手動(dòng)玻璃切割機(jī)的自動(dòng)化改造

黃俊杰

摘 要：文章介紹了如何使用PLC對(duì)一臺(tái)舊式手動(dòng)的SY-340型號(hào)玻璃切割機(jī)進(jìn)行改造，采用機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)玻璃切割機(jī)自動(dòng)化控制。

關(guān)鍵詞：玻璃切割機(jī)；自動(dòng)化；改造

中圖分類號(hào)：TM571 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）20-0098-04

Abstract： This paper introduces how to use PLC to transform an old manual SY-340 glass cutting machine and realize the automatic control of glass cutting machine by using the design idea of mechatronics system.

Keywords： glass cutting machine； automation； modification

由于生產(chǎn)規(guī)模以及資金不足的原因，該企業(yè)使用的是手動(dòng)的SY-340型號(hào)玻璃切割機(jī)，品牌為：SY/申遠(yuǎn)，規(guī)格為450*450（mm），最小加工尺寸為30mm，最大加工尺寸為120mm。具有切割弧線小，操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。

1 玻璃切割機(jī)基本構(gòu)成與加工過(guò)程

在改造之前，本人通過(guò)研究分析，得出玻璃切割機(jī)基本構(gòu)成如下：

（1）玻璃切割機(jī)主要用于切割，而且本機(jī)構(gòu)主要是用于玻璃劃圓的切割。

（2）在對(duì)玻璃切割時(shí)，切割機(jī)構(gòu)需要行進(jìn)旋轉(zhuǎn)對(duì)與玻璃的切割工作。

（3）防止玻璃在切割時(shí)產(chǎn)生位移，影響產(chǎn)品質(zhì)量，在對(duì)玻璃進(jìn)行切割前，需要設(shè)計(jì)玻璃的壓緊機(jī)構(gòu)。

基于以上的分析，本次自動(dòng)化設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，使之實(shí)現(xiàn)以下過(guò)程：

玻璃放置——壓緊玻璃——自動(dòng)切割——完成切割——切割機(jī)構(gòu)返回——切割機(jī)構(gòu)停止——松開(kāi)切割好的玻璃——取出成品。

2 方案的選擇與可行性分析

基于以上的分析，制定了兩個(gè)自動(dòng)化改造方案，分別是繼電器控制和PLC控制。并對(duì)兩種方案進(jìn)行可行性分析。

2.1 控制邏輯

采用硬接線邏輯是繼電器控制邏輯主要特征，通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)的方法將繼電器機(jī)械觸點(diǎn)與其他元器件構(gòu)成控制電路，再加上延時(shí)繼電器的滯后動(dòng)作組合成控制邏輯?；诶^電器控制的線路，系統(tǒng)構(gòu)成龐雜，對(duì)功能的增改操作非常不便，同時(shí)其體積大，功耗大。

2.2 工作方式

繼電控制線路中當(dāng)電路形成閉合回路時(shí)，各繼電器吸合與不吸合的狀態(tài)都將受到制約。在PLC的控制邏輯中，是對(duì)程序進(jìn)行循環(huán)掃描的，由于掃描時(shí)間非常之快，每個(gè)繼電器受制約的時(shí)間幾乎可以忽略不計(jì)。

2.3 控制速度

由于繼電器采用的是觸點(diǎn)吸合和釋放的機(jī)械動(dòng)作，這樣的動(dòng)作形式工作頻率低，同時(shí)還會(huì)伴隨有機(jī)械觸點(diǎn)的抖動(dòng)。而PLC控制是由半導(dǎo)體邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，響應(yīng)速度快，工作頻率高，并且不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械抖動(dòng)問(wèn)題。

2.4 限時(shí)控制

繼電器控制一般都采用時(shí)間繼電器進(jìn)行時(shí)間控制。時(shí)間繼電器容易受環(huán)境的影響，環(huán)境的濕度和溫度等都會(huì)制約其定時(shí)精度。有些特殊的時(shí)間繼電器結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成維護(hù)上的不便。

