劉雅昆，張成俊，李冬冬，戴健雄

基于PLC的紗筒套袋控制系統(tǒng)設(shè)計

劉雅昆，張成俊*，李冬冬，戴健雄

（武漢紡織大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430200）

為解決企業(yè)紗筒送料、套袋和剪切紗料三個工藝步驟中工人勞動強度大的問題，根據(jù)企業(yè)的要求，設(shè)計出一種自動化的送料、紗料套袋及剪切的機械設(shè)備，根據(jù)生產(chǎn)過程的工藝動作，設(shè)計了機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了紗料的套袋和剪切過程的PLC自動化控制?？刂七^程做到了無人看守，同時送料的效率和紗料的剪切質(zhì)量都顯著提高，降低了工人的勞動強度和企業(yè)的人工成本。

機械設(shè)備；紗筒送料；剪切；自動控制；PLC

在鞋襪紡織品的生產(chǎn)過程種，需要對布料進行送料，套袋和剪切。送料、套袋和裁剪存在大量的手工作業(yè)，目前，僅在小范圍可以應(yīng)用半自動、純機械的設(shè)備。隨著市場對鞋襪紡織品的需求與日俱增，生產(chǎn)廠家必須提高送料、套袋和剪切的效率，從而保證該類產(chǎn)品的及時高效供應(yīng)。因此實現(xiàn)自動化的紗筒套袋、送料和剪切具有重要的實踐意義。

1 設(shè)計目的

紗筒套袋機的機構(gòu)主要由機械系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成[1]。該設(shè)備在水平方向，同一個水平高度上完成套入[2]動作。設(shè)備的目的是將圓柱體筒殼套進紗料里面去并剪斷紗料。如圖1所示，紗料和筒殼完成套袋和剪斷紗料后的成品。

圖1 紗筒套袋工藝圖

2 紗筒套袋機設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該設(shè)備將排放不一的紗筒經(jīng)過紗筒上料機構(gòu)有序的排列在一起，在經(jīng)傳送機構(gòu)[3]到達套入機構(gòu)等待套紗。紗料裝置在固定的紗臺上，當(dāng)紗筒在套入機構(gòu)等待套入時，傳感器將紗筒的位置狀態(tài)信息傳給PLC，PLC做出反應(yīng)，控制牽引機構(gòu)和夾紗機構(gòu)動作。牽引機構(gòu)到達預(yù)定位置給出信號，PLC接受信號并且給夾紗機構(gòu)的夾爪信號，夾爪氣缸張開。PLC根據(jù)紗料固定處的傳感器傳入的信息，判斷紗料是否已經(jīng)固定好并且在預(yù)定的位置。當(dāng)紗料已經(jīng)固定好并且傳感器給出信號，這時PLC給出信號，夾爪動作夾取[4]紗料。牽引機構(gòu)帶動夾緊紗料的氣缸一同運動到達預(yù)定位置。接著紗料裁剪機構(gòu)由推送臺到預(yù)定位置，剪切機構(gòu)[5]張開然后剪切。

2.1 紗筒上料排序過程

紗筒上料機構(gòu)主要由提升電機、機架、一定斜度的紗筒滑道、氣缸、豎直擋板、光電傳感器氣缸磁性傳感器組成。機構(gòu)工作時，由提升電機將紗筒提升至紗筒滑道的入口處，入口處有光電開關(guān)1，在重力的作用下，紗筒從滑道入口下滑。此時光電開關(guān)1計數(shù)一次，當(dāng)光電開關(guān)計數(shù)次數(shù)達到PLC的預(yù)設(shè)值[6]時，提升電機停止提升紗筒。已經(jīng)計數(shù)的紗筒由擋塊氣缸2連接的擋板擋住，由于重力的作用和滑道的寬幅限制，紗筒在擋塊氣缸2的擋板前方停住并且已經(jīng)排列好。擋板氣缸1連接的擋板在擋板氣缸2的前方處于上極限位置和擋板2正好相差一個紗筒的直徑。

