常宏 丁偉 倪華豪
摘 要:線纜收纜打包的方式嚴重影響生產(chǎn)效率,纜徑越大,勞動強度就越高,為實現(xiàn)線纜自動取長、切纜及收纜,設(shè)計研究了一種定長取纜自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括上料小車、放線龍門、對中裝置、履帶牽引、收線龍門和自動控制系統(tǒng)。上料小車通過預(yù)埋軌道將線纜盤送至龍門;放線龍門為框架式結(jié)構(gòu),采用變頻控制方式,完成線纜盤的夾緊、升降和放線;履帶牽引采用氣壓式夾緊方式,提供恒定的牽引力,并可實時計米;對中裝置將線纜準確保持在固定位置;收線龍門為上開口式結(jié)構(gòu),采用力矩+速度控制方式,完成設(shè)定長度線纜的收線;自動控制系統(tǒng)以西門子1200PLC為主控模塊,利用PLC-OPCUA協(xié)議與數(shù)據(jù)采集軟件kepserver作信息交互,并通過平板電腦的APP實現(xiàn)各單元的無線控制。樣機試驗表明:該定長取纜系統(tǒng)運行穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高,可實現(xiàn)不同纜徑、不同盤徑的定長取纜。
關(guān)鍵詞:定長取纜;1200PLC;無線控制
中圖分類號:TH39? ? ? ? 文獻標識碼:A 文章編號:1001-5922(2021)09-0096-06
Design and Research of Automatic Control System for Fixed Length Cable Taking
Chang Hong1, Ding Wei2, Ni Huahao1
(1.State Grid Taizhou Power Supply Company,Taizhou 225300, China ;
2.Jiangsu Anfang Power Technology Co., Ltd., Taizhou 225300, China)
Abstract:The method of cable take-up and packaging seriously affects production efficiency. The larger the cable diameter, the higher the labor intensity. In order to realize the automatic cable length taking, cutting and take-up cable, an automatic control system for fixed-length cable taking has been designed and studied. The system includes feeding trolley, pay-off gantry, centering device, crawler traction, take-up gantry and automatic control system. The feeding trolley sends the cable tray to the gantry through the embedded track; the pay-off gantry is a frame structure and adopts a frequency conversion control method to complete the clamping, lifting and pay-off of the cable tray; the crawler traction adopts the pneumatic clamping method to provide constant traction and can count meters in real time; the centering device accurately maintains the cable at a fixed position; the wire take-up gantry is an open-top structure, and the torque + speed control method is adopted to complete the wire take-up of the set length of cable; the automatic control system uses Siemens 1200PLC as the main control module, uses PLC-OPCUA protocol and data acquisition software kepserver for information interaction, and realizes wireless control of each unit through the tablet PC APP. The prototype test shows that the fixed-length cable taking system has stable operation and high production efficiency, and can realize fixed-length cable taking with different cable diameters and different reel diameters.
