钢管切割与冲压成型的上下料自动化系统设计

柏宜群，石成江

(辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001)

钢管切割与冲压成型的上下料自动化系统设计

柏宜群，石成江

(辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001)

研究了实现钢锹生产过程中钢管的切割和冲压成型自动化而设计的一套自动上、下料机构，介绍了该系统的构成和工作原理，该系统采用PLC-人机界面的控制方式，实现上、下料的自动化，节约了人工成本，提高了生产效率。

钢管切割；冲压成型；上下料；自动化；PLC

0 引言

面对加工设备自动化程度的落后和技术工人缺乏的现状，当前的批量型机加工行业迫切要求加工设备智能化、无人化。随着科学技术的发展与应用，机械自动化的生产也成为必然趋势，因此很多自动、半自动上、下料系统应运而生。现在自动化设备上较为常见的上、下料方式有两种：1) 桁架机械手，动作平稳性较高，适合大批量生产；2) 机械手，使用性较强，可作为柔性制造基础单元[1]。这两种上、下料方式结构都相对比较复杂，成本较高。于是开发适合各个生产加工业的经济型自动上、下料系统也应运而生。

钢管切割和冲压成型是钢锹生产工艺流程中的重要工序，是将钢管坯料切割成所需尺寸的钢管，再进行冲压得到冲压件，然后完成一系列工序，最终得到钢锹成品。一直以来钢管切割和冲压成型过程都是采用人工完成上、下料工作，其生产效率低、生产成本高、安全性差。这些传统的操作方式，严重制约了生产线向自动化、柔性化方向的发展。为此，通过对钢管切割机和冲压机的分析，对其自动上、下料机构进行了设计研究，将切割与冲压二道工序内容系统考虑，转变为一个自动化单元，以达到节省作业时间和人力资源，提高生产安全和效率的目的。

1 设计要求及设计参数

1.1 设计要求

根据钢管切割与冲压成型生产线的工艺特点及切割设备、冲压设备机械结构，按照厂家的要求及现场的生产条件，自动上下料结构的设计应满足以下要求：钢管坯料供给应实现自动上料；自动上、下料的时间要控制在一定时间内完成；上料机构所在的钢管坯料中心与切割机位置相适应；整套上、下料机构与切割生产线、冲压生产线配合，正常工作时不应人工干预。

1.2 设计的主要技术参数

待切钢管最大长度为6m，切断后的钢管长度范围为0.3～1m，切割长度误差控制在1mm以内。

2 钢管切割与冲压成型自动上、下料机构总体方案

要实现钢管自动切割和自动冲压成型，需要依次完成钢管坯料切割上料输送、钢管坯料切割过程中的长度控制、切割后的钢管输送到冲压成型设备、冲压成型上料等主要动作。在上料过程中，首先把钢管坯料转移到切割上料输送工位，再从切割上料输送工位转移到切割上料工位，然后从切割上料工位转移到切割主机工作位置，完成钢管切割；然后，当切割主机切割完成后，切割下料输送机构把切割后钢管转移到冲压上料机构，接着送入冲压机进行冲压。由于工作空间的分离，上料与下料工作可以同时进行。这样可以使切割主机工作节奏紧凑，也能节省整个切割循环时间，从而可以大大提高钢管切割与冲压成型生产线和上、下料机构的工作效率。

2.1 上下料机构

根据以上分析，设计了图1所示的自动上、下料机构。

图1 钢管切割与冲压成型自动上、下料机构示意图

由图1可见，自动上、下料机构主要有切割上料机构、切割传送机构、切割下料机构、冲压上料机构。

1) 切割上料机构(送料装置1)：由一台倾斜托架，两个上下挡板构成。待切钢管被放入倾斜托架，依靠自重下滑，被挡板挡住，通过控制挡板的上下运动来控制被切钢管依次进入滚轮中。