2.5 計(jì)數(shù)控制

繼電控制不具備計(jì)數(shù)控制功能，而PLC能輕松實(shí)現(xiàn)。

2.6 設(shè)計(jì)與施工

繼電控制工程周期長(zhǎng)，系統(tǒng)的更改麻煩。而采用PLC達(dá)到相同控制要求，則可很好避免以上缺點(diǎn)。整個(gè)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程可以并列進(jìn)行，大大縮短開(kāi)發(fā)周期，編程與現(xiàn)場(chǎng)施工互不制約。

2.7 可靠性和可維護(hù)性

使用繼電控制必須要使用大量的機(jī)械觸點(diǎn)，這樣會(huì)導(dǎo)致龐雜的接線。因?yàn)殡娀〉漠a(chǎn)生，觸點(diǎn)容易機(jī)械磨損，造成使用壽命縮短，容易造成接觸不良，系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性差。而PLC完成開(kāi)關(guān)動(dòng)作是通過(guò)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不存在觸點(diǎn)磨損的問(wèn)題。PLC本身帶有自檢和監(jiān)督功能，若自身有故障產(chǎn)生，會(huì)顯示出來(lái)，方便操作人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。同時(shí)程序的執(zhí)行情況還能進(jìn)行動(dòng)態(tài)地監(jiān)視控制，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)提供了方便。

2.8 價(jià)格

繼電控制邏輯價(jià)格比較便宜，PLC價(jià)格比較昂貴。

綜上所述，選擇PLC控制具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）工作可靠，環(huán)境變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響小。

（2）開(kāi)發(fā)周期短，調(diào)試方便。

（3）系統(tǒng)精簡(jiǎn)、功能強(qiáng)大，方便維護(hù)，改造容易。

（4）能耗低，體積小，重量輕。

因此，經(jīng)過(guò)以上對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全性、可靠性、生產(chǎn)效率最優(yōu)化、產(chǎn)品效益最大化的要求，本設(shè)計(jì)采用基于PLC的控制方案。

結(jié)合系統(tǒng)控制要求，本方案的PLC需滿足輸入15個(gè)點(diǎn)，輸出11個(gè)點(diǎn)，采用晶體管輸出。

再綜合考慮性價(jià)比以及結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)最后選擇了三菱的FX1N系列PLC，F(xiàn)X1N系列PLC集合了眾多優(yōu)點(diǎn)，功能強(qiáng)大，體積小，功耗低。

3 玻璃切割機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

現(xiàn)將玻璃切割機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)論述如下：

3.1 工作原理

玻璃切割機(jī)的具體結(jié)構(gòu)如圖1。

玻璃切割機(jī)主要由工作臺(tái)，固定裝置，步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)裝置，限位裝置（限位器8，定位器，切割裝置，控制裝置組成。

做切割工作的時(shí)候，只需把原料平放在工作臺(tái)上，系統(tǒng)啟動(dòng)踩下腳踏開(kāi)關(guān)即可，此時(shí)電磁閥YA得電，傳動(dòng)軸在氣缸的帶動(dòng)下下降；按下啟動(dòng)按鈕，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，傳動(dòng)輪在主動(dòng)輪通過(guò)齒帶帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸在傳動(dòng)輪帶動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)一系列機(jī)械傳動(dòng)后，玻璃刀具便可實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃進(jìn)行圓形或弧形的切割。

為避免在切割時(shí)，刀具過(guò)度下降，造成刀具碰撞工作臺(tái)，損壞刀具和工作臺(tái)。本設(shè)計(jì)引入定位器進(jìn)行規(guī)避。為適應(yīng)加工不同規(guī)格的玻璃，只需調(diào)節(jié)限位器固定螺母進(jìn)行上下位置調(diào)整。

3.2 玻璃切割機(jī)的控制要求

為了適應(yīng)不同切割的要求，改造的玻璃切割機(jī)應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)以下的要求：

