一種基于PLC控制的線材送線裝置的設計

石平義+彭一航+黃鵬

【摘 要】論文提出了一種針對耳機線加工過程自動送線裝置的總體設計方案，采用“PLC+交流電機 +人機界面+變頻器”的控制方式，能實現(xiàn)高效自動送線、速度可調(diào)等功能。

【Abstract】This paper proposes an overall design scheme of automatic wire feeding device for the earphone wire processing .Adopting the control model of “PLC+ AC motor + man-machine interface + frequency converter”， it can realize the function of efficient automatic transmission and adjustable speed.

【關鍵詞】線材；送線；自動控制 ；PLC

【Keywords】wire；wire feeding；automatic control；PLC

【中圖分類號】TP23 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0192-03

1 引言

目前，由于耳機線的特殊結構與品質要求，對其后期加工一般采用小型刀片式裁切機，人工送線、手動裁切，存在送線效率低下、速度難以調(diào)整等問題[1]。論文針對上述問題，以及PLC在當今電氣自動化領域中越來越突出的地位和廣泛的應用[2]，提出了一種基于PLC控制技術的針對耳機線送線的裝置，并重點介紹了其組成、結構原理以及PLC控制系統(tǒng)設計過程。

2 設備組成及原理

2.1 設計要求

根據(jù)實際需求，該專用送線裝置需要實現(xiàn)以下功能與特點：

①送線效率高，能夠一次性實現(xiàn)多個線圈自動送線；

②速度可自動調(diào)節(jié)，該裝置能夠滿足對送線速度的自動調(diào)整；

③換線方便，該裝置能控制每個送線工位的啟停。

2.2 設備工藝流程和工作原理

2.2.1 送線裝置工藝動作流程

根據(jù)設計方案，該裝置能實現(xiàn)自動調(diào)速、自動啟停等功能。結合耳機線加工要求和工藝要求以及整體設計方案，確定本裝置的工藝動作流程如下：

2.2.2 裝置的工作原理

①送線速度檢測機構的設計

當主機開始拉線時，帶動鐵圓柱向上移動，傳感器檢測到信號，線卷開始放線；當鐵圓柱下降時，傳感器檢測到信號，控制線卷放線速度，防止送線過多。

②啟停控制機構的設計

該部分工作原理如下：當開始放線時，PLC控制氣缸伸出，此時皮帶與線圈相連的摩擦輪接觸，帶動線卷開始放線；當PLC收到停止放線的信號時，PLC控制氣缸收回，與線卷相連的滾輪與黃橡膠塊接觸，使線卷立即停止送線[3]。

③外框架的設計

十個線卷同時送線，分為上下兩排，并分別用兩根傳動軸傳遞動力，結合線卷的尺寸和一般公司電梯門的尺寸設計，其最終的總體尺寸為2560mm*1700mm*990mm。該機架是整個裝置的支撐部分，主要使用型材進行焊接制造而成，以滿足使用要求。

④傳動機構的設計

結合本裝置實際應用以及設計方案等綜合情況，發(fā)現(xiàn)兩傳動軸的距離較遠，傳動速度不高，傳動比沒有嚴格的要求，且使用環(huán)境惡劣，因此最終選用鏈條傳動形式。十個線卷送線需要動力傳動，兩排線卷使用兩個傳動軸，由電機通過鏈條將動力傳給另一傳動軸，上下傳動軸再分別通過皮帶將動力傳遞到每一個工位。

綜合線的拉力、線卷的質量、轉軸的質量以及皮帶的摩擦力，經(jīng)SolidWorks三維軟件仿真和實驗測得，每個線卷達到最大轉速30r/min時所需的扭矩為21.14N.M，此時驅動每個線卷所需功率P1由公式得：

若每個傳動軸帶動五個線卷，則每根傳動軸傳動的功率為P：

當軸承載的功率不大，考慮到成本可采用Q235A，表面鍍鉻，查表可得常數(shù)C為158。由根據(jù)軸徑的估算公式可得：

軸上的傳動輪靠鍵傳遞動力，軸上有鍵時，削弱軸的強度，有一個鍵槽時，d值應增大5%，軸上有五個鍵槽，則d=44mm，查軸徑標準表，將所得的d值圓整，取d為45.0mm。