Key words:fixed-length cable take-off; 1200PLC; wireless control
線纜的用途有很多,主要用于控制安裝、連接設(shè)備、輸送電力等多重作用,是日常生活中常見而不可缺少的一種東西。線纜生產(chǎn)完成后,需要收纜打包,常規(guī)的收纜方式是:人工將纜盤搬運至半自動收纜機上,并人工操作治具,以將纜盤被半自動收纜機夾緊,然后人工將線纜的線頭穿出纜盤外,該半自動收纜機驅(qū)動該纜盤轉(zhuǎn)動,使纜盤進行收卷,使線纜繞卷于該纜盤上,勞動強度大,且工作效率低下,不利于提高生產(chǎn)力。對于直徑較大且硬度也較大的線纜,人工手動繞制會極其麻煩,且勞動強度極大,對生產(chǎn)者造成較大的困擾。
目前,大部分纜線生產(chǎn)廠家依然在采用上述的收纜方式,加重了工人負擔(dān)以及降低了生產(chǎn)效率。近幾年,雖然科技得到了迅猛發(fā)展,但是全世界在對于這方面的研究并不是很多。但是本文中敘述的很多相關(guān)技術(shù)得到了非常廣泛的研究,主要可以概括為以下2方面:
(1)纜線自動收線機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。陳慶賀[1]運用雙向滾珠絲杠結(jié)構(gòu)設(shè)計出自動卷纜裝置;采礦的過程中自然離不開使用纜線供電和通訊,賈鴻飛[2]研發(fā)了一種煤礦井下工作的回收通訊電纜自動卷線裝置,并得到了很好的推廣;張明威,錢晉武[3]等人設(shè)計了新型地下纜線收放新機構(gòu);傅鐘煒[4]設(shè)計了一種雙吊夾送料裝置,為送料裝置的設(shè)計提供了新思路。
(2)控制系統(tǒng)。線纜需要限定長度,因此必須在控制系統(tǒng)中進行精確的控制,而目前控制系統(tǒng)分為強電控制的PLC以及弱電控制的芯片。對于用PLC來進行控制的系統(tǒng),由于其很高的可靠性是現(xiàn)在很多人研究的重點,特別是管類的定長裁剪,林基宏[5],許穎等[6],Wei Na etc[7]都是基于PLC進行定長切割系統(tǒng)的研究。陳經(jīng)艷[8]則是將PLC與觸摸屏相結(jié)合來研究不銹鋼管的定長切割系統(tǒng);王瑾烽[9]基于一種特定的PLC(S7-1200)進行定長控制系統(tǒng)的研究。胡永安,陳彩鳳等[10],還對一種移液管在線定長切割方法進行了研究。董洢安[11]則是基于單片機開展了自動纏線裝置系統(tǒng)的研究。控制系統(tǒng)豐富的研究現(xiàn)狀為我們控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了更多的參考。
針對目前線纜收纜打包效率低、勞動強度大以及現(xiàn)有設(shè)備的不足,本文設(shè)計研究了一種新型定長取纜自動控制系統(tǒng),該系統(tǒng)利用平板電腦無線控制各PLC單元,能夠?qū)崿F(xiàn)不同纜徑、不同盤徑的定長取纜。
1 定長取纜系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本文提出的定長取纜自動控制系統(tǒng),主要由6部分組成:上料小車、放線龍門、履帶牽引、截斷裝置和收線龍門,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
上料小車通過與AGV運載車對接,將線纜盤沿軌道搬運至放線龍門下方,并使線纜盤中心孔與龍門的頂尖對齊。放線龍門采用下開口式結(jié)構(gòu),實現(xiàn)對線纜盤的夾緊、升降和放線功能。履帶牽引采用氣壓式夾緊機構(gòu),是拖拽線纜的動力,并具備計米功能。截斷裝置是當(dāng)所需的線纜達到一定的長度時,實現(xiàn)線纜切斷功能。對中機構(gòu)是保證線纜進出牽引時始終在一個位置上。收線龍門采用上開口式結(jié)構(gòu),沿地軌進行排線,并實現(xiàn)指定長度線纜的收線成盤。系統(tǒng)工作過程如下:
(1)上料小車在初始位置上對接AGV運來的線纜盤,觸發(fā)AGV退出信號,上料小車將線纜盤運至放線龍門正下方,觸發(fā)到位信號,上料小車停止。
(2)放線龍門根據(jù)設(shè)定值將頂尖降至線纜盤中心高度,夾緊機構(gòu)將線纜盤夾緊,提升機構(gòu)將線纜盤提升至一定高度,觸發(fā)到位信號,上料小車退出回到初始位置;上料小車原點信號觸發(fā),放線龍門抱閘打開。
(3)履帶牽引夾住線纜,實現(xiàn)線纜的預(yù)牽引,達到預(yù)牽引長度后停止牽引(同時放線龍門抱閘關(guān)閉),在收線龍門上固定好纜頭,啟動收線龍門,線纜自動繃緊,觸發(fā)力矩到達信號,牽引自動運行(同時放線龍門抱閘打開)。
(4)設(shè)定取纜長度,啟動總控按鈕,收線龍門開始收纜,外置計米裝置開始計米,當(dāng)計米到達設(shè)定值,牽引自動停止(同時放線龍門抱閘關(guān)閉)。
