基于三菱PLC的棒料剪切机控制系统

基于三菱PLC的棒料剪切机控制系统
1 引言
发动机的气门直接与高温燃气接触，受热严重而散热困难，因此一般采用耐热合金钢制造，如奥氏体不锈钢等。

而这种钢材的硬度相当大，使用普通的冲床等设备对原料进行剪切很难获得满意的精度。

如果采用手工砂轮切割，不仅劳动强度大，单是切口损耗就是一个非常大的浪费。

为解决这一问题，设计开发了一种新型的精密剪切设备，能够在产品质量、劳动生产率、工作环境等各方面都能带来可观的改进。

本文将主要其电气控制方面的内容做一简要介绍。

2 机床的基本构成
本机床为专用机械，特别为气门生产中的奥氏体棒料剪切下料所设计制造。

根据生产工艺的要求，可以实现自动上料，精确挡板定位剪切，完成从原料到位至成品分拣的全自动化运行。

并且能够实现前后棒料原料之间的无间隔衔接，提高工作效率。

除机座等必备部件之外，机床还有布料机构、上料机构、进料机构、夹紧机构、剪切机构、分料机构等。

其中布料机构和分料机构由气缸带动，上料机构和进料机构由轮轴带动，采用摩擦轮传动，传送可靠。

夹紧机构和剪切机构由油缸带动，剪切主冲切头高速运行，可保证剪切质量。

整个机床结构坚固，安装要求可靠固定，能够抵抗剪切时产生的巨大冲击作用力。

3 电气控制系统概述
本电气系统的设计制造，遵守国标《gb/t5226.1-96》的有关规定，以及其它的国标和机床行业特殊要求的有关说明，采用位置传感器、压力传感器检测，plc程序控制。

电气控制系统主要分两部分构成，即动力部分和运动控制部分。

在动力部分中，因为电机容量并不很大，对启动时的各参数要求也不很高，因此对除上料电机和进料电机以外的电机采用传统的“星三角”启动方式和直接启动控制方式，主回路为空开、接触器、热继电器方案。

为保证工序的衔接良好，上料电机和进料电机采用变频调速。

在系统的运行方式上，设有手动、半自动、自动三种工况，以分别适用于不同的操作条件。

其中手动工况为设备调试以及特殊工况下使用；半自动工况下每次可以完成一整根棒料原料的加工；自动工况下可以自动续料，连续完成
多根棒料原料的加工，为正常工作模式。

系统包括电气控制柜1台和操作台1台。

电气柜和操作台的控制面板上装有若干控制按钮（旋钮），并且在按钮旁边有相应的文字说明来解释按钮（旋钮）的作用，如控制给电、停止、急停等。

控制面板上还装有指示灯，灯点亮时，其相应的文字说明表示主机当时的运行状态，如电源有电、电机运行等。

启动分为两个按钮，只要当两个同时按下时才起作用，防止误启动。

设“停止”按钮，在系统运行时可以随时按压，此时plc停止输出。

设“紧急停止”自锁按钮，按下时不仅停止输出，并且整个控制系统断电。

在情况排除后，可旋转该自锁按钮，使其解除工作状态。

4 基于plc的控制系统
该控制系统结构如图1所示，触摸屏的工作参数设定、传感器的实时工况监视、操作台上的工况选择按钮组成plc的输入部分，其中触摸屏的参数输入通过com口与plc的通讯实现。

控制变频电机转速的变频器、控制油缸气缸动作的电磁阀以及实时工况指示灯组成了输出部分。

图1 控制系统结构示意图
4.1 plc型号的选择
由于三菱fx系列plc兼有整体式和模块式可编程控制器的优点，其功能强，响应速度快，因此选取该系列产品。

plc的输入点和输出点各需要30多个，参照其标准配置点数，选用fx2n-64mr。

该型号共有输入点32个，输出点32个。

为节约点数，也为了留出必要的空点以方便将来设备升级，将若干逻辑关系简单的输入输出改为继电器控制。

这样以来，实际使用的点数大约为58个（其中输入点30个，输出点28个）。

控制上料和进料的变频器采用三菱fr-
s500系列产品,触摸屏采用f940产品。

4.2 工序控制
每一根棒料原料所经过的工序如图2所示，各工序之间的衔接信号由行程开关、压力传感器和光电编码器等提供，前一工序的结束信号一般同时用作后一工序的起始信号，在必要时做相应的延时处理。

如压料工序，由光电编码器结合行程开关对棒料是否到达，以及是否离开压料位置进行判断；夹紧、剪切和松开工序由压力传感器和行程开关判断，在夹紧压力达到额定值时压力传感器发讯，开始剪切。

剪切完毕后刀头对应的行程开关发讯，夹紧油缸泄压松开。

图2 单件棒料加工工序
由于棒料原料的料头一般会存在一定的缺陷，不能直接用于后续加工。

所以对料头做特殊的处理上，即将尽可能少的料头剪掉。

因此设备要对马上要剪切的部位做出判断，以确定是否为料头部分，如果是料头部分，同时又在旋钮中选择了“剪料头”，则对料头进行“剪料头”工序。

对原料的尾料部分也要做相应的处理，在出料时增加“分料头”工序。

如果是开机后的第一根原料，这一功能可以比较容易实现，对于连续生产中的后续原料，则有赖于参数的设定，通过对触摸屏所设定的原料长度和下料长度的计算，可以预先知道每一根原料可以下料的根数，在完成这些根数之后的余料可以判定为料尾，而次料则可以认定为下一个料头。

需要注意的是，在计算时必须考虑必要的夹持长度。

系统具有自动计数功能，每一次有效剪切都将做一数值上的累加，保存在plc上可断电保持的数据寄存器中。

当累加到触摸屏所设定的生产计划数时，系统会暂停运行，提示操作者是否继续生产加工。

考虑到液压系统的特点，在电磁阀的动作上增加限制条件，即其只有在液压泵电动机正常后才能动作，可通过电动机启动延时来实现。

4.3 速度控制
根据生产工艺的要求，下料长度一般在60mm～280mm之间，又由于机床在运转效率及稳定性方面都有要求，因此系统设计运转速度随下料长度的增加而增加。

当下料长度较短时，上料电机及进料电机以慢速运行；反之则以快速运行。

上料工序分为两段，由变频器控制上料电机的速度，前段较快，后段较慢且与进料电机同速。

变频器一般都会支持多段速调速，在此上料电机实际使用7段速而进料电机使用6段速。

具体速度搭配如表1所示，从速度1至速度7依次加快。

当开机时或参数改变时，触摸屏确定的下料长度传至plc，程序判断下料尺寸所处范围，然后在合适工序期间触发相应的变频器通路，调出相应的速度。

该plc电气控制系统是强弱电混合系统，因此在控制柜的元件布置和走线上应有相应的考虑。

，接触器、空气开关和变频器等原件放置于电器柜中，而plc等放置于操作台中，以减少电磁干扰。

在plc的输出点连接电磁阀时，并联rc吸收装置，以消除电磁噪声。

该机床实际应用于大批量生产中，由于线路简化，操作方便，自动化程度高，可在类似场合推广使用。

5 结束语
该机床设计先进，属国内领先的产品，可完全替代昂贵的进口产品。

加工的成品端口质量好精度高，端面倾斜度≤1°，端面圆度≤0.04d，塌边长度≤0.2d，下料长度误差±0.15mm。

加工效率在20支/分钟以上，可大大提高劳动效率。

另外在节能降耗方面也有很大的提高。

据保守估计，使用该产品，仅计算降低刀口损耗方面的收益，一年就可以收回成本。