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(jì)

劉雅昆，張成俊*，李冬冬，戴健雄

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)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(gè)工藝步驟中工人勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，根據(jù)企業(yè)的要求，設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)化的送料、紗料套袋及剪切的機(jī)械設(shè)備，根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的工藝動(dòng)作，設(shè)計(jì)了機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了紗料的套袋和剪切過(guò)程的PLC自動(dòng)化控制?？刂七^(guò)程做到了無(wú)人看守，同時(shí)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(dòng)強(qiáng)度和企業(yè)的人工成本。

機(jī)械設(shè)備；紗筒送料；剪切；自動(dòng)控制；PLC

在鞋襪紡織品的生產(chǎn)過(guò)程種，需要對(duì)布料進(jìn)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(dòng)、純機(jī)械的設(shè)備。隨著市場(chǎng)對(duì)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(lèi)產(chǎn)品的及時(shí)高效供應(yīng)。因此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的紗筒套袋、送料和剪切具有重要的實(shí)踐意義。

1 設(shè)計(jì)目的

紗筒套袋機(jī)的機(jī)構(gòu)主要由機(jī)械系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成[1]。該設(shè)備在水平方向，同一個(gè)水平高度上完成套入[2]動(dòng)作。設(shè)備的目的是將圓柱體筒殼套進(jìn)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(jī)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(guò)紗筒上料機(jī)構(gòu)有序的排列在一起，在經(jīng)傳送機(jī)構(gòu)[3]到達(dá)套入機(jī)構(gòu)等待套紗。紗料裝置在固定的紗臺(tái)上，當(dāng)紗筒在套入機(jī)構(gòu)等待套入時(shí)，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(jī)構(gòu)和夾紗機(jī)構(gòu)動(dòng)作。牽引機(jī)構(gòu)到達(dá)預(yù)定位置給出信號(hào)，PLC接受信號(hào)并且給夾紗機(jī)構(gòu)的夾爪信號(hào)，夾爪氣缸張開(kāi)。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(hào)，這時(shí)PLC給出信號(hào)，夾爪動(dòng)作夾取[4]紗料。牽引機(jī)構(gòu)帶動(dòng)夾緊紗料的氣缸一同運(yùn)動(dòng)到達(dá)預(yù)定位置。接著紗料裁剪機(jī)構(gòu)由推送臺(tái)到預(yù)定位置，剪切機(jī)構(gòu)[5]張開(kāi)然后剪切。

2.1 紗筒上料排序過(guò)程

紗筒上料機(jī)構(gòu)主要由提升電機(jī)、機(jī)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(jī)構(gòu)工作時(shí)，由提升電機(jī)將紗筒提升至紗筒滑道的入口處，入口處有光電開(kāi)關(guān)1，在重力的作用下，紗筒從滑道入口下滑。此時(shí)光電開(kāi)關(guān)1計(jì)數(shù)一次，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)計(jì)數(shù)次數(shù)達(dá)到PLC的預(yù)設(shè)值[6]時(shí)，提升電機(jī)停止提升紗筒。已經(jīng)計(jì)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(gè)紗筒的直徑。

圖2 機(jī)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(shí)擋板氣缸1下運(yùn)動(dòng)把和擋板2接觸的紗筒和后面的紗筒剝離出來(lái)，當(dāng)擋板氣缸1到達(dá)下極限時(shí)，氣缸1下端的磁性傳感器被觸發(fā)，PLC接受信號(hào)并觸發(fā)擋板氣缸2向上運(yùn)動(dòng)。被剝離的紗筒此時(shí)順著滑道下滑，經(jīng)過(guò)擋板氣缸3，此時(shí)的擋板氣缸3處于上極限不會(huì)擋住紗筒的下滑，直到紗筒下滑到達(dá)擋板氣缸4被擋住。此時(shí)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(hào)并觸發(fā)擋板氣缸3向下運(yùn)動(dòng)到下極限，同時(shí)擋塊氣缸1上運(yùn)動(dòng)到上極限，擋塊氣缸2下運(yùn)動(dòng)到下極限。

被擋板1擋住的紗筒因?yàn)閾醢?的上升和自身重力作用下，順著滑道到達(dá)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(shí)被觸發(fā)。PLC根據(jù)輸入信號(hào)并做出下面反應(yīng)，擋塊氣缸1向下運(yùn)動(dòng)剝離第二個(gè)紗筒，同時(shí)擋塊氣缸2向上運(yùn)動(dòng)，被剝離的第二個(gè)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(shí)的輸入信號(hào)信息，擋塊氣缸1再次向上運(yùn)動(dòng)，擋塊氣缸2再次向上運(yùn)動(dòng)。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(guò)程中，光電開(kāi)關(guān)2同時(shí)也作為減計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)，每次被擋，PLC用來(lái)給紗筒計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器就減一，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值小于設(shè)定值時(shí)，提升電機(jī)開(kāi)啟，給送料架子提供紗筒。