（1）手動(dòng)控制和自動(dòng)控制可

切換。

（2）手動(dòng)控制模式下，腳踏開(kāi)關(guān)一直踩住不放，轉(zhuǎn)動(dòng)軸根據(jù)用戶設(shè)定時(shí)間下降到位，時(shí)間一到，轉(zhuǎn)動(dòng)軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具對(duì)玻璃進(jìn)行切割。切割速度為預(yù)置值，腳踏開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間長(zhǎng)短決定切割的角度，腳松開(kāi)即停止切割。

（3）自動(dòng)控制方式下，操作員只需踩一下腳踏開(kāi)關(guān)，在設(shè)置時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)軸就會(huì)自動(dòng)下降到位，PLC自動(dòng)獲取用戶輸入的速度和角度。時(shí)間到，刀具根據(jù)PLC程序設(shè)定的動(dòng)作進(jìn)行切割玻璃，完成切割后自動(dòng)回到初始位置。

（4）切割角度為可調(diào)三位，從0至999度。系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定值由0.5至5秒；速度為兩位可調(diào)從0至99。

（5）不同的工作狀態(tài)有相應(yīng)的指示燈指示，在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，控制面板上的手動(dòng)/自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)上的指示燈點(diǎn)亮，只要系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)指示燈就會(huì)點(diǎn)亮，進(jìn)行切割工作時(shí)切割指示燈點(diǎn)亮。無(wú)論系統(tǒng)進(jìn)行到那種工作狀態(tài)，當(dāng)按下停止按鈕，系統(tǒng)復(fù)位并停止。

（6）切割次數(shù)由計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。

3.3 玻璃切割機(jī)的控制系統(tǒng)

綜合以上的控制要求，設(shè)計(jì)玻璃切割機(jī)控制系統(tǒng)如圖2。

通過(guò)圖2簡(jiǎn)明示意了各元件控制流程控制系統(tǒng)和各部分組成的邏輯關(guān)系。

啟動(dòng)信號(hào)由腳踏開(kāi)關(guān)產(chǎn)生，PLC從急停按鈕處獲取急停信號(hào)，方式選擇信號(hào)由手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕產(chǎn)生。

時(shí)間值、速度值、角度值都由BCD數(shù)字開(kāi)關(guān)設(shè)定。其中時(shí)間值設(shè)定用一位的，速度值設(shè)定用兩位的，角度值設(shè)定用三位的。

以上信號(hào)發(fā)出后，PLC立即作出響應(yīng)，經(jīng)運(yùn)算后。輸出指示燈的控制信號(hào)，并對(duì)計(jì)數(shù)器發(fā)出計(jì)數(shù)信號(hào)。

PLC根據(jù)用戶輸入的速度和角度參數(shù)通過(guò)程序產(chǎn)生相應(yīng)的速度、角度脈沖列信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)器接收脈沖列信號(hào)，從而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

3.4 玻璃切割機(jī)的PLC控制

3.4.1 I/O分配

根據(jù)以上對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將PLC的I/O分配如圖3。

時(shí)間設(shè)定用的BCD數(shù)字開(kāi)關(guān)，將其公共端接于輸入的公共端子上。如圖3所示。

3.4.2 程序設(shè)計(jì)分析

（1）信號(hào)采集

采用MOV指令將時(shí)間設(shè)定的信號(hào)儲(chǔ)存于寄存器D0中。

采用DSW數(shù)字開(kāi)關(guān)指令將速度設(shè)定的信號(hào)儲(chǔ)存于寄存器D2中。PLC的DSW數(shù)字開(kāi)關(guān)指令被執(zhí)行時(shí)，輸出點(diǎn)Y14至Y17將輪流導(dǎo)通100ms，BCD兩位數(shù)字開(kāi)關(guān)連接了輸入點(diǎn)X14至X17，這些輸入信號(hào)將按Y14至Y17的順序讀入和存儲(chǔ)于D2中。執(zhí)行DSW指令會(huì)占用Y16和Y17，因此Y16和Y17應(yīng)懸空，不能用作其他輸出點(diǎn)。