圖2 機器總體結(jié)構(gòu)圖

擋板氣缸3、4位于滑道上擋板氣缸2的后方，具體位置就是紗筒被套入的工位。此時擋板氣缸1下運動把和擋板2接觸的紗筒和后面的紗筒剝離出來，當(dāng)擋板氣缸1到達下極限時，氣缸1下端的磁性傳感器被觸發(fā)，PLC接受信號并觸發(fā)擋板氣缸2向上運動。被剝離的紗筒此時順著滑道下滑，經(jīng)過擋板氣缸3，此時的擋板氣缸3處于上極限不會擋住紗筒的下滑，直到紗筒下滑到達擋板氣缸4被擋住。此時擋板氣缸4處的光電傳感器被擋住，傳感器觸發(fā)。PLC接受信號并觸發(fā)擋板氣缸3向下運動到下極限，同時擋塊氣缸1上運動到上極限，擋塊氣缸2下運動到下極限。

被擋板1擋住的紗筒因為擋板1的上升和自身重力作用下，順著滑道到達擋板2的前端并且被擋板2擋住。擋板1的上極限磁性傳感器，擋板2的下極限磁性傳感器，已經(jīng)擋塊氣缸1處的光電傳感器同時被觸發(fā)。PLC根據(jù)輸入信號并做出下面反應(yīng)，擋塊氣缸1向下運動剝離第二個紗筒，同時擋塊氣缸2向上運動，被剝離的第二個紗筒順著滑道下滑，直到被擋塊氣缸3處的擋板擋住并觸發(fā)擋板出的光電傳感器。PLC根據(jù)此時的輸入信號信息，擋塊氣缸1再次向上運動，擋塊氣缸2再次向上運動。被擋塊氣缸1擋住的紗筒順利滑道擋塊氣缸2的擋板前被擋住。等待下一次的剝離。在紗筒被剝離的過程中，光電開關(guān)2同時也作為減計數(shù)開關(guān)，每次被擋，PLC用來給紗筒計數(shù)的計數(shù)器就減一，當(dāng)計數(shù)器的值小于設(shè)定值時，提升電機開啟，給送料架子提供紗筒。

2.2 套紗和剪切過程

套紗和剪切機構(gòu)主要由安裝機架、紗筒推送機構(gòu)、牽引機構(gòu)、夾爪氣缸、剪切推送臺，剪切氣缸、光電傳感器、磁性傳感器和紗料臺組成。工作過程：當(dāng)紗筒到達預(yù)定位置，位于兩個紗筒固定區(qū)域的光電傳感器被擋住，PLC接收信號并觸發(fā)牽引機構(gòu)前進，牽引機構(gòu)是由牽引氣缸筒通過連接板連接夾爪氣缸組合而成。當(dāng)牽引機構(gòu)前進，夾爪氣缸被帶動一起前進，同時夾爪氣缸的夾爪張開。當(dāng)牽引機構(gòu)到達前極限，牽引氣缸的前極限磁性開關(guān)被觸發(fā)。紗料臺的紗料已經(jīng)準(zhǔn)備好，光電開關(guān)就會被遮擋，信號傳入PLC。牽引氣缸的前極限磁性開關(guān)和紗料臺的光電開關(guān)同時被觸發(fā)，PLC給出信號。夾爪氣缸夾緊紗料，牽引機構(gòu)通過連接板帶動夾爪氣缸往回運動，這樣紗料就被牽引出來并且張緊了。當(dāng)牽引機構(gòu)帶動夾爪氣缸牽引紗料到達后極限位置，剪切推送臺推動張開的剪切氣缸到達預(yù)定的位置，同時紗筒推送氣缸推動紗筒套入紗料內(nèi)并且剪切氣缸剪斷紗料，完成一次套紗和剪切的過程，然后各氣缸復(fù)位。

