楊若凡， 畢占龍， 任燕珍， 盧 爽， 張國梁*

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧木匠創(chuàng)新工作室，河北 保定 071000)

復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步促使工業(yè)化的板坯鋪裝技術(shù)不斷革新，出現(xiàn)了機(jī)械式、氣流式、混合式和分級(jí)式等鋪裝類型[1-3]，但多不適用于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研發(fā)用鋪裝工藝，為此筆者開發(fā)了面向?qū)嶒?yàn)室的轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型機(jī)構(gòu)[4-6]。機(jī)構(gòu)和設(shè)備的高效運(yùn)行離不開自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以中密度纖維板連續(xù)平壓生產(chǎn)線為例，連續(xù)預(yù)壓機(jī)的同步提升[7]，連續(xù)平壓機(jī)的入口角度控制[8-10]、同步升降[11-12]、鋼帶拖動(dòng)與調(diào)偏[13]、熱壓[14-15]等動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)皆依賴于以PLC為核心的控制系統(tǒng)。而為節(jié)約成本，在小型化或單機(jī)設(shè)備中，西門子S7-200SMART或S7-1200等小/中型PLC得以廣泛應(yīng)用。本文以所研發(fā)的轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型機(jī)構(gòu)為控制對(duì)象，開發(fā)基于PLC控制的手/自一體的纖維/刨花鋪裝系統(tǒng)，通過PLC控制三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和一臺(tái)三相交流異步電機(jī)等執(zhí)行元件，完成平臺(tái)歸零、下降、鋪裝、轉(zhuǎn)臺(tái)分度等工序[16-19]。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能

轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由PLC控制裝置、HMI人機(jī)交互界面、位置檢測元件、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、三相交流異步電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)以及機(jī)械裝置組成。

轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)的工作原理：PLC控制裝置接受位置檢測元件如光電開關(guān)的信號(hào)后和HMI人機(jī)交互界面的指令后，產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令并通過步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和三相交流異步電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置中的各機(jī)構(gòu)完成平臺(tái)升降和歸零、耙輥主運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)分度等功能。

如圖2所示，轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)的機(jī)械裝置包括機(jī)架、轉(zhuǎn)臺(tái)單元、耙輥單元、傳動(dòng)鏈條系統(tǒng)、傳動(dòng)絲杠和電機(jī)等，該機(jī)械裝置可實(shí)現(xiàn)如下功能。

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)機(jī)械裝置1.轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)；2.轉(zhuǎn)臺(tái)單元機(jī)體；3.轉(zhuǎn)臺(tái)；4.往復(fù)運(yùn)動(dòng)電機(jī)；5.主電機(jī)；6.升降電機(jī)；7.升降傳動(dòng)鏈；8.限位支架；9.往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈輪；10 耙輥；11 立柱

(1)歸零和升降：限位支架上安裝有確定耙輥單元零位的光電開關(guān)，平臺(tái)升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)兩側(cè)的螺母絲杠工作，實(shí)現(xiàn)耙輥單元的歸零和升降。

(2)鋪裝：基于農(nóng)業(yè)機(jī)械耕整地中圓盤耙的工作原理，設(shè)置了可實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的耙輥單元，在耙輥上螺旋布置有梳齒；耙輥旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)分別依靠兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；耙輥軸與主電機(jī)通過聯(lián)軸器直連；耙輥單元與往復(fù)運(yùn)動(dòng)電機(jī)之間依靠鏈條傳動(dòng)并在300 mm范圍內(nèi)反復(fù)運(yùn)動(dòng)。

(3)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)分度：當(dāng)在耙輥主運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)共同作用下完成一定的鋪裝次數(shù)或者時(shí)間后，轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)載有纖維的轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°，而后耙輥的鋪裝動(dòng)作繼續(xù)；當(dāng)鋪裝動(dòng)作結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺(tái)再回轉(zhuǎn)到0°位置，便于鋪好的纖維板坯和其下的墊板從轉(zhuǎn)臺(tái)上撤出。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制

2.1 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)中，耙輥旋轉(zhuǎn)主電機(jī)、耙輥往復(fù)運(yùn)動(dòng)電機(jī)和平臺(tái)升降電機(jī)皆為步進(jìn)電機(jī)，采用86BYGH型，步距角1.8°，引線數(shù)為4。配套元件：①步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：2MA860H、峰值電流4.3 A，設(shè)置細(xì)分等級(jí)為50，10 000步/圈；采用共陰極極限方式，并與PLC輸出端間串接2 kΩ，1 W的電阻1個(gè)；②供電變壓器：HBK-700VA，輸入電壓：交流220 V，輸出電壓：交流80 V。

轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。其中，PLS+為脈沖信號(hào)輸入端；DIR+為方向信號(hào)輸入端；ENA+為電機(jī)軸使能控制端口；PLS-、DIR-和ENA-共接直流電源負(fù)極?？刂破鱏T40PLC由Q0.0、Q0.1和Q0.3產(chǎn)生三路高速脈沖分別控制三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。

圖3 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

2.2 三相交流異步電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)

三相交流異步電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，選用一臺(tái)三相交流異步電動(dòng)機(jī)和變頻器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。所用主要驅(qū)動(dòng)元件見表1，結(jié)構(gòu)框架如圖4所示，其中PLC通過Q1.4和Q1.5輸出點(diǎn)控制兩個(gè)中間繼電器，繼而控制轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并通過電位計(jì)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

表1 三相交流異步電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)元件列表

圖4 三相交流異步電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

3 轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 HMI組態(tài)

應(yīng)用WinCC flexible SMART V3軟件組態(tài)人機(jī)交互界面如圖5所示。主界面中可以選擇手動(dòng)還是自動(dòng)鋪裝；當(dāng)在自動(dòng)鋪裝界面中輸入從“纖維質(zhì)量”到“平臺(tái)零位高度”等具體參數(shù)后，系統(tǒng)根據(jù)鋪裝工藝自動(dòng)計(jì)算出“鋪裝高度”并顯示。自動(dòng)鋪裝狀態(tài)下的系統(tǒng)數(shù)據(jù)分別用于控制耙輥旋轉(zhuǎn)主速度、往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度、往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)和平臺(tái)升降速度。

圖5 HMI組態(tài)

三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制軸的組態(tài)參數(shù)一致，見表2。

表2 步進(jìn)電機(jī)軸組態(tài)參數(shù)

3.2 手動(dòng)控制方式

手動(dòng)方式完成四項(xiàng)基本功能，分別對(duì)應(yīng)圖5中主界面的耙輥往復(fù)運(yùn)動(dòng)手動(dòng)控制、耙輥主運(yùn)動(dòng)手動(dòng)控制、轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)分度手動(dòng)控制和轉(zhuǎn)臺(tái)升降手動(dòng)控制。

以耙輥主運(yùn)動(dòng)手動(dòng)控制為例，包括三項(xiàng)基本內(nèi)容：驅(qū)動(dòng)使能和急停；手動(dòng)RUN使能和速度控制；點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)?！膀?qū)動(dòng)使能和急停”控制耙輥軸的使能信號(hào)；“手動(dòng)RUN使能和速度控制”使運(yùn)動(dòng)軸按指定方向加速至指定的速度；“點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)”控制耙輥軸的正反向。

3.3 自動(dòng)控制流程

自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)從開機(jī)到鋪裝共計(jì)7個(gè)順序工步的控制，控制流程如圖6所示。

圖6 自動(dòng)控制流程

根據(jù)圖6，以順序功能圖的方式編寫梯形圖程序并下載、調(diào)試、修改，完成轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。

4 轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 物理樣機(jī)

研制完成的轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)物理樣機(jī)如圖7所示，電控柜內(nèi)部元件配置如圖8所示。

4.2 試驗(yàn)過程和結(jié)果

在人機(jī)界面中輸入工藝參數(shù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，見表3。其中“平臺(tái)零位高度”指轉(zhuǎn)臺(tái)與升降平臺(tái)同高時(shí)，升降平臺(tái)與上限位即機(jī)械零位開關(guān)的距離。

工藝參數(shù)設(shè)定并確定后，在自動(dòng)鋪裝界面中的“鋪裝高度”一欄自動(dòng)顯示數(shù)據(jù)為25.397 mm。

將電控柜面板上的手/自轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)至“自動(dòng)”，然后按下啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)鋪裝程序開始運(yùn)行，所有元件的動(dòng)作狀態(tài)皆按照程序設(shè)定的控制流程動(dòng)作，各元件的狀態(tài)均可正常顯示在HMI。試驗(yàn)中的動(dòng)作過程見表4。

表4 試驗(yàn)現(xiàn)象和順序動(dòng)作

5 結(jié)論

(1)建立了基于PLC的轉(zhuǎn)臺(tái)式纖維板鋪裝成型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械裝置與電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有效連接。

(2)該系統(tǒng)在自動(dòng)方式下可實(shí)現(xiàn)歸零、置位、鋪裝、轉(zhuǎn)臺(tái)分度、復(fù)位等功能，有利于提高鋪裝效率和精度。