基于PLC與變頻器控制的帶鋸床自動(dòng)下料設(shè)計(jì)

黃志忠，楊 偉，陳秋香

(河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 河源 517000)

金屬帶鋸床是一種采用帶鋸條作為切削工具的金屬鋸床，主要用于鋸切金屬型材，包括圓材、型鋼、塊料等.自動(dòng)下料問(wèn)題由來(lái)已久，由于自動(dòng)最優(yōu)下料問(wèn)題在應(yīng)用上可以提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本，理論上它又是可以實(shí)現(xiàn)的，具有重要的研究?jī)r(jià)值.但是，普通帶鋸床由人工完成上下料，存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、安全性差等諸多問(wèn)題.以河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，隨著學(xué)院的發(fā)展和機(jī)電類專業(yè)學(xué)生人數(shù)的不斷增加，機(jī)械類實(shí)訓(xùn)需要的各種規(guī)格的金屬材料量越來(lái)越大.為了適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，采用自動(dòng)化的操作手段來(lái)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、降低制造成本、減少人力資源的投入已成為必然的趨勢(shì).

基于PLC與變頻器的控制帶鋸床技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳送和夾緊工件，使零件的加工完全自動(dòng)化，達(dá)到高節(jié)拍、高自動(dòng)化的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作的高效率生產(chǎn)，充分滿足現(xiàn)代化、高節(jié)奏生產(chǎn)的要求，具有很好的市場(chǎng)前景.

1 存在的問(wèn)題

對(duì)于普通帶鋸床而言，壓力和液壓油溫度的變化及電磁閥和繼電器的滯后都影響著鋸削送料的精度.下料的尺寸直接人為給定，難以定位，有一定的誤差，因此，下料精度差，批量下料的一致性也不好.此外，在改變普通帶鋸床的下料長(zhǎng)度時(shí)，由于需調(diào)整送料長(zhǎng)度標(biāo)尺，操作比較繁瑣，每下一塊料，都要人工進(jìn)料、人工夾緊，特別是大件的人工進(jìn)給夾緊工作非常辛苦，危險(xiǎn)性大且需要專人?？?，效率非常低.

2 帶鋸床的工作原理

帶鋸床通常要連續(xù)鋸切規(guī)定長(zhǎng)度的棒料，所以要求帶鋸床在設(shè)定一次參數(shù)后能自動(dòng)操作，直到完成任務(wù)為止.圖1為臥式帶鋸床的基本組成原理圖，它由帶鋸條、鋸帶輪、鋸架與工作夾鉗等部分組成[1].當(dāng)工作夾鉗2把工件夾緊后，按啟動(dòng)按鈕，主電機(jī)1通過(guò)中間機(jī)械傳動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)鋸帶輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)帶鋸條5運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)鋸帶輪4及帶鋸條5等安裝在鋸架3上并隨鋸架3上下運(yùn)動(dòng)，由鋸條5鋸切工件.傳統(tǒng)帶鋸床的這些動(dòng)作均由手動(dòng)控制操作，并由繼電器、接觸器等完成控制任務(wù)，故障率較高，效率較低[2].電氣控制原理圖見(jiàn)圖2.

圖1 臥式帶鋸床基本組成原理圖 Fig.1 Basic composition of horizontal gig saw

圖2 鋸床電氣原理圖Fig.2 Circuit diagram of gig saw

3 方案的設(shè)計(jì)

3．1 機(jī)械系統(tǒng)的改進(jìn)

機(jī)械系統(tǒng)增加了送料皮帶、送料電機(jī)及電渦流傳感器(接近開關(guān))來(lái)實(shí)現(xiàn)送料的高精度和自動(dòng)化，如圖3所示.送料電機(jī)的運(yùn)行由PLC控制，而送料輸出指令來(lái)自于檔料位置信號(hào)傳感器和物料檢測(cè)傳感器.送料電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)皮帶，由輸送皮帶帶動(dòng)送料進(jìn)給，移動(dòng)到達(dá)預(yù)定長(zhǎng)度和檔料開關(guān)位置時(shí)，PLC發(fā)出指令使送料電機(jī)停止送料.為保證送料不跑偏，在皮帶的兩側(cè)加上檔板，確保物料不產(chǎn)生橫向位移.

圖3 鋸床簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖 Fig.3 Simplified structural diagram of gig saw

3．2 電氣系統(tǒng)的改進(jìn)

3．2．1 送料工作流程

在電氣系統(tǒng)中，PLC控制系統(tǒng)控制著整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行順序.首先，要調(diào)好下料長(zhǎng)度檔板的位置，按下啟動(dòng)按鈕，在氣缸的作用下工作虎鉗松開，啟動(dòng)冷卻泵，在氣動(dòng)閥的作用下帶鋸上升到位，傳送帶物料傳感器檢測(cè)到有物料時(shí)，啟動(dòng)傳送帶滾筒電機(jī)工作，待檔料位置傳感器檢測(cè)到物料到位后，停止傳送物料，工作虎鉗夾緊，完成鋸切工作，其運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示.

