基于PLC的全自动车丝机控制系统设计

陆晴 储健

摘要：本文主要介绍了以s7-200PLC为控制核心的車丝机的控制系统，对车丝机的工作原理进行了简单的阐述，利用MCGS监控软件对车丝的工作过程进行监控。本系统的车丝机机床具有车丝范围广，精度高等特点。

关键词：PLC；变频器；数控机床；MCGS；

1引言

由于石油钻采业的发展和各油田地质条件的特殊性,油田对石油套管提出很多新要求,促使生产企业进行技术改造和新产品开发,满足用户要求。本系统车丝机机采用管体固定不动，刀盘上的刀具在围绕管体旋转的同时，作X轴(径向)和Z轴(轴向)两个方向运动的加工方式。具有车丝范围广，精度高的特点。

基金支持：天津职业技术师范大学科研发展基金项目（KJ11-24）。

2 车丝机工作原理

本机床由一台s7—200PLC(224),一台PC机（用MCGS作为监控软件）,两台MR-J2S三菱伺服电机,两台变频器，两个高精度（3600转）编码器和自己开发的频率调制板组成控制核心，其能车20种4分到四寸钢管，包括了英标和美标规定的从4分到4寸的所有钢管。

本系统采用纵向主动横向随动的控制方式。轴向电机，也就是主轴电机由西门子的变频器控制，横向电机由MR-J2S三菱伺服电机控制。权衡了车丝的精度和效率后，最终确定的变频器的建议工作频率如下表2-1所示：（建议的频率是根据理论计算的值，用户可以根据实际的工作需要进行略微的更改）

表2-1变频器的建议工作频率

规格(inch) 外径(in) 外径(mm) 空刀量(mm) 罗纹长(in) 切削速度(m/min) 赫兹数(hz) 减速比 主轴转速(rpm 螺距(in) 螺距(mm)

0.5 0.8 21 45 0.782 33.5 150 6 500 0.071 1.81

0.75 1.1 27 45 0.794 39.08 140 6 467 0.071 1.81

1 1.3 33 45 0.985 39.85 114 6 380 0.087 2.21

1.25 1.7 42 45 1.009 39.72 90 6 300 0.087 2.21

1.5 1.9 48 45 1.025 39.4 78 6 260 0.087 2.21

2 2.4 60 45 1.582 39.78 63 6 210 0.087 2.21

2.5 2.9 73 45 1.571 39.75 52 6 173 0.125 3.18

3 3.5 89 45 1.634 39.55 43 6 142 0.125 3.18

3.5 4 102 45 1.684 39.88 38 6 125 0.125 3.18

本系统通过MCGS监控软件操作员可以通过屏幕观察到实时在线运行情况，得到系统的诊断和报警信息，进而调整一系列的加工参数，大大加强了人机交流，更加有利于车丝机的正常运行。如在加工时，在手动控制画面中（如图2-1），能监视到左右主轴的建议转速及实际转速，以及所车的管径及牙数。

图2-1全自动车丝机手动控制画面

3 车丝机工作流程

（1）窗口的选择

本车丝机床车丝共分为三个部分，首先是车丝前的准备快进部分。根据钢管厂的实际工作方式，一般情况下，钢管厂会在一段时间里车同一个同一种钢管，所以在每一次换钢管以前都要做以下工作，

在如下的窗口选择钢管标准

在如下的窗口进入管径和牙数的选择界面

在如下的窗口选择管径和牙数

（2）车丝工序

做了以上几步也就做完了准备工作，进入真正的车丝工序，

在实际的车丝过程中，可将车丝分为四个过程1、快进；2、慢进1；3、慢进2；4、快退 。

快进是为了提高效率和给车不同的钢管留余量而留的，这步完全是由PLC的包络表发出告诉脉冲指令来控制；慢进1，也就是车丝的核心部分，它是在确定主轴的转速以后，由高精度编码器检测主轴电机的转速，然后根据钢管牙数的不同选择分频比例，经过自制的分频器进行一定分频后，再送给伺服电机，组成一个主从系统，也就是说，横向电机随着轴向电机运动，这样即能保证车丝的精度，又能保证车丝的效率；慢进2，也就是车丝的张刀部分，由于车丝后的钢管要和螺母连接到一起，所以车的钢管不能是剃头的，这就决定了在车完丝以后还有一个边车丝边张刀的过程；快退是为下一次车丝做准备，由于本系统是数控系统，为了保证车丝的精度，要求如下关系：快退的行程=快进行程+慢进1行程+慢进2行程。在多次实验后发现，这完全能实现本车丝机的技术指标，但是，为了防止编码器等数控器件有误差，所以又加了位控系统，也就是说，在每一次快退以后，还有一个找零的过程，这样就保证了车丝的精度。

4 总结

车丝机通过几年的生产运行,证明控制系统能满足工艺要求,而且它本身具有很高的可靠性。现对其进行分析研究,将提高对车丝机的理解掌握程度,使它发挥出更大的作用,同时也对其它类似数控设备的了解带来帮助。

参考文献

[1]毕承恩.现代数控机床.机械工业出版社.1993.

[2]温宏伟.套管车丝机控制系统分析.焊管.第22卷第二期.1993.

[3]陈国彬.宋立军.李传广.陈乔.管体车丝机工具系统分析.工具技术.第3期.2006.

[4]吴则中.新型数控管螺纹自动机床和管接箍车丝机床.石油机械.第28卷第二期.2000.

[5]张立.加工高质量丝扣的数控车丝机.科技动态.(75).

作者简介：陆晴，（1987-），女，汉，天津，天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，学生，研究生；储健，（1961-），男，汉，天津，天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，教授，硕士

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。