基于PLC控制的多芯電纜全自動(dòng)剝線設(shè)備設(shè)計(jì)及研究

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 河北石家莊 050018)

引言

隨著市場(chǎng)對(duì)多芯電纜的需求迅速增長(zhǎng)，對(duì)電纜剝線自動(dòng)化的要求也越來越高。剝線機(jī)用于對(duì)電纜絕緣外皮和金屬內(nèi)芯的剪剝分離[1]。然而現(xiàn)階段市面上應(yīng)用的自動(dòng)剝線設(shè)備只能應(yīng)用于同軸電纜。對(duì)多芯電纜的剝線工作，需要在外層絕緣皮剝除后，人工對(duì)內(nèi)芯線絕緣皮進(jìn)行逐根剝除，工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高。多芯電纜全自動(dòng)剝線設(shè)備可以完成對(duì)多芯電纜外層、內(nèi)層絕緣皮剝除。該設(shè)備采用PLC控制，通過控制步進(jìn)電機(jī)完成電纜的上料、控制各個(gè)氣缸完成絕緣皮的剝除，具有安全穩(wěn)定、維護(hù)性高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。氣動(dòng)技術(shù)因具有高效、安全、低成本等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)等領(lǐng)域,所以執(zhí)行剝線工作氣缸以空氣介質(zhì)實(shí)現(xiàn)能量和信號(hào)的傳遞，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速、重量輕和無污染等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。基于上述原因，設(shè)備采用PLC控制和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

1 多芯電纜自動(dòng)剝線結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，多芯電纜全自動(dòng)剝線設(shè)備各個(gè)機(jī)構(gòu)的分布從電纜上料方向分別為：電纜校直器、電纜定量上料機(jī)構(gòu)、沖擊切斷氣缸、電纜尾部剝線機(jī)構(gòu)、電纜上料機(jī)構(gòu)、扭線機(jī)構(gòu)、電纜頭部剝線機(jī)構(gòu)。電纜定量上料機(jī)構(gòu)和電纜定向上料機(jī)構(gòu)均由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)輸送輥來實(shí)現(xiàn)電纜的進(jìn)給。

1.電纜頭部剝線機(jī)構(gòu) 2.扭線機(jī)構(gòu) 3.電纜定向上料機(jī)構(gòu) 4.電纜尾部剝線機(jī)構(gòu) 5.沖擊切斷氣缸 6.電纜定量上料機(jī)構(gòu) 7.電纜校直器圖1 多芯電纜剝線機(jī)構(gòu)圖

該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)0.75～1.2 m長(zhǎng)的電纜原料頭、尾部剝除絕緣皮工作，工作原理如下：電纜原料穿過電纜校直器、電纜定量上料機(jī)構(gòu)到達(dá)沖擊切斷氣缸位置，準(zhǔn)備工作結(jié)束。由電纜定量上料機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電纜原料進(jìn)給，到達(dá)指定電纜長(zhǎng)度后，沖擊切斷氣缸將電纜定長(zhǎng)度切斷，電纜定向上料機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電纜進(jìn)給，使電纜尾部到達(dá)電纜尾部剝線機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電纜尾部剝線工作。電纜定向上料機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電纜進(jìn)給，直至觸發(fā)上料光電傳感器，實(shí)現(xiàn)電纜頭部剝線工作。上料光電傳感器安裝在電纜頭部剝線機(jī)構(gòu)中的氣缸滑軌中。用于檢測(cè)電纜頭部是否到達(dá)剝線位置。在剝內(nèi)芯線的過程中，扭線機(jī)構(gòu)工作，將電纜沿著電纜軸線反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)30°，配合頭、尾部剝線機(jī)構(gòu)將內(nèi)芯線攤平、并剝除內(nèi)芯線的絕緣皮。

該設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)電纜長(zhǎng)度在1.2 m及以上的剝線工作：通過改變圖1中各個(gè)執(zhí)行元件的動(dòng)作順序來實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度電纜絕緣皮剝除工作。

頭部剝線機(jī)構(gòu)工作原理如圖2所示：電纜上料到位后：由頭部外層絕緣皮擠壓氣缸帶動(dòng)多芯電纜外層絕緣皮剝除刀具沿Y方向伸出，對(duì)電纜外層絕緣皮進(jìn)行擠壓切斷；頭部外層絕緣皮剝除導(dǎo)軌氣缸沿X方向帶動(dòng)伸出狀態(tài)的外層絕緣皮擠壓氣缸運(yùn)動(dòng)，從而將外層絕緣皮剝除；內(nèi)芯線擠壓氣缸帶動(dòng)多芯電纜內(nèi)層絕緣皮剝除刀架對(duì)裸露的內(nèi)芯線進(jìn)行擠壓，將內(nèi)芯線攤平并切斷內(nèi)層絕緣皮，內(nèi)芯線絕緣皮剝除氣缸帶動(dòng)內(nèi)芯線絕緣皮擠壓氣缸向X方向運(yùn)動(dòng)，將內(nèi)芯線絕緣皮剝除。壓線組件主要作用是將束狀排列的內(nèi)芯線攤平。當(dāng)壓線輥擠壓到內(nèi)芯線時(shí)，反作用力使壓線輥和斜滑柱沿著斜滑柱傾斜的方向在斜滑槽中縮回，從而擠壓壓線組件內(nèi)部的彈簧，通過彈簧的彈力使壓線輥對(duì)內(nèi)芯線沿著斜滑柱傾斜的方向產(chǎn)生F1和F2的力，如圖2所示，配合扭線機(jī)構(gòu)帶給電纜的轉(zhuǎn)矩T1，可有效解決束狀排列內(nèi)芯線的攤平問題。

