管建峰　王　欣　張建學(xué)　吳必仲

（常熟理工學(xué)院，常熟 215500）

Φ40鋼管熱穿孔自動打頭機(jī)液壓氣動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管建峰王欣張建學(xué)吳必仲

（常熟理工學(xué)院，常熟 215500）

本文分析傳統(tǒng)鋼管打頭系列設(shè)備，結(jié)合PLC控制，提出一種基于液壓氣動傳動并由FX2N48MR-001型PLC為控制核心的打頭機(jī)液壓氣動系統(tǒng)控制方案。該方案利用易學(xué)易用的PLC控制電磁鐵的得失電，從而控制整個系統(tǒng)的傳動與動作。經(jīng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)可以為實(shí)現(xiàn)Φ40鋼管熱穿孔自動打頭要求提供一種可能。

打頭機(jī)控制系統(tǒng)PLC液壓氣動傳動系統(tǒng)

引言

本課題旨在為原有利用繼電器控制的液壓打頭機(jī)提供操作更為簡單方便、人性化、控制穩(wěn)定、動作可靠的控制系統(tǒng)。該設(shè)備利用液壓力傳遞動力，功率密度大；可傳遞很大的力和力矩；可完成無極調(diào)速；過壓保護(hù)；沖擊小；對于高速啟動、制動、換向，尤為方便；通過與電氣控制相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)控制的智能化［1］。PLC具有易理解易使用；梯形圖編輯方便；可靠性高；工況適應(yīng)性強(qiáng)；使用方便；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工周期短；維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)［2］。

1　系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

目前，市場上常用的控制方式有PLC以及單片機(jī)控制，其基本控制原理大體相同。鑒于PLC的優(yōu)勢，故采用可編輯控制器PLC控制［2］。

采用交流三相異步電機(jī)帶動柱塞泵作為打頭的動力元件；利用空壓機(jī)工作作為夾緊以及上下運(yùn)動的動力元件；另一臺交流三相異步電機(jī)作為鏈傳動的動力元件（可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制）；打頭機(jī)通過電磁方向控制閥得失電，使得活塞完成伸縮功能，用接近開關(guān)來實(shí)現(xiàn)限位。鋼管的夾持及上下移動由氣缸完成，利用電磁換向閥來控制氣缸換向，用接近開關(guān)來實(shí)現(xiàn)限位。

1.1硬件的選型

PLC容量選擇包含兩個方面：I/O點(diǎn)數(shù)和存儲器的容量。在實(shí)際選用中，還要考慮20%的余量。本次選擇三菱FX2N-48MR-001型PLC［3］。

液壓系統(tǒng)驅(qū)動功率為50.4kW，液壓泵所處工作壓力大致為11MPa，流量為144L/min，泵的總效率0.65，則液壓泵驅(qū)動電動機(jī)所需的功率為42.58kW。采用Y225M-2三相異步電動機(jī)，額定功率為45kW，同步轉(zhuǎn)速2970r/min，η 為91.5%［4］。

氣動回路第一是實(shí)現(xiàn)對鋼管的夾緊，第二是實(shí)現(xiàn)對夾具的上下移動，最后是實(shí)現(xiàn)對鋼管的撐起堆放作用。動作過程有一定的壓力損失，考慮20%的余量，選擇型號為GSW300A空壓機(jī)［4］。

鏈傳動的傳動效率η=0.9，兩輪中心距為16000mm，有效輸送長度16000mm，輸送速度為2m/s，輸送的鋼管均重21kg，每次傳送一根鋼管，由經(jīng)驗(yàn)可選Y2-112M-8Y系列三相異步電機(jī)［5］。

1.2系統(tǒng)的動作過程

控制系統(tǒng)的簡易圖如圖1、圖2所示。

圖1　液壓系統(tǒng)原理圖

圖2　氣動系統(tǒng)原理圖

動作過程如下［6］：

第一，鋼管由傳送帶運(yùn)輸至撞擊擋板，即行程開關(guān)SB1合上。傳送鏈三相異步交流電機(jī)停止正轉(zhuǎn)。

第二，夾具夾緊鋼管（即夾具體氣缸運(yùn)動到上限位SQ3），后由推送氣缸帶動上升至上限位SQ1后停止。

第三，左右兩個同步液壓缸實(shí)現(xiàn)對鋼管頭部的擠壓（此過程由內(nèi)部時間繼電器控制）；完成設(shè)定時間的擠壓動作后，兩同步缸松開鋼管回到初始位置按下行程開關(guān)SB2后，停止運(yùn)動。