2) 切割传送机构：主要由2套滚轮装置完成钢管的传送工作，还包括一个光电开关用于实现钢管的定位，完成定长切割。钢管未被送入下滚轮槽中时，上滚轮处于抬起状态，进入下滚轮槽中后，上滚轮放下并压紧钢管，滚轮驱动带动钢管向切割机方向运动，当光电开关感应到钢管到位后，滚轮停止驱动，切割机进行切割。

3) 切割下料机构(送料装置2)：此送料机构可设计一个送料机械手。在被切钢管定位停止运动的同时抓住钢管，并通过运动将已切断钢管送入到冲压成型上料托架上。

4) 冲压上料机构(送料装置3与送料装置4)：与切割上料机构相似，主要有一台在切割机与冲压机间的倾斜托架和上下挡板构成，还包括一台间歇往复式送料机构。已切断钢管被送入托架，依靠自重下滑被挡板挡住，当挡板向下运动时，被切割钢管进入送料机构，此时挡板向上运动阻挡下一根钢管的下滑。接着送料装置4将已切断钢管送入冲压机内完成冲压成型。

2.2 上下料工作流程

待切钢管放入托架1→待切钢管下滑→送料装置1下落→被切钢管落入下滚轮槽→送料装置1向上运动、上滚轮下落→滚轮驱动→钢管定位→切割钢管→送料装置2抓取钢管并送入托架2→已切断钢管下滑→送料装置3下落→送料装置4推动已切断钢管进入冲压机→冲压成型。

3 钢管切割与冲压自动上、下料系统的实现

由于仪表技术与控制系统的快速发展，原先依靠硬逻辑完成的自动化生产线，现在依靠仪表检测技术与控制系统能够容易实现。并且根据生产需要，通过增减检测仪表与改变软件程序方式，都能实现功能的增加或减少，具备了一定的柔性。钢管切割与冲压自动上、下料系统采用可编程控制技术，可以使整个控制系统的可靠性和精度大大提高，实现了自动控制。同时由于PLC具有易扩展性，只需增加输入/ 输出接口模块就可以扩展原料配送系统的输送控制，稳定性高，不易受外界电磁的干扰。

3.1PLC的结构及工作原理

PLC，即可编程逻辑控制器，它主要包括中央处理器、输出及输入单元、储存器、通信接口、扩展接口以及电源等元件。其中，中央处理器是可编程逻辑控制器的核心部件，在输入、输出设备以及中央处理器之间连接有输入单元以及输出单元，与外部设置以及上位计算机等的连接是通过通信接口实现的。以各部件连接方式为主要依据，可以将可编程逻辑控制器划分为整体式以及模块式两种类型。其中，整体式PLC是将全部零部件集中安装于一个机壳中，而模块式PLC则是对不同的零部件进行独立封装之后，将其安装在导轨或者是机架上，再借助总线实现相互间的连接[2]。

中央处理单元控制着相关运算以及整个系统，对编程器、外设接口、I/O扩展接口以及I/O接口等的控制主要是借助地址总线、控制总线以及数据总线等实现的。可编程逻辑控制器对系统工作进行指挥的主要依据是系统程序，在每个扫描周期中需要进行输入处理、程序执行、输出处理等工作，此外还需要对相关外部设备发出的工作请求进行处理。