1.頭部外層絕緣皮剝除導(dǎo)軌氣缸 2.多芯電纜外層絕緣皮剝除刀具 3.頭部外層絕緣皮擠壓氣缸 4.電纜 5.壓線組件 6.多芯電纜內(nèi)層絕緣皮剝除刀架 7.多芯電纜內(nèi)層絕緣皮剝除刀片 8.頭部?jī)?nèi)芯線絕緣皮擠壓氣缸 9.氣缸滑軌 10.頭部?jī)?nèi)芯線絕緣皮剝除氣缸 11.安裝板 12.斜滑槽 13.斜滑柱 14.壓線輥 15.彈簧圖2 頭部剝線機(jī)構(gòu)及壓線組件結(jié)構(gòu)

圖3 氣動(dòng)原理圖

2 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本剝線設(shè)備的氣動(dòng)原理如圖3所示，氣動(dòng)系統(tǒng)由氣源、氣動(dòng)三聯(lián)件、電磁閥、單向節(jié)流閥及氣缸組成[5]。電磁閥的選用方面，除了電纜夾緊手指氣缸采用二位三通電磁閥，其余的氣動(dòng)回路都采用二位四通電磁閥。10個(gè)電磁閥都由PLC進(jìn)行控制。為使各個(gè)剝線工作氣缸以及切斷氣缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)， 關(guān)鍵剝線氣缸工作回路和復(fù)位回路均裝有單向調(diào)速閥。各執(zhí)行氣缸都是通過電磁換向閥控制其換向，通過控制電磁鐵的得、失電來控制各氣缸的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)以上各個(gè)執(zhí)行氣缸的運(yùn)動(dòng)控制[6-7]。

表1 多芯電纜自動(dòng)剝外、內(nèi)絕緣皮設(shè)備PLC I/O表

3 電氣控制系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC的選型與I/O口分配

PLC是一種通用好、功能完備的控制元件，是控制系統(tǒng)的核心，優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性高[8]。根據(jù)控制要求，選型的PLC需要有12個(gè)輸入口，14個(gè)輸出口。輸入、輸出口具體功能分配見表1。則選用臺(tái)達(dá)DVP32ES200TC,該型號(hào)PLC有16個(gè)輸入口，16個(gè)輸出口。

3.2 程序設(shè)計(jì)

PLC控制程序采用順序控制的形式，即按照預(yù)設(shè)順序，逐步執(zhí)行。順序功能圖編程屬于一種新的圖形化編程方法，它是使用流程圖來表示一個(gè)順序控制過程，包括步、轉(zhuǎn)化條件及有向連線[9]。根據(jù)以上描述的工作順序，以剝除電纜原料長(zhǎng)度為1.2 m為例，進(jìn)行PLC順序功能圖的繪制，PLC控制程序順序功能圖如圖4所示。

3.3 氣壓系統(tǒng)仿真

根據(jù)氣壓原理圖(見圖2)在FliudSIM-P中調(diào)用對(duì)應(yīng)的氣壓元件，完成氣壓回路的搭建。對(duì)氣壓回路中的各個(gè)元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置， 包括氣泵壓力、流量、氣缸行程、負(fù)載以及節(jié)流閥開口度等[10]。在不同氣缸上標(biāo)注氣缸名稱，并對(duì)各個(gè)電磁閥開關(guān)添加標(biāo)簽。同理，根據(jù)剝線設(shè)備動(dòng)作順序和PLC控制程序功能圖，在FliudSIM-P中調(diào)用所需的電氣元件，包括電源、開關(guān)、繼電器、延時(shí)繼電器等。對(duì)各項(xiàng)元器件添加名稱，并對(duì)電磁線圈和電磁閥添加相同的標(biāo)簽來進(jìn)行關(guān)聯(lián)[11]。電氣控制系統(tǒng)仿真過程圖如圖5所示。

圖4 控制程序順序功能圖

圖5 電氣控制系統(tǒng)仿真過程圖

3.4 仿真結(jié)果分析

如圖6a～圖6c，從仿真過程中可直接動(dòng)態(tài)觀測(cè)到各個(gè)氣缸動(dòng)作順序，整體動(dòng)作順序符合設(shè)計(jì)要求。針對(duì)頭、尾部剝線機(jī)構(gòu)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)剝線刀具在絕緣皮上打滑、切斷內(nèi)芯線以及內(nèi)芯線不能有效攤平等情況，究其原因是因?yàn)閷?duì)氣缸輸出力大小的把控不是很精準(zhǔn)。因此，參數(shù)優(yōu)化主要是控制壓力閥調(diào)定值及調(diào)節(jié)每個(gè)氣缸上的單向節(jié)流閥的開口程度，以得到合適的氣缸輸出力和動(dòng)作速度。對(duì)該設(shè)備各個(gè)氣缸進(jìn)行氣路仿真分析后，通過采用高、低氣壓p控制方案和調(diào)節(jié)各個(gè)氣壓回路中單向節(jié)流閥的開口度，可以有效地解決上述問題。各個(gè)氣缸調(diào)整參數(shù)如表2。

表2 各個(gè)執(zhí)行氣缸的正常工作參數(shù)

圖6 FluidSIM-P 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

多芯電纜全自動(dòng)剝線設(shè)備解決了多芯電纜在使用過程中手工剝線的難題。該設(shè)備有助于提高多芯電纜外、內(nèi)層絕緣皮剝除工作的自動(dòng)化。對(duì)多芯電纜的廣泛應(yīng)用具有推進(jìn)作用。通過FluidSIM-P的仿真實(shí)驗(yàn)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)回路中存在的問題， 在沒有搭建氣壓回路的情況下，了解各個(gè)氣缸的動(dòng)態(tài)性能，有利于縮短系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約成本[12]。