自動輸送銅管設(shè)備的設(shè)計

董新華，蔡漢明，郝同暉，韓紹林，常瑞鵬

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

自動輸送銅管設(shè)備是根據(jù)用戶需求設(shè)計的一種基于可編程邏輯控制器(PLC)的自動控制機(jī)械設(shè)備，依靠其控制動作準(zhǔn)確平穩(wěn)，能頻繁啟動、長時間連續(xù)工作的優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決人工搬運(yùn)銅管重復(fù)程度高、勞動強(qiáng)度大的難題，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)自動判斷有無銅管、夾緊銅管和輸送銅管的動作[1]。自動輸送銅管設(shè)備運(yùn)用氣動技術(shù)和電控技術(shù)[2]，能利用手動、自動及單循環(huán)3種方式實(shí)現(xiàn)輸送夾緊動作、支撐夾緊動作和輸送銅管動作。

1 自動化輸送銅管設(shè)備系統(tǒng)工作原理

基于PLC的自動輸送銅管設(shè)備的工作原理與半自動輸送銅管設(shè)備類似。檢測裝置放于伺服電機(jī)旁，當(dāng)檢測裝置檢測到有銅管時，夾緊氣缸和支撐夾緊氣缸夾緊銅管然后伺服電機(jī)執(zhí)行輸送動作，當(dāng)另一傳感器檢測到支撐夾緊裝置到達(dá)特定位置，則支撐夾緊氣缸松開，普通電機(jī)旋轉(zhuǎn)使得支撐夾緊裝置執(zhí)行后移動作，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置，普通電機(jī)立即停止，同時支撐夾緊氣缸執(zhí)行夾緊動作。自動輸送銅管設(shè)備氣動系統(tǒng)由兩大部分組成。第1部分是夾緊部分，用于夾緊銅管并輸送一定距離；第2部分是支撐夾緊部分，設(shè)置在輸送銅管前方(如圖1中所示位置)，用于防止銅管彎曲。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體設(shè)備示意圖

2 輸送銅管系統(tǒng)控制

自動輸送銅管設(shè)備控制系統(tǒng)是以氣體介質(zhì)作為氣源實(shí)現(xiàn)其控制功能的，工作時2個氣缸和2個電機(jī)按照預(yù)定的程序順序動作。其控制功能具有運(yùn)行效率高、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[3]。氣壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

以下是自動輸送銅管設(shè)備系統(tǒng)控制主要過程。

1)報警控制過程：當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，氣壓突然低于或高于指定的壓力，氣壓表指針會碰觸開關(guān)，使得開關(guān)閉合，同時報警燈報警，此時系統(tǒng)停止工作，普通電機(jī)立即啟動，直到達(dá)到系統(tǒng)工作所需的正常壓力值，系統(tǒng)回復(fù)正常工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于低壓或者高壓狀態(tài)時，可以手動復(fù)位報警器。

1,2—過濾器；3—二位二通電磁換向閥；4—先導(dǎo)式溢流閥；5—普通電動機(jī)；6—?dú)鈮罕茫?—?dú)鈮罕恚?—單向閥；9,13—O型三位四通電磁換向閥；10,11,14,15—調(diào)速閥；12—夾緊氣缸；16—支撐夾緊氣缸

2)手動控制過程：開機(jī)后系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，當(dāng)完成初始化后，將一直處于無動作運(yùn)行狀態(tài)，直到用戶根據(jù)自己的需求選擇手動、單循環(huán)或自動循環(huán)3種模式的一種。在手動模式下，當(dāng)三位四通電磁換向閥左位電磁閥1YA得電時，夾緊氣缸缸桿伸出執(zhí)行夾緊動作，當(dāng)右位電磁閥2YA得電時，夾緊氣缸缸桿執(zhí)行松開動作；當(dāng)左位電磁閥3YA得電時，支撐夾緊氣缸缸桿也執(zhí)行輔助夾緊動作，當(dāng)右位電磁閥4YA得電時，支撐夾緊氣缸缸桿執(zhí)行返回動作。當(dāng)按下輸送按鈕時，首先夾緊氣缸執(zhí)行夾緊動作，然后伺服電機(jī)執(zhí)行輸送動作；當(dāng)按下前移按鈕時，首先支撐夾緊氣缸執(zhí)行回原點(diǎn)動作，然后普通電機(jī)執(zhí)行前移動作；當(dāng)按下后移按鈕時，首先支撐夾緊氣缸執(zhí)行回原點(diǎn)動作，然后輔助支撐裝置執(zhí)行后移動作。

