摘 要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)機(jī)器加工鐵絲程序自動(dòng)化不足的問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)鐵絲在生產(chǎn)線(xiàn)上拉直、裁切、檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化，基于PLC對(duì)鐵絲裁切控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。文中主要從機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2個(gè)方面對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行闡述。傳輸部分的主要元件為裝配有交流電機(jī)的矯直輪。裁切部分采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵絲的精確裁切。采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為傳感檢測(cè)單元，控制部分將PLC控制通信方法與觸摸屏技術(shù)相結(jié)合，從而更好地滿(mǎn)足生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)鐵絲自動(dòng)化裁切系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性和效率等方面的要求。

關(guān)鍵詞：鐵絲裁切；PLC；自動(dòng)化；機(jī)械結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)編碼器；步進(jìn)電機(jī)；電氣控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）11-0-02

0 引 言

鐵絲被廣泛應(yīng)用于建筑、家具、電子、汽車(chē)等行業(yè)，由于目前國(guó)內(nèi)大部分鐵絲皆以“捆”的形式存在，大多數(shù)生產(chǎn)廠家為保證售出產(chǎn)品均為固定參數(shù)，常采用半自動(dòng)化機(jī)器對(duì)鐵絲進(jìn)行裁切。但這種方式需要一定的人工配合，不僅會(huì)耗費(fèi)較大的人工成本，同時(shí)還大幅降低了生產(chǎn)效率[1-5]。本文針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)方式的弊端，設(shè)計(jì)了一款符合工廠產(chǎn)業(yè)鏈需求的全自動(dòng)鐵絲裁切控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)在控制部分采用觸摸屏編寫(xiě)的可視化控制界面與PLC控制通信方法?；赑LC的鐵絲裁切控制系統(tǒng)通過(guò)裝配有交流電機(jī)的矯直輪實(shí)現(xiàn)鐵絲的拉直，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完成裁切動(dòng)作，并以旋轉(zhuǎn)編碼器作為傳感檢測(cè)單元，這一系列設(shè)計(jì)使得鐵絲能夠順利打捆并連接到設(shè)備上。最后實(shí)現(xiàn)了鐵絲在生產(chǎn)線(xiàn)上拉直、裁切、檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化，進(jìn)一步提升了生產(chǎn)作業(yè)效率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 控制要求

本設(shè)備首先將鐵絲放入調(diào)直滾槽，將彎曲的鐵絲調(diào)直之后放入滾筒，壓緊鐵絲后啟動(dòng)電機(jī)，伺服電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)摩擦力和壓緊力的作用將鐵絲向前輸送。在輸送的過(guò)程中，伺服電機(jī)由PLC控制[6-8]，使用者通過(guò)人機(jī)交互界面選擇長(zhǎng)度參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)滾筒所轉(zhuǎn)圈數(shù)自動(dòng)完成校準(zhǔn)，即到達(dá)預(yù)設(shè)長(zhǎng)度時(shí)伺服電機(jī)控制其啟停。滾筒停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制閘刀的步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行一次裁切動(dòng)作，從而完成一次裁剪周期。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 矯直機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)滾珠絲杠，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)所測(cè)得的鐵絲直徑，自動(dòng)調(diào)整到相應(yīng)的高度。三相交流電機(jī)通過(guò)同步帶將動(dòng)力通過(guò)齒輪副傳遞給垂直矯直輪。齒輪副由3個(gè)齒輪組成，處于中間位置的齒輪為惰輪，起到換向的作用。在開(kāi)始上料之前，需要人工將鐵絲插入導(dǎo)料套中。導(dǎo)料套可以非常方便地將鐵絲穿入水平矯直輪。水平矯直輪對(duì)鐵絲進(jìn)行調(diào)整，使其保持水平狀態(tài)。鐵絲通過(guò)水平矯直輪后，再向前上料一小段距離即可接觸到垂直矯直輪。由于此時(shí)的垂直矯直輪已經(jīng)啟動(dòng)，所以會(huì)自動(dòng)將鐵絲向前輸送，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳輸功能。