PLC的基本工作原理：PLC正常工作过程大致可以划分为输入采样、用户程序执行以及输出刷新等三大阶段，此三个阶段构成一个扫描周期。在PLC的运行过程中，其中央处理单元可以按照既定的速度对该三阶段进行重复执行。输入采样阶段，主要是对输入映像区进行建立及更新。通过扫描，可编程逻辑控制器对全部的输入状态以及相关数据进行读取，之后在I/0映像区对应的单元中对所读取的结果进行保存。完成输入采样操作之后，便进入到用户程序执行阶段以及输出刷新阶段，在这两个阶段中，即便是改变输入状态以及相关数据，I/O映像区中对应单元的状态及数据也是保持不变的，并不会随之发生变动。将输入端口关闭之后便进入程序执行阶段。用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器对用户程序进行扫描是按照从上到下、由左至右的顺序进行的，在对各条梯形图进行扫描的过程中，首先会对位于梯形图左部的由所有触点组成的控制线路进行扫描，同时开展控制线路逻辑运算，之后以所得到的逻辑运算结果为主要依据，对系统RAM存储区中逻辑线圈对应的状态进行刷新，并在元件映像区中输入所获得的相关结果。输出刷新阶段，中央处理单元对相关的输出锁存电路进行刷新操作的主要依据是映像区中所对应的状态以及数据，在此基础之上借助输出电路对相应的外设进行驱动。如果逻辑变量在一个完整的扫描周期中并未发生任何状态上的改变，该周期所输出的信息就与上一周期输出的周期之间就没有任何区别，从而相对应的元件状态也会保持不变。

3.2 基于PLC的钢管切割与冲压成型自动上、下料系统的实现

文中所述的钢管切割与冲压成型自动上、下料系统的控制系统以可编程序控制器(PLC)为中心。PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。PLC的选型需要考虑到I/O、存储容量、定位控制功能、串行通讯功能及以太网功能等。其次还要考虑到电气设计人员的熟练度，PLC性价比等因素。

上料机构中的上下挡板、往复式送料装置以及下料机构都是由PLC通过控制气缸的上下运动实现；传送机构由PLC控制电机实现；切割机通过PLC控制其动作开关实现切割进给功能。整个系统配上若干个位置检测传感器，最终完成整个系统的控制。结合整个上、下料系统，控制功能及输入输出点数等，可以确定适合的PLC型号以及完成PLC系统的硬件、软件设计。

系统中使用触摸屏作为人机交互界面，与PLC进行必要原始数据的输入，如钢管切割长度。在触摸屏上进行自动上下料系统的单步运行、手动运行、自动运行等工作方式界面的转换与操作，还可以方便的进行试验参数的修改与设置，实现人机交互功能。

4 结语

分析了钢管切割主机以及冲压机对自动上、下料机构的工作要求，可以利用的工作空间以及钢管切割与冲压成型生产线的工作环境，确定了自动上、下料机构的总体设计方案。设计的自动上、下料系统采用PLC-人机界面的控制方式，实现了钢管切割和冲压成型的自动化上、下料。该自动上、下料系统是钢锹全自动生产线的关键组成部分，从上料、切割、下料到冲压一气呵成，实现了钢锹的自动化生产线加工。

[1] 袁平,袁钢,杜勇奕,等.经济型上下料系统在数控车床上的应用[J].考试周刊,2012,(54):118-119.

[2] 薛迎成.PLC与触摸屏控制技术[M].北京：中国电力出版社.2008.

[3] 范文利，李凡冰，陈继文，等.PLC在气门自动上下料系统中的应用[J].机电产品开发与创新,2008,21(1):141-142.

[4] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社.2009..

[5] 南雷英,戚春晓,孙友松.冲压生产自动送料技术的现状与发展概况[J].锻压装备与制造技术，2006,41(2)：18-21.

[6] 付瑞华,纪有礼.PLC在高精度定尺剪切控制系统中的应用[J]. 冶金自动化, 1998,22(5):41-43.

Design of Up-down Feed Automation System of Steel Pipe Cutting and Stamping Forming

BAI Yi-qun,SHI Cheng-jiang

(Department of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun 113001, China)

This paper researches on and designs a feed mechanism which is used to realize the steel pipe cutting and stamping forming automation in the steel shovel production process and introduces the system structure and working principle. PLC, man-machine interface control mode is used in this system to realize the feeding and unloading automation, save a lot of labour cost and improve the production efficiency.

steel pipe cutting; stamping forming ; up-down feed; automation; PLC

柏宜群(1988-)，女，安徽池州人，硕士研究生，研究方向：过程装备监测与控制技术。

TG38;TP272

B

1671-5276(2014)02-0195-03

2013-02-04