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。
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