1.2.2 轉(zhuǎn)轂機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)矯直控制系統(tǒng)是由三相交流電機(jī)、V帶傳動(dòng)、轉(zhuǎn)轂機(jī)構(gòu)和壓模塊等多個(gè)部件構(gòu)成[9-11]。當(dāng)鐵絲被導(dǎo)入轉(zhuǎn)轂機(jī)構(gòu)時(shí)，轉(zhuǎn)轂機(jī)構(gòu)通過(guò)高速回轉(zhuǎn)將鐵絲矯直。轉(zhuǎn)轂機(jī)構(gòu)內(nèi)部裝有3個(gè)連接的壓模塊，通過(guò)壓模塊內(nèi)部的圓口，將導(dǎo)入的鐵絲矯直。其中壓模塊可以根據(jù)用戶(hù)的需求調(diào)整其內(nèi)部圓孔的直徑，以實(shí)現(xiàn)不同的矯直效果。

1.2.3 檢測(cè)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

鐵絲從高速回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)轂通過(guò)后，存在一定的不穩(wěn)定性，因此需要經(jīng)過(guò)二次矯直輪的矯直，以提高其傳輸時(shí)的穩(wěn)定性。在二次矯直輪的矯直過(guò)程中，矯直輪通過(guò)施加壓力和摩擦來(lái)使鐵絲趨于平整，從而保證鐵絲在進(jìn)入編碼器旋轉(zhuǎn)輪時(shí)處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。隨后，鐵絲經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器開(kāi)始計(jì)數(shù)，以精確測(cè)量鐵絲的長(zhǎng)度。當(dāng)鐵絲經(jīng)過(guò)編碼盤(pán)時(shí)，編碼盤(pán)能夠準(zhǔn)確反映鐵絲的長(zhǎng)度信息，進(jìn)而控制系統(tǒng)根據(jù)編碼器發(fā)出的信號(hào)來(lái)控制傳輸裝置和裁切機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

1.2.4 裁切機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

導(dǎo)料套、上刀槽板、刀片、連桿、曲柄共同組成裁切部分。當(dāng)鐵絲被送到導(dǎo)料套的位置時(shí)，步進(jìn)電機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周。曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將曲柄的整周回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為滑塊的往復(fù)移動(dòng)?；瑝K上裝有刀片，當(dāng)滑塊移動(dòng)到鐵絲下方時(shí)，刀片會(huì)通過(guò)對(duì)鐵絲的裁切實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裁切的功能。

2 控制設(shè)計(jì)

2.1 硬件選擇

PLC作為廣泛用于工業(yè)控制的數(shù)字運(yùn)算操作裝置，具有高靈活性、高可靠性、出色的擴(kuò)展性以及易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。PLC能夠便捷地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)管理，并且可以高效地進(jìn)行維護(hù)和修正。使用PLC控制可以確保裝置的高精度、高效率和穩(wěn)定地運(yùn)行，同時(shí)也能夠延長(zhǎng)電氣控制元件的使用壽命。

旋轉(zhuǎn)編碼器是一個(gè)基于光電原理的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)設(shè)備，主要用于檢測(cè)和計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)角、轉(zhuǎn)速、位移等參量。該裝置將旋轉(zhuǎn)編碼器作為傳感檢測(cè)單元，可將測(cè)量的角位移信息直接轉(zhuǎn)化為高速脈沖信號(hào)，再使用PLC的高速計(jì)時(shí)器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，從而得到精確的測(cè)量結(jié)果。

2.2 電氣控制流程設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)程序流程，可以將該裝置分為4個(gè)部分：裁切部分、X軸傳輸部分、檢測(cè)部分和Y軸傳輸部分。