第四，推送氣缸下降，到達(dá)下限位 SQ2后（此時鋼管底面已觸及打頭機(jī)模具內(nèi)壁），推送氣缸停止運(yùn)動。

第五，鋼管上方液壓缸壓頭開始向下運(yùn)動至下極限位SQ6后，立即縮回壓頭至上限位SQ5。

第六，夾具氣缸松開鋼管，至夾具體氣缸到下限位SQ4后停止運(yùn)動。

第七，傳送帶反轉(zhuǎn)（利用內(nèi)部時間繼電器控制）3秒后停止轉(zhuǎn)動。

第八，翻轉(zhuǎn)氣缸活塞伸出后縮回（利用內(nèi)部時間繼電器完成控制），使得鋼管從傳送帶滾下，成堆擺放。

2　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)的硬件框圖

鋼管熱孔自動打頭機(jī)系統(tǒng)主要由人機(jī)界面、PLC、外部開關(guān)、限位開關(guān)、電機(jī)、電磁閥等組成，如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)的硬件框圖

外部開關(guān)和限位開關(guān)是系統(tǒng)的輸入，輸入信號傳入PLC，PLC進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算，再把動作信號傳給電機(jī)和電磁閥以控制電機(jī)和電磁閥，即控制各個回路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，同時把信號傳給人機(jī)界面用于監(jiān)控［2］。

2.2系統(tǒng)的接線原理圖及輸入輸出分配表

鋼管熱穿孔自動打頭機(jī)的控制系統(tǒng)開關(guān)、電機(jī)、電磁閥相對應(yīng)的輸入輸出，如圖4所示。其中，除了涉及到傳送鏈的控制未用到電磁鐵得失電外，其余控制過程均有方向電磁閥的電磁鐵得失電來控制回路，從而實(shí)現(xiàn)對各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作的控制［2］。

2.3控制系統(tǒng)的操作面板

系統(tǒng)的操作面板，如圖5所示。當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)到自動檔時，按下QS，熱穿孔自動液壓打頭機(jī)自動運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況需要急停時，可直接按下停止按鈕。當(dāng)液路出現(xiàn)壓力過高或者漏油壓力不足時，液路故障燈自動亮起。同樣，當(dāng)氣動回路出現(xiàn)壓力過高或者壓力不足時，氣路故障燈自動亮起，各電機(jī)都停止工作，同時系統(tǒng)的減壓回路工作，使得油路和氣動回路得到壓力卸荷［1］。

3　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖4　系統(tǒng)的接線原理圖

圖5　系統(tǒng)的操作面板

3.1系統(tǒng)的程序框圖

系統(tǒng)自動程序框圖，如圖6所示。把轉(zhuǎn)換開關(guān)置于自動控制檔，按下總啟動開關(guān)QS，則打頭機(jī)開始工作。M8002用于初始化，傳動鏈開關(guān)開啟S10狀態(tài)；擋板行程開關(guān)觸發(fā)S15狀態(tài)，傳動鏈停止，氣動回路工作，對鋼管夾緊；至夾緊缸上限位時觸發(fā)S20狀態(tài)，氣動回路工作，推送氣缸推送鋼管向上；至上限位后觸發(fā)S25狀態(tài)，氣動回路呈保壓狀態(tài)，液壓回路工作，左右活塞伸出打頭，由時間繼電器進(jìn)行控制；時間繼電器觸發(fā)S30狀態(tài)，左右活塞縮回，時間繼電器控制，采用差動缸，伸出和縮進(jìn)的時間不同，縮回速度高于伸出速度，提高了工作效率；時間繼電器觸發(fā)S35狀態(tài)，氣動回路工作，推送氣缸下行至下限位；下限位開關(guān)觸發(fā)S40狀態(tài)，液壓回路工作，上活塞下行，對鋼管進(jìn)行上下打頭，至下限位；下限位開關(guān)觸發(fā)S45狀態(tài)，液壓回路工作，活塞上行，縮回至原位；上限位開關(guān)觸發(fā)S50狀態(tài)，氣動回路工作，夾緊缸松開；下限位開關(guān)觸發(fā)S55狀態(tài)，鏈傳動反轉(zhuǎn)，時間繼電器控制；時間繼電器觸發(fā)S60狀態(tài)，鏈傳動電機(jī)停止，氣動回路工作，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作，鋼管從傳動鏈上滾至集中堆放處，由時間繼電器控制。依次循環(huán)，完成鋼管的加工［6］。