所有的動力由電機提供，因此選擇電機時要遵循兩個重要原則，首先是必須考慮互換性，選擇標準電動機，以備出現(xiàn)故障時可以及時更換；其次是為使整個系統(tǒng)高效率運行，要綜合考慮電機的級數(shù)及電壓等級[4]。另外還要綜合本裝置實際情況，兩根傳動軸所需功率為： 5P2 =0.664kw：電機的傳動效率η取0.9，則電機所需功率為：P電機=0.737kw 。根據(jù)以上計算，選用三相異步圓柱齒輪減速電機，電機功率0.75kw。

⑤線架的整體設計圖

最終設計的線架整體設計圖如圖2所示。其主要由機架、啟停控制、傳動機構以及檢測機構等部分組成。

3 線架控制系統(tǒng)的設計

3.1 控制任務分析與設計

根據(jù)裝置的動作流程，當工人上好線，主機開始拉線時，鐵圓柱上升，傳感器檢測到信號后，PLC發(fā)出信號，電磁閥動作，氣缸伸出，連接線卷的滾輪與皮帶接觸，開始放線；當主機速度降低時，鐵圓柱下降，傳感器檢測到信號后，PLC發(fā)出信號，電磁閥動作，氣缸縮回，橡膠板與滾輪接觸，立即停止放線。此時電機一直處于運轉的狀態(tài)，電機的速度可由PLC通過變頻器進行控制，工人可在觸摸屏界面進行相關參數(shù)的調(diào)整。從上述流程可知，本裝置的輸入信號主要為傳感器信號，輸出信號主要為電磁閥控制信號以及變頻器速度控制信號。

另外，人機界面選用能夠理想生動的顯示PLC、單片機、PC機上數(shù)據(jù)信息的威綸通TK6070ip系列觸摸屏，并支持與大多數(shù)的PLC直接通信[5]。PLC與上位機之間采用的是無通信協(xié)議的RS-232串行通信，變頻器采用三菱A500型號，采取RS485BD通訊與PLC通訊。

3.2 PLC的I/O分配與參數(shù)配置

3.2.1 PLC的I/O地址分配

根據(jù)送線的動作工藝流程和PLC控制系統(tǒng)的控制要求，進行PLC的I/O地址分配。其中輸入信號主要包括啟動、停止、急停、復位、傳感器信號，輸出主要包括各工位氣缸電磁閥信號以及變頻器啟動與調(diào)速端子信號地址。

3.3.2 PLC參數(shù)配置

從I/O分配結果可以得出，共需要25個輸入點，23個輸出點，選用小型PLC可以滿足使用，綜上考慮本項目的PLC，采用三菱系列的FX3U型號。根據(jù)需要的I/O配置，預留20%的I/O余量[6]，故選擇了FX3U-64MT型的PLC，它能提供的輸入輸出點數(shù)為32/32，和一個485串行數(shù)據(jù)口。另外，設置一個三菱FR-A740變頻器，用來控制送線的主電機，并控制送線速度。

3.3.3 PLC程序設計

本項目選用的是三菱系列PLC，采用的編程軟件為GX Developer中文界面編程軟件，它可以適用于三菱全系列的PLC編程和調(diào)試。在本系統(tǒng)中，PLC控制程序由系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)運行、系統(tǒng)故障報警、自動復位或緊急停止等控制模塊組成。

4 結語

該線材加工專用送線裝置實現(xiàn)了線材的自動化高效送線，具有自動調(diào)整送線速度、換線簡便等特點，有效彌補了長期以來耳機生產(chǎn)制造領域中手工送線、效率低、勞動強度大等缺點與不足。通過現(xiàn)場應用證明該裝置配合主機使用能夠有效解決上述問題，提高了耳機線材的現(xiàn)場加工質量與效率，降低了勞動強度與生成成本，為相關線材制造、加工企業(yè)提供了一定的借鑒與實用價值。

【參考文獻】

【1】石平義，姜莉莉，余輝.基于PLC的耳機專用多工位粘合機的設計[J].機械制造與自動化，2017（02）：57.

【2】王歡，張悅超. 探討PLC 技術在電氣自動控制中的運用[J].中小企業(yè)管理與科技，2016（03）：213.

【3】孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理 [M].北京：高等教育出版社，2013.

【4】鄧星鐘.機電傳動控制 [M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

【5】石平義，姜莉莉，余輝.基于PLC的多工位粘合機控制系統(tǒng)設計[J].化工自動化及儀表，2016（05）：535-536.

【6】管文博. 基于PLC和組態(tài)王的纖維改性控制系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表，2013（06）：1467.