李成群，孫常偉，張凈霞

(河北聯(lián)合大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山 063009)

打捆機(jī)是一個(gè)集機(jī)械、液壓、電子、計(jì)算機(jī)控制于一體的高科技產(chǎn)品，它利用盤(pán)條為捆扎材料，將鋼材捆扎成型，以便于鋼材的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和銷售。擰絲機(jī)構(gòu)是棒材打捆機(jī)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)是否合理將直接影響到鋼材捆扎的質(zhì)量［1］。因此，對(duì)擰絲裝置進(jìn)行研究具有重要的意義。

新型擰絲裝置能夠邊擰緊邊前進(jìn)，克服了實(shí)際擰絲完成后擰絲瓣結(jié)易斷裂的缺陷，省去獨(dú)立的盤(pán)條防脫機(jī)構(gòu)和瓣結(jié)擠平機(jī)構(gòu)。針對(duì)打捆機(jī)的工作環(huán)境差、溫度高、擰絲動(dòng)作頻繁且可靠性要求高等特點(diǎn)，選用西門子公司的S7-200小型可編程控制器［2］，作為控制系統(tǒng)的核心。

1 擰絲裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)目前許多棒材生產(chǎn)線采用進(jìn)口的全自動(dòng)打捆機(jī)，該設(shè)備制造精細(xì)，自動(dòng)化程度高，自備PLC控制系統(tǒng)［3］。擰絲裝置是棒材打捆機(jī)的核心部件，無(wú)論進(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)設(shè)備，盤(pán)條抽緊時(shí)需要獨(dú)立的盤(pán)條防脫機(jī)構(gòu)，擰絲瓣結(jié)擠平需要獨(dú)立的擠平機(jī)構(gòu)，擰絲頭只會(huì)原地打轉(zhuǎn)，擰絲完成后有可能會(huì)出現(xiàn)擰絲瓣結(jié)斷裂的現(xiàn)象。

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)出邊旋轉(zhuǎn)邊前進(jìn)、盤(pán)條防脫和瓣結(jié)擠平一體的新型擰絲裝置，如圖1所示。

圖1 雙軌道棒材打捆機(jī)擰絲裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

設(shè)計(jì)的雙軌道棒材打捆機(jī)擰絲裝置，擰絲頭被液壓缸伸出的兩個(gè)液壓銷頂緊，兩個(gè)液壓銷分別被兩個(gè)獨(dú)立的供油腔控制。液壓缸心軸另一端通過(guò)平鍵和滾珠絲杠連接，滾珠絲杠螺母一端通過(guò)花鍵與花鍵套筒連接，滾珠絲杠螺母被徑向固定在固定座上。固定座上面的兩個(gè)限位板用于限制滾珠絲杠螺母移動(dòng)的軸向距離，限位板上裝有壓力傳感器，滾珠絲杠螺母另一端和活塞油缸連接，滾珠絲杠一端的漸開(kāi)線花鍵插入液壓馬達(dá)軸心，液壓馬達(dá)末端和角度傳感器相連。

棒材打捆機(jī)擰絲裝置的工作原理:當(dāng)盤(pán)條穿過(guò)擰絲頭之間的兩個(gè)條形槽，通油孔8開(kāi)始供油，供油腔Ⅰ內(nèi)充滿高壓油，高壓油推動(dòng)液壓銷Ⅰ前進(jìn)，液壓銷Ⅰ頂緊擰絲頭的一瓣，此時(shí)條形槽Ⅰ先夾緊盤(pán)條，防止抽緊時(shí)盤(pán)條被抽回去，這時(shí)進(jìn)行抽絲，使盤(pán)條抽緊棒材。之后通油孔10開(kāi)始供油，供油腔Ⅱ內(nèi)充滿高壓油，高壓油推動(dòng)液壓銷Ⅱ前進(jìn)，此時(shí)條形槽Ⅱ夾緊盤(pán)條。液壓馬達(dá)開(kāi)始供油，馬達(dá)的扭矩通過(guò)漸開(kāi)線花鍵Ⅱ和平鍵12傳遞到液壓缸心軸7上，擰絲頭3開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。滾珠絲杠17和滾珠絲杠螺母15之間為螺旋配合，滾珠絲杠螺母15被花鍵套筒13徑向固定，滾珠絲杠螺母15和活塞缸18相連，在螺旋配合的作用下，液壓缸心軸會(huì)邊旋轉(zhuǎn)邊前進(jìn)，前進(jìn)的距離可由馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)和滾珠絲杠的螺旋角度計(jì)算出來(lái)。擰絲結(jié)束，活塞缸18供油，活塞推動(dòng)滾珠絲杠螺母前進(jìn)，前進(jìn)力通過(guò)滾珠絲杠傳遞到液壓缸心軸上，當(dāng)滾珠絲杠螺母碰到限位板時(shí)，停止直線前進(jìn)，擰絲頭3擠平擰絲瓣結(jié)，擠平的前進(jìn)距離由限位板16確定。

2 擰絲裝置液壓系統(tǒng)分析

液壓泵由油箱、泵組、電磁閥組和自循環(huán)的冷卻、過(guò)濾系統(tǒng)組成。液壓泵的控制為壓力控制和流量控制，系統(tǒng)工作壓力由溢流閥來(lái)調(diào)節(jié)［4］。