圖4 鋸床工作流程圖Fig.4 Workflow diagram of gig saw

3.2.2 PLC的選擇

(1)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)

由帶鋸床的工作原理及運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)流程圖可知PLC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)量.

輸入：?jiǎn)?dòng)按鈕輸入點(diǎn)有2個(gè)；選擇開關(guān)輸入點(diǎn)有1個(gè)(占2個(gè)口)；檢測(cè)傳感器信號(hào)限位輸入點(diǎn)4個(gè)；撥碼盤輸入點(diǎn)8個(gè).

輸出：鋸床主電機(jī)KM1、冷卻泵KM2、傳送帶滾筒電機(jī)KM3共3個(gè)；工作虎鉗電磁閥YA1、鋸架上升電磁閥YA2、鋸架下降電磁閥YA3共3個(gè) .

(2)PLC機(jī)型的選擇

機(jī)床原配的按鈕、限位開關(guān)、變壓器、指示燈、熱繼電器、接觸器等電器均需保留.作為主要操作器件的按鈕及限位開關(guān)要接入PLC的輸入口，每個(gè)線圈也要占1個(gè)口.本方案對(duì)熱繼電器采用在PLC輸出端連接.

計(jì)算出帶鋸床需接入的PLC輸入輸出器件數(shù)后，確定需輸入口16個(gè)及輸出口6個(gè)，選用三菱FX2N-48MR，這是1種具有24個(gè)輸入點(diǎn)和24個(gè)輸出點(diǎn)的PLC繼電器型輸出.

(3)帶鋸床的I/O分配(見(jiàn)表1)

表1 PLC的I/O分配表Tab.1 I/O distribution list of PLC

(4) PLC的I/O接線圖

PLC的電源由開關(guān)電源提供，由I/O分配表可繪出其接線圖，如圖5所示.

3．3 變頻器的選擇

通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源的頻率以達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，變頻調(diào)速器的應(yīng)用日益普遍.由于帶鋸床在使用過(guò)程中要經(jīng)常變換不同的切割材料，對(duì)切割速度有不同的要求，而原電機(jī)是異步電動(dòng)機(jī)，不能進(jìn)行調(diào)速，因此，有必要在系統(tǒng)中加入變頻器.

圖5 PLC的I/O接線圖Fig.5 I/O wiring diagram of PLC

3.3.1 選擇原則

(1)變頻器容量應(yīng)適當(dāng)大于負(fù)載所需容量.(2)變頻器電流應(yīng)大于電機(jī)電流[3].帶鋸床原有電機(jī)型號(hào)為Y132-6 1.5 KW的異步電動(dòng)機(jī)，保持不變，考慮到調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性價(jià)比，選擇三菱FR-A700型變頻器.

3.3.2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

機(jī)床鋸架進(jìn)給調(diào)速系統(tǒng)電氣接線見(jiàn)圖6，選擇、調(diào)整機(jī)床各切削參數(shù)后，即可按照機(jī)床的工作程序，按下操作面板啟動(dòng)按鈕，運(yùn)行機(jī)床.PLC控制冷卻泵及傳送帶電機(jī)的工作，送料到位后，鋸架緩沖下降到位，鋸架進(jìn)給輸出繼電器KM1線圈得電，其常開觸點(diǎn)閉合，按下選擇材料的按鈕，主電機(jī)按給定的速度進(jìn)給切料， PLC與變頻器應(yīng)用485通訊方式進(jìn)行調(diào)速控制.

圖6 帶鋸床進(jìn)給調(diào)速系統(tǒng)電氣接線Fig.6 Electrical connection of the cutting-feed timing system of gig saw

4 結(jié)束語(yǔ)

帶鋸床應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)送料和自動(dòng)夾緊功能，節(jié)省了工作人員的勞動(dòng)時(shí)間，鋸切完成無(wú)料時(shí)自動(dòng)停機(jī)，實(shí)現(xiàn)了材料的準(zhǔn)確定位，提高了加工精度，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人操作的高效率生產(chǎn)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益.帶鋸床的數(shù)控改造與購(gòu)置新機(jī)床相比，可以節(jié)省60%～80%的費(fèi)用，大大降低了生產(chǎn)成本.

參考文獻(xiàn)：

[1] 高文成．全自動(dòng)PLC液壓控制帶鋸床的改造[J]．甘肅冶金，2000(9)：31.

[2] 張風(fēng)林．應(yīng)用可編程序控制器控制帶鋸床[J]．制造技術(shù)與機(jī)床，1995(10)：33.

[3] FR-A700.三菱變頻器使用手冊(cè)[Z].