袁有明 黃晶 龐杰林 肖再敏

摘要：電工合金材料的冷拉拔工藝是使用拉絲機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。本文簡(jiǎn)要介紹了一款由編碼器、觸摸屏、變頻器、測(cè)距傳感器、PLC等構(gòu)成的拉絲機(jī)斷絲保護(hù)裝置，通過增加編碼器及測(cè)距傳感器的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的斷絲停機(jī)、缺料停機(jī)及卡盤停機(jī)等功能，確保設(shè)備在自動(dòng)運(yùn)行的情況下穩(wěn)定可靠。保證生產(chǎn)的線材成品的外觀，抗拉強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能合格、穩(wěn)定，以實(shí)現(xiàn)拉絲工藝的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：拉絲機(jī) 編碼器 電工合金 PLC

1引言

拉絲機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備[1]，主要應(yīng)用在銅合金、不銹鋼及銀基合金材料的拉拔加工，因其良好的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性而廣泛應(yīng)用于各種金屬加工領(lǐng)域[3]。然而，傳統(tǒng)的拉絲機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備在自動(dòng)控制方面較為缺乏，除了必備的啟動(dòng)、停止及急停操作外，無(wú)其他電氣控制功能。在設(shè)備的電氣系統(tǒng)構(gòu)造方面，傳統(tǒng)拉絲機(jī)配備了三相異步電動(dòng)機(jī)、變頻器、空氣開關(guān)、交流接觸器及一些用于啟保停電路的啟停按鈕等，在產(chǎn)品加工工藝上存在一些不可避免的缺陷，比如：①拉絲過程中線材拉斷后設(shè)備無(wú)法自動(dòng)停機(jī)，造成線材排線錯(cuò)亂，從而導(dǎo)致線材表面刮花;②在線材絞絲、卡盤的情況下，設(shè)備無(wú)法自動(dòng)停機(jī)，造成線材的抗拉強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能不合格;③拉絲結(jié)束時(shí)設(shè)備無(wú)法自動(dòng)停機(jī)，需要人為干預(yù)，降低了生產(chǎn)效率，增加了勞動(dòng)成本等。針對(duì)這些缺陷，如何改進(jìn)設(shè)備功能，提高設(shè)備工藝穩(wěn)定性，節(jié)約成本一直是各個(gè)企業(yè)重點(diǎn)研究的課題。因此，需設(shè)計(jì)一種自動(dòng)控制裝置，既能實(shí)現(xiàn)拉絲機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，又能改善拉絲機(jī)的拉拔工藝，使企業(yè)降本增效、擴(kuò)大收益。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種利用編碼器、變頻器、測(cè)距傳感器及基于三菱FX系列PLC的拉絲機(jī)斷絲保護(hù)裝置，利用PLC的各種邏輯控制功能，通過硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)拉絲機(jī)的控制及工藝缺陷。

2裝置構(gòu)成原理

拉絲機(jī)斷絲保護(hù)裝置由編碼器、觸摸屏、變頻器、測(cè)距傳感器、PLC等構(gòu)成。PLC作為裝置的核心，接受各種傳感器信號(hào)，控制設(shè)備上的各個(gè)電氣部件穩(wěn)定運(yùn)行，構(gòu)成原理圖如下：

2.1 變頻器工藝設(shè)計(jì)

合金線材的加工性能不穩(wěn)定大多數(shù)是由拉絲速度不穩(wěn)定造成的，因此線材拉拔時(shí)需對(duì)拉絲速度嚴(yán)格控制，拉絲機(jī)的轉(zhuǎn)速必須保持穩(wěn)定。變頻器的控制方式為無(wú)速度傳感器矢量控制，能夠?qū)崿F(xiàn)緊急停機(jī)。通過觸摸屏設(shè)定參數(shù)，由PLC模擬輸出模塊提供給變頻器的模擬信號(hào)輸入，準(zhǔn)確的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速[3]。在拉絲開始時(shí)為預(yù)拉階段，該階段線材緩慢提速避免拉斷，則控制電機(jī)以極低的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，并在預(yù)拉的過程中逐漸提高轉(zhuǎn)速，直至速度恒定;變頻器的耐波動(dòng)性可保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定;拉絲結(jié)束的尾段均勻降低轉(zhuǎn)速直至停止，確保線材拉絲工藝穩(wěn)定，同時(shí)變頻器的急停功能可以保證設(shè)備在出現(xiàn)故障或者事故時(shí)緊急停止[3]。

2.2 卡盤停機(jī)功能設(shè)計(jì)