(5)截斷裝置啟動,夾緊機構(gòu)將線纜夾住,觸發(fā)夾緊壓力信號,鋸條電機啟動,下壓油缸動作,開始切割,觸發(fā)切割到位信號,下壓油缸抬起,切斷完成。
(6)觸發(fā)抬起到位信號,收線龍門自動停止,張力解除,截斷裝置夾緊機構(gòu)松開,收線纜頭固定,AGV小車將完成定長取纜的線纜盤移走。
(7)收線龍門換盤,重復(fù)步驟(4)~(6),以此循環(huán)。
(8)當(dāng)線纜盤上的線纜不夠用時,牽引反轉(zhuǎn),放線龍門主動收線,并將纜頭固定好,上料小車將線纜盤移出放線龍門,AGV小車用完線纜盤取走。
其中與收放線對接的AGV小車本系統(tǒng)不提供,只與其對接信號。
系統(tǒng)運行流程圖如圖2所示。
2 定長取纜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 放線龍門
放線龍門主要由排線機構(gòu)、提升機構(gòu)、夾緊機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.1.1 排線機構(gòu)
放線龍門排線機構(gòu)由排線輪、排線電機和減速機等相關(guān)零部件組成。排線輪安裝于放線龍門機架的底部兩側(cè)位置,行走于地面預(yù)埋導(dǎo)軌上,兩組排線輪之間以連桿直連,通過變頻電機實現(xiàn)驅(qū)動。
排線輪驅(qū)動力FC大小計算公式如下所示:
式中: η為安全系數(shù);f1為放線龍門排線輪與預(yù)埋導(dǎo)軌表面摩擦系數(shù);m1為放線龍門質(zhì)量;m2為線纜盤質(zhì)量;g為重力加速度。
排線輪驅(qū)動力矩MC為:
式中: Fc為放線龍門排線輪驅(qū)動力;D為放線龍門排線輪直徑。
根據(jù)以上計算結(jié)果,可確定相應(yīng)的放線龍門排線機構(gòu)驅(qū)動電機和減速機型號。從而,放線龍門排線速度Vc可由以下公式計算:
式中: D為放線龍門排線輪直徑;n為放線龍門排線輪驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速;i為放線龍門排線機構(gòu)減速機減速比。
2.1.2 驅(qū)動機構(gòu)
放線龍門驅(qū)動機構(gòu)由頂尖、制動盤、驅(qū)動電機和減速機等零部件構(gòu)成。其中,頂尖為錐形結(jié)構(gòu),用于固定線纜盤,頂尖上有撥銷,為驅(qū)動線纜盤提供驅(qū)動點;當(dāng)放線龍門正常使用時,制動盤抱閘打開,進行放線;當(dāng)定長取纜任務(wù)完成后,驅(qū)動電機反向轉(zhuǎn)動,將放出的線纜收回;
驅(qū)動電機的扭矩T大小計算公式如下:
式中: n1為放線龍門驅(qū)動電機點動轉(zhuǎn)速;m2為線纜盤質(zhì)量;r為線纜盤半徑;t為線纜盤轉(zhuǎn)動加速時間。
驅(qū)動電機的功率大小計算公式如下:
式中: T為放線龍門驅(qū)動電機扭矩;n1為放線龍門驅(qū)動電機點動轉(zhuǎn)速。
根據(jù)以上計算結(jié)果,可確定相應(yīng)的放線龍門驅(qū)動機構(gòu)電機和減速機型號。
2.1.3 升降機構(gòu)
升降機構(gòu)用于實現(xiàn)線纜盤的升降,便于線纜盤上下料和取纜,主要由絲桿、螺母座、滑塊、升降電機和減速機等相關(guān)零件部件組成。
升降電機功率P1計算公式如下:
式中: Mt1為絲桿螺紋摩擦力矩;Mt2為絲桿螺紋軸向支撐面摩擦力矩;n1為升降電機轉(zhuǎn)速。
絲桿螺紋中d2徑計算公式如下:
式中: F為絲桿受到的軸向載荷;Pp為螺紋副許用壓強;Ψ為螺母結(jié)構(gòu)系數(shù)。
根據(jù)絲桿材料、許用應(yīng)力及中徑,可確定絲桿型號,需對絲桿的自鎖性、強度及耐磨性進行驗算。
絲桿螺紋升角λ計算公式如下:
式中: S為絲桿導(dǎo)程;d2為絲桿螺紋中徑;當(dāng)量摩擦角ρ'計算公式如下:
式中:f 為絲桿摩擦因數(shù);α為絲桿螺紋公稱接觸角。
當(dāng)量應(yīng)力σca計算公式如下:
式中: F為絲桿受到的軸向載荷;Mt1為絲桿螺紋摩擦力矩;d3為絲桿螺紋小徑。
工作壓強p計算公式如下:
式中: F為絲桿受到的軸向載荷;d2為絲桿螺紋中徑;H1為絲桿螺紋基本牙型高度;n0為絲桿螺紋旋合圈數(shù)。
2.1.4 夾緊機構(gòu)
夾緊機構(gòu)通過鏈傳動和絲桿傳動的方式實現(xiàn)線纜盤的夾緊和松開,主要由鏈輪、絲桿、滑塊、夾緊電機和減速機等相關(guān)零件部件組成。
2.2 上料小車
上料小車在預(yù)埋導(dǎo)軌上來回動作,實現(xiàn)線纜盤的上下料。在原點位置,完成與AGV小車上線纜盤的對接,運至放線龍門正下方后,將線纜盤對接給龍門,最后返回至原點位置等待。
2.3 履帶牽引
履帶牽引為定長取纜提供牽引力,最大牽引力為3T,可正反向運轉(zhuǎn),實現(xiàn)取纜和收纜,帶計米功能,計米精度為3‰,主要由導(dǎo)向機構(gòu)、履帶夾緊機構(gòu)、牽引機構(gòu)等零部件組成,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2.4 對中裝置
