基于PLC 的模切機液壓控制系統(tǒng)設計

李強，李浙昆，石婷婷，趙玉程

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院；2.570000 海南省 ?？谑?海南大學 機電工程學院）

0 引言

模切機在汽車行業(yè)主要用于生產橡膠組件。模切機的工作原理是利用模切刀，通過壓印版施加一定的壓力，將橡膠板軋切成所需形狀。目前，模切機工作中一般是人工控制橡膠原料的進給量和模切刀的切割深度，導致精度不高、生產效率低、橡膠切口不平整、勞動強度大等問題[1-2]。

為了解決模切機實際生產中現存的問題，提高模切機自動化水平，本文開發(fā)了一種基于PLC 控制的自動切割橡膠系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以PLC 為核心控制件，利用旋轉編碼器、歐姆龍磁性開關、接觸器、變頻器和液晶顯示屏控制與調整液壓伺服系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過開關切換手動和自動模式，滿足不同生產需求；可以調整原料進給量和模切刀的切口深度，滿足生產不同批次產品的需要；雙工位設計，以提高工作效率。該系統(tǒng)實現了原料進給與模切刀切口深度的自動化，提高了生產效率和良品率，降低了勞動強度。

1 控制系統(tǒng)組成及工作原理

模切機外形圖如圖1 所示。模切機液壓伺服控制系統(tǒng)的總體控制框圖如圖2 所示，系統(tǒng)由PLC控制裝置、人機交互界面、位置檢測、液壓控制系統(tǒng)以及機械部分組成。

圖1 模切機外形圖Fig.1 Outline drawing of die-cutting machine

圖2 系統(tǒng)總體機構示意框圖Fig.2 Schematic block diagram of overall system structure

機械部分包含模切刀位置調整伺服控制機構、工作平臺控制機構、模切刀運動機構。人機界面作為人與系統(tǒng)之間的交互橋梁，具有調試系統(tǒng)功能和監(jiān)控系統(tǒng)運行的作用[3]。

模切機結構示意圖如圖3 所示。工作原理是：工藝人員在人機交互界面5 設置好工作參數并保存，PLC 通過磁性開關6 檢查到所有工位已歸位，則可開始工作。模切機系統(tǒng)包含手動與自動模式，在工作平臺1放上坯料，按下按鍵8，PLC接到指令，工作平臺被液壓伺服系統(tǒng)7 送到模切刀3 正下方，PLC 收到位置傳感器發(fā)來的信號，模切刀被液壓伺服系統(tǒng)4 控制向下運動，在坯料上切出需要的形狀，平臺退出。當平臺1 上料與下料時，平臺2 進入模切刀下方工作，以提高效率。對于不同批次不同形狀的產品可以更換對應的模切刀，模切刀每次重新安裝后需要工藝人員通過人機交互界面調整參數，伺服系統(tǒng)調整模切刀位置，并保存參數。

圖3 模切機結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of die-cutting machine

2 液壓系統(tǒng)設計

2.1 液動控制系統(tǒng)的設計

模切機液壓系統(tǒng)作為整個機器的執(zhí)行系統(tǒng)，決定整個設備的穩(wěn)定與可靠性。該液壓控制的液壓回路如圖4 所示，包括3 個三位四通電磁閥，3 個液壓缸。整個液壓系統(tǒng)以齒輪泵2 為動力元件，系統(tǒng)液壓壓力由壓力表5 顯示，溢流閥11 用于調整2個工作平臺的工作壓力，通過三位四通電磁閥8、9、12 控制工作平臺1、工作平臺2 以及模切刀液壓缸的動作。為防止系統(tǒng)壓力過高，設有減壓閥11 調整壓力，壓力值顯示在壓力表5 上。所有的氣缸上2 個極限位置均安裝有磁性開關，活塞上的磁環(huán)會觸發(fā)與其靠近的磁性開關，從而發(fā)送信號給PLC。PLC 接到信號，判斷并發(fā)出下一個指令。模切刀液壓缸回路中安裝單向節(jié)流閥14，以達到工作時節(jié)流調速的目的。

