□ 蔡漢明 □ 董新華 □ 郝同暉 □ 常瑞鵬

青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院 山東青島 266061

自動切割圓管設(shè)備是一種用于切割單根圓管的自動化機械設(shè)備，針對不同長度和材料的圓管，實現(xiàn)自動切割。半自動化切割圓管設(shè)備是較為常見的設(shè)備，但是很難獲得更高的工作效率［1］，而全自動切割圓管設(shè)備具有更廣闊的發(fā)展空間，需要進(jìn)一步探索［2］。

通過借鑒半自動化切割圓管設(shè)備的有關(guān)資料，基于可編程序控制器（PLC）設(shè)計了一種新型自動切割圓管設(shè)備，根據(jù)所需尺寸可切割出定長的圓管，具有自動、手動及單循環(huán)三種控制模式，可實現(xiàn)夾緊、送料及切割動作［3］。

1 自動切割圓管設(shè)備概述

基于PLC的自動切割圓管設(shè)備，其工作原理與半自動切割圓管設(shè)備類似，即夾緊機構(gòu)檢測到有圓管時自動夾緊，送料氣缸伸出推動圓管，到達(dá)指定位置后升降機構(gòu)下降進(jìn)行切割。整個切割圓管設(shè)備由三大部分組成。第一部分是夾緊部分，用于夾緊圓管。第二部分是送料部分，送料氣缸伸出，推動夾緊機構(gòu)到達(dá)指定切割位置。第三部分是升降及切割部分。自動切割圓管設(shè)備如圖1所示。

2 氣動系統(tǒng)

自動切割圓管設(shè)備以氣缸作為執(zhí)行元件，工作時三個氣缸和一臺電動機按照預(yù)定的程序先后動作，其氣動系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

（1）系統(tǒng)過壓卸載保護(hù)控制。當(dāng)系統(tǒng)通電后，電動機帶動氣壓泵工作。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過預(yù)設(shè)的壓力值時，西門子S7-1200系列PLC通過控制電磁換向閥7YA得電，使多余的氣體從溢流閥的先導(dǎo)閥口迅速排出。當(dāng)系統(tǒng)壓力在正常范圍之內(nèi)時，PLC通過控制電磁換向閥7YA失電，使兩位兩通電磁換向閥閥口關(guān)閉，氣壓泵恢復(fù)常態(tài)。

（2）系統(tǒng)回原點控制。系統(tǒng)通電之前，各個電磁換向閥處于中位，閥口均關(guān)閉。系統(tǒng)通電之后，無論各氣缸運行到何處，都將默認(rèn)進(jìn)入初始化狀態(tài)，各氣缸磁感應(yīng)開關(guān)、壓力表及電磁閥進(jìn)入自檢狀態(tài)。若夾緊氣缸的左端磁感應(yīng)器未檢測到缸桿到位，則系統(tǒng)首先執(zhí)行送料氣缸回原點動作，再使電磁閥右位3YA得電，夾緊氣缸缸桿縮回到原點。若送料氣缸的左端磁感應(yīng)器未檢測到缸桿到位，則電磁閥右位2YA得電，使送料氣缸的缸桿左移到最左端。若升降氣缸的上端磁感應(yīng)器未檢測到缸桿到位，則系統(tǒng)首先按順序分別執(zhí)行夾緊氣缸和送料氣缸回原點動作，再使電磁閥右位6YA得電，執(zhí)行升降氣缸回原點動作，并使電動機停止運行。

▲圖1 自動切割圓管設(shè)備示意圖

▲圖2 自動切割圓管設(shè)備氣動系統(tǒng)原理圖

（3）系統(tǒng)正常工作的手動控制模式。當(dāng)整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化之后，系統(tǒng)將一直保持無動作運行，此時用戶可根據(jù)自己的需求選擇手動、單循環(huán)和自動三種模式中的一種。在手動模式下，電磁閥1YA得電時，送料氣缸缸桿伸出執(zhí)行送料動作。電磁閥2YA得電時，送料氣缸缸桿執(zhí)行快退動作。電磁閥3YA得電時，夾緊氣缸缸桿執(zhí)行夾緊動作。電磁閥4YA得電時，夾緊氣缸缸桿執(zhí)行松開動作。電磁閥5YA得電時，升降氣缸缸桿執(zhí)行縮回動作，且電動機開始運轉(zhuǎn)，執(zhí)行切割動作。電磁閥6YA得電時，升降氣缸缸桿伸出，且電動機停止運行。

