護罩和冷卻管的控制電路5 個部分組成?？刂葡到y(tǒng)主控制回路如圖3 所示。

圖3 自動切割機控制系統(tǒng)控制電路接線

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

自動切割機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是控制機械臂移動、防護罩、冷卻管功能、切割功能，并且為了方便現(xiàn)場設(shè)備維護和調(diào)試作用，還設(shè)有手動調(diào)試功能。PLC 程序采用模塊化的設(shè)計方法，將這些功能分別編制為不同的功能塊，通過主程序的功能調(diào)用來調(diào)度，協(xié)調(diào)運作。觸摸屏和上位機主要用來實時監(jiān)控設(shè)備，并能根據(jù)實際工藝需求快速調(diào)整加工參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)中，PLC 控制器與觸摸屏、IPC 相互之間采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進行通信，通過對現(xiàn)場設(shè)備的實時監(jiān)控，從而實現(xiàn)人機交互和設(shè)備的閉環(huán)控制。自動切割機控制系統(tǒng)的主程序流程如圖4 所示。

圖4 自動切割機控制系統(tǒng)程序流程

3.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計

3.2.1 機械臂運動程序

機械臂運動程序中包含了對機械臂2 個自由度X、Y 軸的移動脈沖驅(qū)動，脈沖通過系統(tǒng)自帶的運動庫程序產(chǎn)生，通過對其中對應的坐標和速度數(shù)據(jù)的設(shè)定來完成絕對位移和速度控制，并在完成切割后回到原點，且復位按鈕可對絕對數(shù)據(jù)進行歸零操作。

具體的動作流程為：啟動切割運行時，Y 軸先偏移到達切割點上方，Y 軸移動完成后，X 軸偏移，開始切割，切割完成后，X 軸返回切割點上方，切割次數(shù)加1。未到達切割次數(shù)時，Y 軸下移，開始下一階段切割動作，直到完成切割次數(shù)，停止X、Y 軸運動。

3.2.2 防護罩動作程序

防護罩動作程序是啟用和停止防護罩的動作程序，在前面的控制要求中，系統(tǒng)要求在切割時必須放下防護罩，以防止工業(yè)廢屑的飛濺對人身造成傷害和環(huán)境污染。所以在防護罩動作程序中，編寫為運行切割開始，防護罩落下，直到完成切割6 min后，確定完成切割，防護罩才開啟。

3.2.3 冷卻管動作程序

冷卻管動作程序是啟用和停止冷卻管動作的程序，在前面的控制要求中，系統(tǒng)同樣要求在切割時，必須開啟冷卻管對切割片和工件降溫，防止切割片和工件摩擦溫度過高，導致變形影響工藝和刀具使用壽命。所以在冷卻管動作程序中，編寫為防護罩落下后開始，冷卻管動作，在確認完成切割3 min 后關(guān)閉。

3.2.4 切割刀片動作程序

在系統(tǒng)運行過程中，切割片位于機架內(nèi)部，配合機械臂做切割動作，當冷卻液開始噴射時即開始切割動作，切割片啟動，完成切割后切割片停止。

3.3 組態(tài)編程

人機界面作為PLC 與操作人員之間交流的媒介，將PLC 不可視化的程序和系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過信息交互通信，與構(gòu)建的組態(tài)畫面關(guān)聯(lián)，使系統(tǒng)運行狀態(tài)更直觀，操作更便捷。

控制系統(tǒng)的人機交互一共有工作參數(shù)設(shè)置和設(shè)備工作狀態(tài)兩個界面。在工作參數(shù)設(shè)置界面可以設(shè)置切割的參數(shù)如切割速度、切割長度、緩出距離、緩出速度、初始原點、片頭厚度等還可選擇自動和手動兩種工作方式。工作參數(shù)設(shè)置界面如圖5 所示。

圖5 自動切割機控制系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)置界面

設(shè)備工作狀態(tài)界面設(shè)置了啟動按鈕、停止按鈕、復位按鈕及切割次數(shù)設(shè)置顯示。按下啟動按鈕，可通過觸摸屏實現(xiàn)對自動切割系統(tǒng)的的啟動操作；按下停止按鈕，可通過觸摸屏實現(xiàn)對自動切割系統(tǒng)的停止操作，這個操作優(yōu)先判斷與啟動按鈕，優(yōu)先停止系統(tǒng)的運行狀態(tài)；按下復位按鈕，可對自動切割系統(tǒng)的X、Y 軸機械臂進行復位。使X、Y 軸機械臂回歸原點，切割次數(shù)設(shè)置顯示可完成對自動控制系統(tǒng)切割功能工作次數(shù)的設(shè)置，每次切割系統(tǒng)都會累計，直到切割次等于設(shè)置的切割次數(shù)時系統(tǒng)停止完成切割工作。還設(shè)置了切割片工作狀態(tài)指示，冷卻管工作狀態(tài)指示，保護罩工作狀態(tài)指示，切割次數(shù)顯示、Y 軸位移和速度顯示、X 軸位移和速度顯示，還展示了切割進度可以完成自動切割機控制系統(tǒng)當前工作狀態(tài)的監(jiān)視任務(wù)。

4 結(jié)語

數(shù)控自動切割機控制系統(tǒng)在稀土工業(yè)加工中有著廣泛的應用，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種材料的精確加工。使用S7-200 SMART系列PLC，以CPU ST20 為控制核心實現(xiàn)了對數(shù)控切割系統(tǒng)的控制，通過與觸摸屏的連接實現(xiàn)了人機交互，便于工作人員對數(shù)控切割系統(tǒng)的調(diào)試和生產(chǎn)參數(shù)的設(shè)置。同時可以實時監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)及進度，使加工工藝的自動化程度大大提升，減輕了工作人員的負擔。