2.2 套紗和剪切過(guò)程

套紗和剪切機(jī)構(gòu)主要由安裝機(jī)架、紗筒推送機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)、夾爪氣缸、剪切推送臺(tái)，剪切氣缸、光電傳感器、磁性傳感器和紗料臺(tái)組成。工作過(guò)程：當(dāng)紗筒到達(dá)預(yù)定位置，位于兩個(gè)紗筒固定區(qū)域的光電傳感器被擋住，PLC接收信號(hào)并觸發(fā)牽引機(jī)構(gòu)前進(jìn)，牽引機(jī)構(gòu)是由牽引氣缸筒通過(guò)連接板連接夾爪氣缸組合而成。當(dāng)牽引機(jī)構(gòu)前進(jìn)，夾爪氣缸被帶動(dòng)一起前進(jìn)，同時(shí)夾爪氣缸的夾爪張開(kāi)。當(dāng)牽引機(jī)構(gòu)到達(dá)前極限，牽引氣缸的前極限磁性開(kāi)關(guān)被觸發(fā)。紗料臺(tái)的紗料已經(jīng)準(zhǔn)備好，光電開(kāi)關(guān)就會(huì)被遮擋，信號(hào)傳入PLC。牽引氣缸的前極限磁性開(kāi)關(guān)和紗料臺(tái)的光電開(kāi)關(guān)同時(shí)被觸發(fā)，PLC給出信號(hào)。夾爪氣缸夾緊紗料，牽引機(jī)構(gòu)通過(guò)連接板帶動(dòng)夾爪氣缸往回運(yùn)動(dòng)，這樣紗料就被牽引出來(lái)并且張緊了。當(dāng)牽引機(jī)構(gòu)帶動(dòng)夾爪氣缸牽引紗料到達(dá)后極限位置，剪切推送臺(tái)推動(dòng)張開(kāi)的剪切氣缸到達(dá)預(yù)定的位置，同時(shí)紗筒推送氣缸推動(dòng)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(guò)程，然后各氣缸復(fù)位。

3 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)紗筒套袋機(jī)的工作原理分析，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)控制系統(tǒng)[7]?？刂葡到y(tǒng)回路如圖3所示。由氣源、氣動(dòng)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(guò)控制電磁鐵的通斷電實(shí)行氣缸的換向。為了在運(yùn)行過(guò)程中較好的控制氣缸的運(yùn)行速度，同時(shí)在調(diào)試過(guò)程中提高調(diào)試效率，在每個(gè)氣缸的進(jìn)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(jì)

套紗和剪切機(jī)采用PLC控制。為使紗筒定位準(zhǔn)確，紗筒進(jìn)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(jiǎn)單可靠，紗筒進(jìn)料區(qū)定位機(jī)構(gòu)、紗筒推送機(jī)構(gòu)、紗料牽伸機(jī)構(gòu)、剪紗臺(tái)機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)均采用氣缸驅(qū)動(dòng)控制。為了方便操作、調(diào)試和監(jiān)控，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)，滿(mǎn)足套紗和剪切的需要。

4.1 PLC輸入輸出點(diǎn)的分配

如表1所示，根據(jù)控制需要，需滿(mǎn)足輸入點(diǎn)55個(gè)，輸出點(diǎn)31個(gè)，選用COTRUST-226H晶體管型PLC，由于輸入輸出點(diǎn)不夠用，所以擴(kuò)展兩個(gè)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(kāi)機(jī)都能初始化復(fù)位。

4.2 PLC程序流程設(shè)計(jì)

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(gè)順序過(guò)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(xiě)，根據(jù)紗筒套袋機(jī)設(shè)備的運(yùn)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(jì)了紗筒套袋機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)以及PLC控制系統(tǒng)，編寫(xiě)了相應(yīng)的控制流程圖和程序順序功能圖，對(duì)后續(xù)設(shè)備的改進(jìn)提供了實(shí)物和理論基礎(chǔ)。紗筒套袋機(jī)構(gòu)上，根據(jù)紗筒的形狀特點(diǎn)，特別的利用重力的作用，設(shè)計(jì)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(jī)，操作簡(jiǎn)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

[1] 李靜, 梁文波. 基于PLC的農(nóng)用挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2021, 43(04):221-224+229.

[2] 張克平, 田佳壯, 李妙祺, 等. 基于PLC氣動(dòng)式水果套網(wǎng)包裝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 24(03): 117-125.

[3] 劉子建, 魏翔翔, 潘松軍. 新型煙支高速傳送裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2016, 33(08): 15-20.

[4] 李雅倩, 高國(guó)琴. 并聯(lián)機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)水果夾取控制研究[J]. 自動(dòng)化與儀表, 2020, 35(06): 30-35+53.

[5] 周好斌, 付新宇, 劉嘉琪, 等. 基于PLC的焊接線自動(dòng)剪切控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2019, 34(06): 103-107.

[6] 梁毅靈, 牛崢. 特高壓直流換流變PLC控制系統(tǒng)“過(guò)負(fù)荷”信號(hào)邏輯分析[J]. 新型工業(yè)化, 2020, 10(01): 20-24.

[7] 宋玉寶, 趙國(guó)新, 劉昌龍, 等.氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的BELC壓控制[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2020, (07): 111-114.

[8] 潘平盛. 自動(dòng)化生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2020, (04): 8-11.

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?。?979-），男，教授，研究方向：機(jī)電一體化控制、針織機(jī)械設(shè)計(jì)與控制.

TH692

B

2095－414X(2021)03－0003－04