江德松

（1.合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，合肥 230041；2.安徽機電職業(yè)技術(shù)學院，安徽蕪湖241000）

0 引言

切管機是在切割各種管件時必不可少的設(shè)備，普通切管機由于其控制方式是通過接觸器控制來實現(xiàn)，其自動化控制水平較低，切刀在工作臺上方，切削運動從上到下，在切割管件過程中，工人勞動強度大，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暴露的問題更多，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，帶來更大的經(jīng)濟效益。

基于PLC作為控制核心的觸摸屏、伺服電機和其位置/速度控制單元、變頻器組合的異型管控制系統(tǒng)，整個切割加工過程由PLC進行控制，通過觸摸屏可以設(shè)置切管機在切割過程中各種參數(shù)，并實時動態(tài)顯示切割過程。該異型切管機不僅能切外形復雜多變的管件，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)進行實際運行測試，滿足系統(tǒng)控制要求。

1 切管機主要組成及工作原理

1.1 主要組成

切管機主要由機架、工作臺、刀具旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、刀具進給機構(gòu)、管件夾緊機構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、人機界面及電氣控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

機架主要用于支撐工作臺及管件夾緊機構(gòu)，工作臺用于安裝特殊管件切管工裝。刀具旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是切管機的關(guān)鍵部件，電動機旋轉(zhuǎn)運動通過齒輪箱、傳動軸和減速機等傳遞給切刀。刀具進給機構(gòu)主要由伺服電機驅(qū)動切刀旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在直線導軌上做往復運動。主軸箱軸端上裝有刀具測速傳感器，根據(jù)切刀的轉(zhuǎn)速自動調(diào)整進給速度，因此對刀具起到保護作用。

圖1 異型管切管機的組成

管件的夾緊機構(gòu)是用氣壓控制，能使夾具快速壓緊管件。切刀在工作臺下面，切割管件時切刀自下而上進給，切刀固定在升降臺上由三相異步電機驅(qū)動，切刀轉(zhuǎn)速可通過修改變頻器參數(shù)調(diào)整。升降臺的上下運動由伺服電機驅(qū)動，可通過觸摸屏設(shè)置升降臺上下運動的速度和位置［1］。

2 切管機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

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PLC為DC24V輸入、晶體管輸出型，I/O點數(shù)為60點，輸入為36點，輸出為24點，提供簡易定位、脈沖輸出功能及功能擴展板和顯示模塊，通過RS232C標準接口與觸摸屏通訊。

2）伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)。伺服電機也被稱為執(zhí)行電動機，將電壓信號轉(zhuǎn)換成電機轉(zhuǎn)軸的角速度或角位移輸出。輸入的電壓信號也稱為控制信號或電壓，自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機經(jīng)常作為執(zhí)行元件，切刀的上下位置由伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置控制。該系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動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HF-SP102B型。此驅(qū)動器是基于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)。在進行電機調(diào)速時,首先要考慮電機磁通量，如果磁通量較弱，電機將會出現(xiàn)欠磁通，它會對電動機的輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生相當大的影響，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，減小電機磁通量會直接影響電磁轉(zhuǎn)矩的減小。因此，電機頻率變化時，同時協(xié)調(diào)控制電機的電壓，以保持電機磁通恒定。

根據(jù)該切管機主電機參數(shù)，系統(tǒng)采用三菱公司生產(chǎn)的FR D740-7.5KW-CHT變頻器，主電機轉(zhuǎn)速可通過改變變頻器的輸出功率進行控制，使兩者之間的呈近似線性關(guān)系，從而實現(xiàn)了無級調(diào)速的目的［2］。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 主要人機畫面

圖4 程序流程圖

2.1 切管機人機界面的設(shè)計

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

觸摸屏界面設(shè)計使用軟件為Screen Editor 2.0，利用此軟件可以創(chuàng)建在觸摸屏上顯示的畫面，可以對畫面編輯、系統(tǒng)設(shè)置、PT狀態(tài)控制/通信區(qū)進行設(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)計分為2個層次。在上電開機后，觸摸屏首先進入主畫面。主畫面顯示當前北京時間；顯示手/自動狀態(tài)；當前工件計數(shù)顯示設(shè)備當前的運行狀態(tài)。在主畫面下面區(qū)域有5個操作按鈕，分別是設(shè)備調(diào)機功能按鈕、手動調(diào)試功能按鈕、參數(shù)設(shè)置功能按鈕、計數(shù)清零功能按鈕和故障報警功能按鈕。在主畫面按下任一功能按鈕，可進入下一層次畫面，進行相應(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PLC程序設(shè)計

切管機控制程序包括系統(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行切割加工。如將手/自動選擇開關(guān)旋到自動檔時設(shè)備開始工作，第一次工作流程是：切刀先從工作原點上升到切割最低點,壓緊缸同時下壓并到位→切刀旋轉(zhuǎn)并上升開始切割管材直至最高點（切割結(jié)束）→壓緊缸上升并回到原位、切刀回到切割最低點。以后切刀就直接從切割最低點開始啟動。每班工作完成后可在手動狀態(tài)下進行一次原點回歸使切刀回到工作原點?？刂葡到y(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

3結(jié)語

異形管切管機自投產(chǎn)以來，運行穩(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，高度自動化，操作簡單，精度高。該控制系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定，故障率低，維護方便，提高了生產(chǎn)效率，減輕工人的勞動強度，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的設(shè)計［J］.制造技術(shù)與機床，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.新型切管機的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.機床與液壓，2012，40(14)：39-41.