線材卡盤在生產(chǎn)過程中發(fā)生的頻率很高，其原因主要是線材加工過程中進(jìn)行退火時(shí)發(fā)生材料粘連，在放料盤中無(wú)法自動(dòng)排料。當(dāng)發(fā)生卡盤時(shí)，放料盤隨線材被拉動(dòng)至校直器處。如果設(shè)備不能識(shí)別卡盤，線材就會(huì)被拉斷，進(jìn)而影響線材的外觀、力學(xué)性能。為此在校直器下方設(shè)計(jì)安裝測(cè)距傳感器，當(dāng)發(fā)生卡盤時(shí)，料盤與校直器的距離減小，當(dāng)距離小于在觸摸屏上設(shè)置的傳感器的檢測(cè)閥值時(shí)，由PLC控制變頻器緊急停止，避免線材拉斷，改善產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3 斷絲檢測(cè)功能設(shè)計(jì)

拉絲模具與拉絲筒之間發(fā)生線材斷裂時(shí)，放料盤停止放料，加入編碼器可實(shí)現(xiàn)斷絲檢測(cè)。具體的工作原理為：在拉絲模具前端放置一個(gè)帶有圓形滾輪的編碼器，滾輪壓在線材上，用于判斷滾輪是否旋轉(zhuǎn)，在現(xiàn)實(shí)的使用環(huán)境中，當(dāng)線材斷裂后，滾輪停止旋轉(zhuǎn)，PLC程序中設(shè)置了運(yùn)行時(shí)滾輪的監(jiān)控情況，一旦發(fā)現(xiàn)滾輪停止，編碼器立即把信號(hào)傳給PLC裝置，由PLC控制變頻器緊急停止，避免了斷絲后設(shè)備無(wú)法自動(dòng)停機(jī)引起的產(chǎn)品缺陷，保證線材質(zhì)量達(dá)到要求。同時(shí)，該設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品拉絲結(jié)束后設(shè)備缺料停機(jī)功能。

3 拉絲機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制硬件主要由編碼器、PLC、觸摸屏、變頻器、測(cè)距傳感器組成。PLC采用三菱FX系列，帶14入/10出的數(shù)字信號(hào)接口，1路八位模擬輸入及1路八位模擬輸出信號(hào)，為解決PLC與變頻器的速度調(diào)節(jié)問題，將PLC自帶的模擬量輸出信號(hào)直接傳輸給變頻器，再通過變頻器控制拉絲電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到對(duì)速度穩(wěn)定控制的要求。編碼器使用增量型編碼器，AB相信號(hào)輸出。觸摸屏使用步科MT系列，RS485通訊接口與PLC結(jié)合。變頻器功率選用2.2KW[2]，其模擬輸入信號(hào)4～20ma來自PLC模擬輸出接口。系統(tǒng)控制圖如圖2所示。

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為PLC程序設(shè)計(jì)和觸摸屏頁(yè)面程序設(shè)計(jì)。PLC主程序主要包括系統(tǒng)參數(shù)初始化，測(cè)距傳感器輸出信號(hào)采集中斷設(shè)計(jì)、編碼器定時(shí)計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)、接受觸摸屏參數(shù)設(shè)置及輸出控制變頻器信號(hào)設(shè)計(jì)。觸摸屏的程序設(shè)計(jì)就是人機(jī)交互的界面設(shè)計(jì)，通過觸摸屏上按鈕可以控制測(cè)距系統(tǒng)、拉絲機(jī)的運(yùn)行及停止。并提供了自動(dòng)拉絲模式和手動(dòng)控制模式。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1、本文設(shè)計(jì)了拉絲機(jī)斷絲保護(hù)裝置，并通過PLC、編碼器、傳感器和變頻器的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)拉絲機(jī)的自動(dòng)控制，滿足了銀基合金線材自動(dòng)拉拔的生產(chǎn)工藝需求，保證線材的外觀、力學(xué)性能達(dá)到技術(shù)要求。

4.2、通過實(shí)現(xiàn)斷絲停機(jī)、缺料停機(jī)及卡盤停機(jī)等功能，減少人員參與數(shù)量，實(shí)現(xiàn)一人操作多臺(tái)設(shè)備，有利于公司人力成本控制，為企業(yè)降本增效。

參考文獻(xiàn)

[1]凌松，趙海彬，張亮，馮寶林.基于PLC的銀導(dǎo)爆索自動(dòng)拉絲機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015（12）

[2]繆盤銘.關(guān)于拉絲機(jī)拉拔力和功率計(jì)算的回答[J]。金屬制品，1999（10）

[3]李亞南，蔣周忠，熊經(jīng)先，袁有明.一種光柵保護(hù)器在拉絲機(jī)工藝系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)研究[J]?？蒲?，2017（3）

桂林電器科學(xué)研究院有限公司 廣西 桂林 541004

桂林金格電工電子材料科技有限公司 廣西 桂林 541004