擰絲裝置液壓系統(tǒng)工作過(guò)程如下:在卸荷狀態(tài)下啟動(dòng)電機(jī)，給溢流閥9通電，使系統(tǒng)壓力上升，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的最高值時(shí)，溢流閥9失電卸荷，直到系統(tǒng)壓力降到系統(tǒng)規(guī)定的工作壓力為止。在液壓系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，油箱的溫度由溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并設(shè)定了油箱的正常工作溫度范圍，當(dāng)油溫升高到最高值時(shí)，啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)，油溫降低，直到系統(tǒng)溫度降到溫度傳感器規(guī)定的最低工作溫度為止［5］。此外，液壓系統(tǒng)還設(shè)有液位、油濾堵、溫度等故障報(bào)警點(diǎn)，以確保液壓系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。擰絲裝置液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

擰絲裝置液壓系統(tǒng)回路，主要包括液壓銷Ⅰ供油缸、液壓銷Ⅱ供油缸、活塞缸、液壓馬達(dá)、兩個(gè)兩位兩通電磁換向閥和兩個(gè)三位四通電磁換向閥，通過(guò)PLC對(duì)電磁換向閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)防脫、夾緊、擰絲頭扭轉(zhuǎn)前進(jìn)、擠平的動(dòng)作。擰絲裝置液壓系統(tǒng)回路的工作壓力為10 MPa。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

擰絲進(jìn)行時(shí)電磁鐵動(dòng)作見(jiàn)表1。

表1 擰絲時(shí)電磁鐵動(dòng)作

3 PLC控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)電路接線圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)電路接線圖

系統(tǒng)主要控制液壓缸電磁閥的開(kāi)關(guān)，并且控制點(diǎn)較多，因此選用性能和性價(jià)比極高的S7-200系列PLC。CPU226是S7-200系列PLC功能最強(qiáng)的單元，具有較多的I/O端子，具有兩路高頻脈沖的輸出，也可用于步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的定位控制［6］，完全適用于中小型復(fù)雜控制系統(tǒng)。

如圖3所示，開(kāi)始按鈕控制系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，停止按鈕控制整個(gè)動(dòng)作停止; “Y3前進(jìn)完畢”是擠平動(dòng)作向前運(yùn)動(dòng)的限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，該信號(hào)置位說(shuō)明動(dòng)作完成;“Y4復(fù)位完成”是擠平動(dòng)作復(fù)位過(guò)程的限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，該信號(hào)置位說(shuō)明活塞缸復(fù)位完成。

EM235是模擬量輸入輸出模塊，該模塊具有4個(gè)模擬量輸入通道、1個(gè)模擬量輸出通道。這里通過(guò)2個(gè)模擬量輸入通道接收角度傳感器的信號(hào)，分別用于獲得抽絲完畢和馬達(dá)正轉(zhuǎn)完畢信息。

擰絲裝置的控制原理圖3中描述了S7-200部分引腳的接線方式，其中各個(gè)I/O引腳功能分配如表2所示。

表2 控制系統(tǒng)I/O分配表

3.2 控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常惡劣，為了確保PLC系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，在PLC與液壓閥之間加入了中間繼電器，通過(guò)控制繼電器來(lái)控制液壓閥線圈的通斷，從而保證液壓系統(tǒng)的運(yùn)行，一旦打捆運(yùn)行發(fā)生故障或單機(jī)調(diào)試時(shí)，可以通過(guò)中間繼電器，把PLC控制切換到手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，便于故障診斷及排除［7］。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用了包括接地保護(hù)設(shè)計(jì)、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)等相應(yīng)的可靠性保護(hù)措施，以消除或減小對(duì)PLC的干擾，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

棒材打捆機(jī)整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)PLC周期執(zhí)行掃描程序的特點(diǎn)，按照各個(gè)輸入點(diǎn)及相關(guān)寄存器的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。程序包括掃描部分和順序控制部分，當(dāng)按下開(kāi)始按鈕后，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，首先掃描是否存在棒材;其次判斷棒材是否進(jìn)入到指定區(qū)域，如果是則進(jìn)行順序控制模塊執(zhí)行打捆動(dòng)作。

擰絲過(guò)程中，由于該部分必須嚴(yán)格按照指定的順序進(jìn)行工作，因此程序采用順序控制方式，按照液壓銷Ⅰ頂緊→抽絲→液壓銷Ⅱ頂緊→切絲→擰絲→擠平的控制順序進(jìn)行動(dòng)作，以每一步動(dòng)作完成的信號(hào)作為切換條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中打捆機(jī)擰絲過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種新型擰絲裝置。該擰絲裝置的兩個(gè)液壓銷分別由兩個(gè)獨(dú)立的供油腔控制，液壓缸心軸和滾珠絲杠連接，可邊旋轉(zhuǎn)邊前進(jìn)，滾珠絲杠螺母由活塞缸直接推動(dòng)，擰絲頭直接擠平瓣結(jié)。新型擰絲裝置改善了盤(pán)條擰結(jié)易斷裂的缺陷，具有防脫和擠平功能。通過(guò)S7-200系列PLC對(duì)電磁換向閥的控制，實(shí)現(xiàn)擰絲裝置一系列擰絲動(dòng)作。新型擰絲裝置將機(jī)、電、液三者結(jié)合起來(lái)，自動(dòng)化程度更高，可靠性更強(qiáng)，提高了擰絲質(zhì)量，從而提高了生產(chǎn)效率。

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