在系統(tǒng)通電之后，首先需要進(jìn)行復(fù)位操作，以便輸入所裁切鐵絲的直徑。一旦輸入完畢，矯直輪將自動(dòng)移動(dòng)到相應(yīng)位置，便于鐵絲導(dǎo)入。等待矯直輪在Y軸方向矯直完成后，就可以進(jìn)行長(zhǎng)度設(shè)置操作。一旦長(zhǎng)度設(shè)置完畢，系統(tǒng)將開(kāi)始工作。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，矯直輪會(huì)驅(qū)動(dòng)鐵絲橫向移動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)轂會(huì)旋轉(zhuǎn)以調(diào)直鐵絲。此時(shí)，操作員需要手動(dòng)將鐵絲送入導(dǎo)料槽，使其先通過(guò)水平矯直輪，再接觸到垂直矯直輪。當(dāng)鐵絲進(jìn)入旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測(cè)范圍，系統(tǒng)將判斷是否為首次上料。如果是首次上料，將在鐵絲移動(dòng)至裁切口時(shí)通過(guò)算法計(jì)算其長(zhǎng)度。當(dāng)鐵絲達(dá)到預(yù)設(shè)長(zhǎng)度時(shí)，控制轉(zhuǎn)轂的電機(jī)和矯直輪Y軸方向的電機(jī)將停止工作，同時(shí)裁切電機(jī)將運(yùn)轉(zhuǎn)一圈裁切鐵絲。在傳輸鐵絲的過(guò)程中，如果收到停止信號(hào)，系統(tǒng)將立刻停止所有動(dòng)作。

系統(tǒng)通過(guò)PLC控制步進(jìn)電機(jī)將絲杠模組抬到固定位置，以便于鐵絲的順利導(dǎo)入。隨后，PLC發(fā)出信號(hào)控制三相電機(jī)啟動(dòng)。通過(guò)同步帶與齒輪的傳動(dòng)機(jī)制，驅(qū)動(dòng)垂直矯直輪旋轉(zhuǎn)，從而在X軸方向輸送鐵絲。同時(shí)，轉(zhuǎn)轂系統(tǒng)的三相電機(jī)也被啟動(dòng)，用于矯直輸送到轉(zhuǎn)轂的鐵絲。在檢測(cè)系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)編碼器得到鐵絲的長(zhǎng)度信號(hào)并將結(jié)果反饋給PLC。PLC根據(jù)觸摸屏中預(yù)設(shè)的長(zhǎng)度值判斷是否發(fā)出控制信號(hào)。如果達(dá)到預(yù)設(shè)的長(zhǎng)度值，PLC就會(huì)發(fā)出信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)將鐵絲繼續(xù)移動(dòng)到下一個(gè)預(yù)設(shè)位置，以便繼續(xù)輸送鐵絲。這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，直到鐵絲被輸送到目標(biāo)位置。

3 結(jié) 語(yǔ)

自動(dòng)化是現(xiàn)代化機(jī)械加工制造業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì)。考慮到半自動(dòng)裁切方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，本文提出了一種可視化的矯直裁切方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)矯直裁切過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，提高了傳統(tǒng)半自動(dòng)裁切方式的精度和效率。同時(shí)，還提出采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)裁切鐵絲的方式，通過(guò)優(yōu)化裁切方式，提高了裁切的精度和斷截面的平整程度，減少了人工成本，延長(zhǎng)了控制系統(tǒng)的使用壽命。綜上所述，全自動(dòng)鐵絲裁切機(jī)控制系統(tǒng)在提升制造效率與產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)，有效降低了生產(chǎn)成本與資源消耗，為推動(dòng)社會(huì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)信息化發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)。

注：本文通訊作者為單文桃。

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作者簡(jiǎn)介：肖雨芯（2003—），女，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

單文桃（1987—），男，工學(xué)博士，副教授，研究方向?yàn)楦咚匐娭鬏S智能驅(qū)動(dòng)控制策略、試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)等。

收稿日期：2023-11-01 修回日期：2023-12-04

基金項(xiàng)目：2023年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目：“一裁永逸”——自動(dòng)化鐵絲裁切管家（11310112309，202311463120E）