圖4 液壓系統(tǒng)主回路Fig.4 Main circuit of hydraulic system

2.2 液壓控制系統(tǒng)工作流程

（1）復位

接通電源，需要工藝人員點擊觸控屏上的復位按鈕。YA2，YA3，YA5 電磁鐵通電，使工作臺處于上料位置，模切刀回到最頂端。液壓缸歸位后，磁性開關接收后發(fā)送給PLC，所有電磁鐵斷電，液壓缸回歸到中位。完成所有動作后系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。

（2）工作臺進料

工作平臺1 工作時，為防止工作平臺2 誤操作，YA3 電磁鐵工作，工作平臺2 為上料位置。工人在工作平臺1 完成上料后按下啟動按鈕，電磁鐵YA1 通電，工作平臺1 向右運動，直到使坯料位于模切刀下；工作平臺1 作業(yè)結束后，工作平臺2 方可工作，其工作方式與工作平臺1 一致。

（3）工作臺出料

工作平臺1 工作時，為防止工作平臺2 誤操作，YA3 電磁鐵工作，工作平臺2 為上料位置；當模切刀在坯料軋出相應形狀后，YA2 得電，工作平臺1 向左運動，將加工好的坯料退出。工人將工作平臺1 上的加工零件和廢料取出，再放上新坯料，準備下一輪工作。工作平臺1 工作結束后，工作平臺2 方可工作，其工作方式與工作平臺1 一致。

（4）模切刀的工作

當工作平臺1 或工作平臺2 位于模切刀下方時，YA6 電磁鐵工作，模切刀向下，模切刀在軋切坯料時保持一定時間。YA5 電磁鐵工作，模切刀向上。完成以上工作后，一次軋切循環(huán)完成。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)硬件設計

軋切循環(huán)中各執(zhí)行元件按照一定順序動作，使用 PLC 的順序控制方法最合適，不僅提高程序設計效率，還有利于后期的調試、修改和閱讀[4-5]。

考慮到I/O 口的數量與PLC 的可靠性，選擇三菱公司FX3U-48MT 型PLC，磁性開關選擇歐姆龍GLS-S1，旋轉編碼器采用歐姆龍公司的E6B2-CWZ6C，電磁閥選擇正泰的三位四通電磁閥，利用臺達公司的VFD-S 變頻器調整三相異步電動機轉速。油泵電機型號為Y160M2-8，三相異步電動機額定功率為5.5 kW。

3.2 電氣系統(tǒng)設計

FX3U-48MT 提供了高速脈沖口X0，X1，可接收旋轉編碼器的脈沖信號，PLC 根據需求為伺服電機發(fā)送脈沖，計算公式為

式中：B——PLC 脈沖數；L——所需長度；Bs——標準脈沖數；Ie——齒數比；Ls——標準長度[6]。

圖5 為根據PLC 的需求繪制的接線圖，輸出輸入地址分配及用途如表1 所示。

圖5 PLC 外部接線Fig.5 PLC external wiring diagram

表1 PLC 的輸入/輸出分配及功能Tab.1 Input/output distribution and function of PLC

（續(xù)表）

3.3 控制流程設計

根據模切機的工藝流程，包含自動與手動程序繪制PLC 的順序功能圖，如圖6 所示。依據順序功能圖編寫梯形圖，并下載至PLC 中運行調試與修改，完成自動控制的全部設計[7-8]。

圖6 順序功能圖Fig.6 Sequential function chart

4 設備調試與運行

設備安裝完畢，人機交互平臺的液晶屏顯示包括手動操作、參數設置、裁切深度與上升高度等，滿足不同型號產品的設定。模切機如圖7 所示。PLC 程序調試完成后，實際運行平穩(wěn)可靠。圖8 所示為加工零件成品，邊緣切口整齊，精度高，雙工作平臺大幅提高工作效率。

圖7 模切機實物Fig.7 Die cutting machine

圖8 加工零件成品Fig.8 Finished machining parts

5 結語

經調試，該模切機運行良好，該系統(tǒng)的使用由人工控制精度轉變?yōu)樽詣踊b配，提高了精度和效率、節(jié)約了時間和人工成本，雙啟動按鈕保證操作人員安全，避免了可能的安全隱患。