對中裝置由固定底座和導(dǎo)向輥組組成,導(dǎo)向輥組的間距可調(diào),可適應(yīng)不同直徑的線纜,同時保證了線纜進出履帶牽引時是對中狀態(tài)。
2.5 截斷裝置
截斷裝置為線纜達到設(shè)定長度時切斷線纜,主要由夾緊機構(gòu)、鋸片、液壓升降機構(gòu)組成,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
2.6 收線龍門
收線龍門采用地軌式龍門結(jié)構(gòu),交流變頻電機通過減速機實現(xiàn)力矩+速度收線動作,小線徑采用速度控制,大線徑采用力矩控制,主要由夾緊機構(gòu)、升降機構(gòu)、排線機構(gòu)及驅(qū)動機構(gòu)組成,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。
3 定長取纜控制系統(tǒng)設(shè)計
隨著信息技術(shù)的發(fā)展和我國國民經(jīng)濟信息化的推進,在自動化控制方面,以無線網(wǎng)絡(luò)控制實現(xiàn)信息電子化交換和信息資源共享成為必要。本文基于無線觸摸屏+PLC+邏輯電路的控制方式,設(shè)計研究了定長取纜自動控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由放線龍門控制系統(tǒng)、收線龍門控制系統(tǒng)、履帶牽引控制系統(tǒng)和截斷裝置控制系統(tǒng)構(gòu)成,包含有PLC控制模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、通信模塊以及電磁模塊,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。
(1)PLC控制模塊:定長取纜自動控制系統(tǒng)均采用西門子1200系列1214CPU作為主控模塊。該CPU編程方式便捷,具有可擴展性強、靈活度高等眾多優(yōu)點,可連接 8 個信號模塊和3個通信模塊。
(2)傳感器模塊:包括接近開關(guān)、行程開關(guān)及編碼器。其中收線纜盤升降機構(gòu)采用Autonics電感式接近開關(guān),其型號為PR12-4DN,感應(yīng)距離4mm,用于精準定位線纜盤升降位置;牽引出口處采用Autonics脈沖式1024p高精編碼器,其型號為E50S8-1024-3-T-24,該傳感器將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)化成數(shù)字脈沖信號,脈沖個數(shù)對應(yīng)計輪子周長,實現(xiàn)高精度計米。
(3)電機驅(qū)動模塊:定長取纜自動控制系統(tǒng)中均采用三相異步電動機配合丹弗斯變頻器F302進行速度調(diào)節(jié)和力矩給定。收線龍門主軸變頻器與PLC進行profinet通訊,根據(jù)當(dāng)前的線速度,推算出收線卷徑,實時給定收線張力,該通訊方式響應(yīng)快,精度高。收線龍門排線變頻控制,根據(jù)主軸收線的線速度耦合排線電機做跟隨排線。不同的纜徑大小,可在觸摸屏上設(shè)定排線節(jié)距,同步改變跟隨排線的速度比。
(4)通信模塊:定長取纜自動控制系統(tǒng)采用的是TP-LINK無線路由器作為中間橋接,利用PLC -OPCUA協(xié)議與數(shù)據(jù)采集軟件kepserver作信息交互,kepever生成的編譯數(shù)據(jù)嵌入至APP底部,從而實現(xiàn)平板電腦App控制各個PLC單元。
(5)電磁模塊:采用亞德客電磁閥控制該系統(tǒng)中所有氣缸和油缸。
4 系統(tǒng)研制與實施
根據(jù)上述設(shè)計,研制了定長取纜系統(tǒng)樣機,并將該樣機部署于一個物資中心倉庫,對系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及定長取纜效果進行測試,測試現(xiàn)場如圖8所示。
實施現(xiàn)場通過AGV將所需種類的線纜盤運至上料小車上,上料小車對接放線龍門,履帶牽引將線纜頭牽引至收線龍門,通過聯(lián)動控制,實現(xiàn)設(shè)定長度線纜的切斷,完成定長取纜,并通過AGV將纜盤取走。實施倉庫按照如下條件進行測試:測試周期為3個月,每天至少完成50盤線纜的定長取纜工作,工作時間為早上8點至下午5點,共計8h。
實施結(jié)果表明,該定長取纜自動控制運行穩(wěn)定,能夠?qū)M盤線纜進行設(shè)定長度的快速分盤,滿足使用要求。
5 結(jié)論
針對線纜收纜生產(chǎn)效率和勞動強度問題,設(shè)計研究了一種定長取纜自動控制系統(tǒng)。通過具有升降、夾緊及驅(qū)動功能的放線龍門,系統(tǒng)實現(xiàn)了線纜盤的被動放線和主動回收;通過具有計米功能的履帶牽引,實現(xiàn)了線纜的牽引和計米;通過截斷裝置和收線龍門,實現(xiàn)了線纜的設(shè)定長度切斷和收線。經(jīng)過系統(tǒng)樣機實施測試,該系統(tǒng)運行可靠,生產(chǎn)效率高,可實現(xiàn)不同纜徑、不同盤徑的定長取纜。
參考文獻
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