采用DSW數(shù)字開(kāi)關(guān)指令將角度輸入信號(hào)儲(chǔ)存于寄存器D4中。與采集速度信號(hào)一樣，PLC的DSW數(shù)字開(kāi)關(guān)指令執(zhí)行時(shí)，輸出點(diǎn)Y10至Y13將輪流導(dǎo)通100ms，BCD三位數(shù)字開(kāi)關(guān)連接了輸入點(diǎn)X10至X13，這些信號(hào)將按Y10至Y13的順序讀入并存于D4中。執(zhí)行DSW指令會(huì)占用Y13，因此Y13應(yīng)懸空，不能用作其他輸出點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)處理

采集的數(shù)據(jù)是PLC處理的第一步，還要通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ǖ贸龇陷敵隽恳蟮闹怠?/p>

比如輸出時(shí)間值，我們將信號(hào)存儲(chǔ)于D0，采集的信號(hào)為數(shù)字0至9。所以輸出的信號(hào)應(yīng)為0.5至5秒左右，這就要求將D0的值放大5倍后存儲(chǔ)于D10中，這樣我們就可以得到時(shí)間設(shè)定值為0至45。最后用指令“OUT T0 D10”便可實(shí)現(xiàn)0至5秒的時(shí)間控制。

將存儲(chǔ)于D2中的速度信號(hào)值放大一定的倍數(shù)后存儲(chǔ)于D12中，這就把脈沖輸出頻率設(shè)定完成。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)調(diào)試，本系統(tǒng)的最佳放大倍數(shù)為60倍。

存儲(chǔ)于D4中的角度信號(hào)值，經(jīng)PLC運(yùn)算后其輸出脈沖數(shù)應(yīng)在被步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器獲取后，準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使玻璃刀轉(zhuǎn)過(guò)的角度達(dá)到設(shè)定值的要求。

（3）信號(hào)輸出

如前所述，時(shí)間值的輸出采用指令“OUT T0 D10”。

指令DPLSR 是具有32位的帶加減速脈沖輸出功能的指令，可以用在速度和角度信息的輸出。步進(jìn)電機(jī)在瞬間加速或減速會(huì)發(fā)生失步現(xiàn)象，影響控制精度，加工角度會(huì)有誤差，采用帶加減速設(shè)定可以避免這種現(xiàn)象。

為了保證有足夠時(shí)間進(jìn)行連續(xù)切割，手動(dòng)時(shí)設(shè)置DPLSR指令為：“DPLSR D12 K99999999 K100 Y0”，其中K99999999為設(shè)置時(shí)間，自動(dòng)模式下指令為：“DPLSR D12 D16 K100 Y0”。

其中D12為頻率設(shè)定值，對(duì)應(yīng)輸入的速度值，D16代表了總輸出脈沖，代表輸入的角度值，數(shù)值K100為加減速時(shí)間，代表時(shí)間設(shè)定為100ms。

3.4.3 梯形圖

通過(guò)以上程序設(shè)計(jì)分析，編程的梯形圖如圖4，并進(jìn)行了程序注釋。程序分為數(shù)據(jù)采集與計(jì)算（0～63步）、手動(dòng)方式（64～66、70～97步）、自動(dòng)方式（67～69、98～143步）、輸出處理（144～160步）四部分，參見(jiàn)圖4中的注釋。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次玻璃切割機(jī)的自動(dòng)化改造采用了PLC控制，證明了舊設(shè)備能添加PLC進(jìn)行自動(dòng)化改造的可行性。而在該機(jī)器的玻璃送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)改造方面，可以繼續(xù)開(kāi)展研究，將其改造成能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料、自動(dòng)定位、自動(dòng)切割的全自動(dòng)玻璃切割機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張鳳珊.電氣控制及可編程程序控制器[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2003.

[2]梁耀光，余文烋.電工新技術(shù)教程[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007.

[3]林永忠.PLC在石材切割機(jī)中的應(yīng)用[J].福建電腦，2004.