（4）系統(tǒng)正常工作的自動控制模式。系統(tǒng)通電進(jìn)入初始化后，在自動控制模式下，設(shè)備執(zhí)行預(yù)先設(shè)定順序的動作，依次為夾緊、送料、氣缸升降及切割。當(dāng)需要切割短材料時，設(shè)備執(zhí)行夾緊和送料動作之后，夾緊氣缸和送料氣缸返回原點位置，傳感器未檢測到圓管到位，此時還需執(zhí)行多次夾緊和送料動作，直到傳感器檢測到圓管到位，然后氣缸下降執(zhí)行切割動作。由于圓管的總長度視為無限長，且需要設(shè)備長時間連續(xù)工作，因此有必要循環(huán)執(zhí)行以上動作。自動切割圓管設(shè)備工作流程如圖3所示。

▲圖3 系統(tǒng)自動控制模式流程圖

（5）系統(tǒng)正常工作的單循環(huán)控制模式。單循環(huán)控制模式是在自動控制模式的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。單循環(huán)控制模式下，系統(tǒng)以切割動作的完成作為程序結(jié)束的標(biāo)志，僅執(zhí)行一次，所有氣缸動作完成后立即執(zhí)行回原點動作，否則后續(xù)控制動作將無法正常進(jìn)行。

（6）信號報警控制。當(dāng)系統(tǒng)處于正常狀態(tài)工作時，由傳感器檢測工作臺上有無圓管，若工作臺上突然沒有圓管，為了防止設(shè)備誤動作，報警燈立即報警，此時系統(tǒng)停止工作，各個氣缸自動返回原點，同時電動機立即停轉(zhuǎn)。系統(tǒng)將直至檢測到有圓管信號后再次執(zhí)行動作。

3 控制系統(tǒng)

3.1 硬件配置

自動切割圓管設(shè)備選擇西門子S7-1200系列PLC，這一系列PLC體積小，質(zhì)量輕，響應(yīng)速度快，工作性能穩(wěn)定可靠［4］。控制系統(tǒng)主要包括PLC、直流隔離電源、兩臺電動機、換向閥、各種開關(guān)、按鈕、光電傳感器、磁感應(yīng)器等，硬件選型見表1。

自動切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)硬件如圖4所示。

▲圖4 自動切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)硬件

表1 控制系統(tǒng)硬件選型

3.2 PLC接線

自動切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)PLC外部接線如圖5所示。自動切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)的程序編寫是比較復(fù)雜的，因其不僅有手動、自動、單循環(huán)三種控制模式，而且有報警、蜂鳴器、自檢等輔助程序［5-6］。

▲圖5 自動切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)PLC外部接線圖

3.3 程序設(shè)計

自動控制切割圓管設(shè)備的三種控制模式是互不干擾的，所以程序中的三個功能塊是相互獨立的［7-8］。在TIA Portal軟件的主程序中調(diào)用手動和自動程序功能塊非常方便。梯形圖程序采用順序控制法設(shè)計，利用輔助線圈的自鎖和互鎖實現(xiàn)控制功能［9］。自動切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)自動控制模式編程如圖6所示。

▲圖6 自動切割圓管設(shè)備控制系統(tǒng)自動控制模式編程

4 檢驗測試

選用不同長度的圓管進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 自動切割圓管設(shè)備測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明，自動切割圓管設(shè)備的機械設(shè)計和控制方案是合理的。因為要為精加工留有余量，所以客戶規(guī)定的余量要求為0～5 mm，使用游標(biāo)卡尺所測得的測試數(shù)據(jù)誤差在0～4 mm之間，滿足客戶要求［10］。測試證明自動切割圓管設(shè)備的總體設(shè)計和控制方案是可行的。

5 結(jié)論

自動切割圓管設(shè)備基于市場需求設(shè)計，在分析工作原理和邏輯控制的基礎(chǔ)上，采用PLC控制，具有可靠性高、使用維護(hù)方便、抗干擾能力強、易學(xué)易用等特點［10］。設(shè)備經(jīng)多次試用，證明了控制方式和設(shè)計方案是可行的，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性良好。

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［5］高安邦，石磊，胡乃文.三菱FX/A/Q系列PLC自學(xué)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2013.

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［7］周美蘭，周封，徐永明.PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［8］梁慧斌，李學(xué)華.西門子PLC在空壓機站智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤礦機械，2012（4）：208-211.

［9］高安邦，石磊，張曉輝.典型工控電氣設(shè)備應(yīng)用與維護(hù)自學(xué)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2015.

［10］謝振江，王樹彩，魏義輝.游標(biāo)卡尺的檢定與修理問答［M］.北京：中國計量出版社，1991.