3)單循環(huán)控制過程：自動輸送銅管設(shè)備單循環(huán)模式與自動循環(huán)模式執(zhí)行運(yùn)送銅管的流程是一樣的，唯一不同點(diǎn)是單循環(huán)模式下系統(tǒng)以檢測到?jīng)]有銅管作為程序結(jié)束的標(biāo)志，系統(tǒng)初始化之后僅執(zhí)行一個循環(huán)，隨后所有氣缸在執(zhí)行完動作后系統(tǒng)立即執(zhí)行回原點(diǎn)動作，否則控制系統(tǒng)將無法再次運(yùn)行或者發(fā)生誤動作。

4)回原點(diǎn)控制過程：系統(tǒng)未供電時，各電磁換向閥處于中位，閥口均關(guān)閉；系統(tǒng)供電后，無論此時各氣缸運(yùn)行到何處，都將默認(rèn)進(jìn)入初始化狀態(tài)，各氣缸磁感應(yīng)器、壓力表以及電磁閥開關(guān)進(jìn)入自檢狀態(tài)。當(dāng)檢測到夾緊氣缸后端磁感應(yīng)器未到位，電磁閥右位2YA得電，夾緊氣缸缸桿縮回到原點(diǎn)；當(dāng)檢測到支撐夾緊氣缸后端磁感應(yīng)器未到位，電磁閥右位4YA得電，使得支撐夾緊氣缸缸桿縮回到頂端；當(dāng)移動電機(jī)后端支撐夾緊裝置上的傳感器檢測到信號，系統(tǒng)首先執(zhí)行支撐夾緊氣缸回原點(diǎn)動作，回原點(diǎn)動作完成之后再使移動電機(jī)旋轉(zhuǎn)直到支撐夾緊裝置后端傳感器檢測到有信號，表示支撐夾緊裝置已完成執(zhí)行回原點(diǎn)動作。以上每個步驟回原點(diǎn)流程，最終形成輸送銅管設(shè)備初始化總流程。

5)自動循環(huán)控制過程：系統(tǒng)上電執(zhí)行初始化動作后，在自動循環(huán)控制模式下，設(shè)備一直處于檢測銅管有無的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到有銅管的信號時，設(shè)備立即依次執(zhí)行夾緊動作、輔助夾緊動作、輸送動作、支撐夾緊裝置返回動作。完成以上動作后，系統(tǒng)會再次判斷是否應(yīng)該執(zhí)行下一個循環(huán)動作，從而使輸送銅管設(shè)備完成整個自動循環(huán)流程。設(shè)備自動循環(huán)控制過程流程圖如圖3所示。

圖3 自動循環(huán)控制方式流程圖

3 控制系統(tǒng)的硬件配置

自動輸送銅管設(shè)備依據(jù)功能控制要求，所需PLC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)全部為開關(guān)量，因此方便選擇PLC型號及I/O點(diǎn)數(shù)和編寫內(nèi)部程序[4]。由于S7-1200系列 PLC延伸出的所有輸入輸出端子形成端子排，因此接線方便[5]。PLC外部接線圖如圖4所示。

4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

4.1 主程序設(shè)計

自動控制輸送銅管設(shè)備系統(tǒng)操作面板包含所有常用的手動命令，如圖5所示。現(xiàn)場按鈕是很分散的，不再給出。

圖4 CPU外部接線示意圖

圖5 控制系統(tǒng)操作面板

4.2 自動操作方式的程序設(shè)計

自動控制輸送銅管設(shè)備梯形圖的程序采用順序控制思想設(shè)計，程序利用輔助線圈的自鎖和互鎖實(shí)現(xiàn)[6]。設(shè)備在自動循環(huán)模式下的系統(tǒng)順序功能圖如圖6所示。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的自動控制輸送銅管設(shè)備因其具有的PLC控制可靠性高、維護(hù)方便、抗干擾能力較強(qiáng)、易學(xué)易用等特點(diǎn)[7]，逐步得到推廣。設(shè)備在某工廠經(jīng)多次驗(yàn)證，自動控制方式和設(shè)計方案證明是很合理的，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,同時設(shè)備還大大提高了生產(chǎn)效率，解放了勞動力，為工廠帶來明顯的效益。

圖6 自動操作方式順序功能圖