3.2系統(tǒng)的軟件梯形圖編輯

（1）左右同步缸打頭控制程序。左右同步缸打頭控制程序，如圖7所示。X001為夾具體的上限位開關(guān)，當(dāng)夾具體運(yùn)動到此處時，則開始左右打頭。為安全起見，Y003與Y002不可以同時得電，即采用Y003的常閉觸點(diǎn)來限制Y002的得電。由于鋼管壁厚不均勻，故采用PLC內(nèi)部時間繼電器對打頭進(jìn)行控制，左右打頭的時間控制在1.2秒，并采用線圈KM1使得Y023、Y001、Y002、Y004在一定時間內(nèi)持續(xù)得電［2］。

圖6　系統(tǒng)自動程序框圖

圖7　左右同步缸打頭控制程序

（2）上打頭液壓缸下行控制程序。X002為夾具體的下限位開關(guān)，當(dāng)夾具體運(yùn)動到此處時，則開始上下打頭，由于上下打頭可設(shè)置限位開關(guān)，而且利用時間繼電器來控制的話有可能造成鋼管壓不實(shí)的問題，故上液壓缸的活塞觸發(fā)下限位開關(guān)后才停止下行，同時為了使Y023，Y005可持續(xù)的得電，利用KM1線圈并聯(lián)，直至X006得電使得其常閉觸點(diǎn)打開后停止［2］。

圖8　上打頭液壓缸下行控制程序

4　結(jié)語

該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)鋼管打頭處理的完全自動化，可以一人操作幾臺設(shè)備，甚至實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)。設(shè)備操作方便，對操作者技能要求較低，對于提高生產(chǎn)率、減少工人疲勞強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)成本控制、保證產(chǎn)品質(zhì)量，都具有極大的幫助。它改變了傳統(tǒng)的繼電器控制，采用PLC控制改善原來控制部件體積大、控制誤差過大、可靠性不高、生產(chǎn)工作環(huán)境差、可擴(kuò)展性能不足等不足，值得在中小型鋼管廠推廣。

［1］劉忠，胡朝斌，劉勇.液壓與氣動技術(shù)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2014：65-279.

［2］范永勝，王岷.電氣控制與 PLC應(yīng)用［M］.三版.北京：中國電力出版社，2014：1-177.

［3］龔仲華，史建成，孫毅.三菱FX/Q系列PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.人民郵電出版社，2006：88-156.

［4］秦大同，謝里陽.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015：303-491.

［5］詹德運(yùn).鏈傳動的動力計(jì)算［Z］.肉類工業(yè)，1993.

［6］王守城，段俊勇.液壓系統(tǒng)PLC控制實(shí)例精解［M］.北京：中國電力出版社，2013.

Φ40 Steel Tube Hot Piercing Hydraulic Automatic Pneumatic Control System for Heading Machine

GUAN Jianfeng，WANG Xin，ZHANG Jianxue，WU Bizhong
（Changshu Institute Of Technology，Changshu 215500）

For the individual firm，the degree of automation has very important significance.It could change and drastically improve productsafety，hirefeweremployees，improvetheenterprise’s profit-make capability and economic benefit and also could impress their customers.After analyzed the traditional head equipment and use PLC controller，we propose a head machine’s hydraulic and pneumatic control scheme based on hydraulic and pneumatic transmission and take the FX2N48MR-001 PLC as the centre.This control scheme use easy control program，which can control electromagnet the gain and loss of electricity.In order to control the transmission and action of the whole system.The practice shows that the method is reasonable and possible and can meet the needs of manufacture of Φ40 Steel Pipe.

Head machine，control system，PLC，Hydraulic and pneumatic power take off system