3 氣壓傳動系統(tǒng)設(shè)計

通過對紗筒套袋機的工作原理分析，設(shè)計了氣動控制系統(tǒng)[7]?？刂葡到y(tǒng)回路如圖3所示。由氣源、氣動三聯(lián)件、電磁換向閥、氣缸組成[8]。選用兩位五通電磁換向閥，并通過控制電磁鐵的通斷電實行氣缸的換向。為了在運行過程中較好的控制氣缸的運行速度，同時在調(diào)試過程中提高調(diào)試效率，在每個氣缸的進氣主回路上加裝調(diào)速閥。

1.分水濾氣器，2.減壓閥，3.油霧器，4.二位五通電磁換向閥，5.擋塊氣缸1，6.擋塊氣缸2，19.夾爪氣缸1～4，20.夾爪氣缸5～8.

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

套紗和剪切機采用PLC控制。為使紗筒定位準(zhǔn)確，紗筒進料區(qū)選用高精度光電傳感器。此外，考慮到環(huán)保和結(jié)構(gòu)的簡單可靠，紗筒進料區(qū)定位機構(gòu)、紗筒推送機構(gòu)、紗料牽伸機構(gòu)、剪紗臺機構(gòu)、剪切機構(gòu)均采用氣缸驅(qū)動控制。為了方便操作、調(diào)試和監(jiān)控，采用觸摸屏實現(xiàn)人機對話，滿足套紗和剪切的需要。

4.1 PLC輸入輸出點的分配

如表1所示，根據(jù)控制需要，需滿足輸入點55個，輸出點31個，選用COTRUST-226H晶體管型PLC，由于輸入輸出點不夠用，所以擴展兩個EM223數(shù)字量輸入輸出模塊。此外添加停止復(fù)位按鈕，使每次開機都能初始化復(fù)位。

4.2 PLC程序流程設(shè)計

PLC控制程序采用順序控制的形式，按設(shè)定的順序，逐步執(zhí)行。順序功能圖屬于一種圖形化編程方法，是用流程圖表示一個順序過程，包括步驟、轉(zhuǎn)化條件及有向連線。為了方便PLC控制程序的編寫，根據(jù)紗筒套袋機設(shè)備的運行流程繪制的控制流程圖如圖4所示。按照控制流程圖繪制了圖5所示的PLC程序順序功能圖。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計了紗筒套袋機的機械結(jié)構(gòu)，氣動以及PLC控制系統(tǒng)，編寫了相應(yīng)的控制流程圖和程序順序功能圖，對后續(xù)設(shè)備的改進提供了實物和理論基礎(chǔ)。紗筒套袋機構(gòu)上，根據(jù)紗筒的形狀特點，特別的利用重力的作用，設(shè)計上料的滑道和紗筒的固定區(qū)域，使紗筒能高效的定位。本紗筒套袋機，操作簡單靈活，節(jié)約人力成本，提高了紗筒套袋的效率和紗料剪切的質(zhì)量。

圖4 PLC控制流程圖

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Design of Control System for Bobbin Bagging Based on PLC

LIU Ya-kun, ZHANG Cheng-jun, LI Dong-dong, DAI Jian-xiong

(School of Mechanical Engineering and automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

In order to solve the problem of high labor intensity of workers in the three process steps of bobbin feeding, bagging and yarn cutting, according to the requirements of the enterprise, an automatic mechanical equipment for feeding, bagging and shearing of yarn is designed. According to the technological action of the production process, the mechanical structure and control system are designed. The PLC automatic control of bagging and shearing process of yarn is realized. At the same time, the feeding efficiency and yarn cutting quality are improved significantly. It reduces the labor intensity of enterprise workers and the labor cost of enterprises.

mechanical equipment; bobbin feeding; shearing; auto-control; PLC

張成俊（1979-），男，教授，研究方向：機電一體化控制、針織機械設(shè)計與控制.

TH692

B

2095－414X(2021)03－0003－04