基于PLC的银导爆索自动拉丝机控制系统设计

2015-05-10赵海彬冯宝林

制造业自动化 2015年23期

关键词：拉丝伺服电机触摸屏

凌松，赵海彬，张亮，冯宝林

（常州先进制造技术研究所，常州 213000）

0 引言

导爆索作为传爆和引爆的索状起爆器材[1]，主要用于以引爆炸药，广泛使用在军事、航空航天等领域中。文中涉及的导爆索是企业针对特殊应用而研制的，其外表是采用银制的管状结构，里面为空心，火药则填充在空心部分。未拉丝之前的导爆索外形如图1所示。

图1 银导爆索

刚生产出的导爆索是直径相对较粗的，根据企业的要求，需要对导爆索进行逐级的拉拔至所需规格直径的细丝，同时在末端保留一小段较粗的部分，以提高末端的爆炸效果，拉丝示意如图2所示。

图2 导爆索拉制示意

传统的拉拔工作主要以手工操作为主，先通过轧头机将粗导爆索头部轧细，然后穿过拉丝模具，在另一端进行拉拔，这个过程至少需要两个人进行配合操作，同时为了保证末端留有一段较粗的部分，需要拉拔的人去感受中间拉力的变化，避免直接拉穿。

本文针对企业的拉丝工艺要求，采用了PLC为控制核心，利用拉力传感器设计了导爆索拉丝的控制系统，实现了中间拉拔过程的自动化，大大减轻劳动力，同时提高了拉丝的质量和效率。

1 自动拉丝机总体结构设计

自动拉丝机的总体机械结构如图3所示。拉丝电机和退丝电机采用的是防爆伺服电机，通过齿轮齿条的方式安装在直线导轨上，可以在导轨上进行往返运动。拉丝机的前部是一个夹持气爪，用于夹持导爆索，拉丝模具槽固定在拉丝电机的机械部分，拉丝模具可以人工进行逐级更换。退丝气爪安装在退丝电机的机械部分，用于将拉丝完成的导火索自动拉出模具。在拉丝工程中为了能够保留导火索末端的台阶部分，在夹持气爪的顶部放置了拉力传感器，用于实时的检测拉力变化，使得能准确停在末端台阶位置。

图3 自动拉丝机机械结构图

自动拉丝的工作流程为：将所需模具放置在拉丝模具槽内，把轧头完的导爆索穿过模具后，利用夹持气爪夹紧导爆索，利用拉丝电机带动模具往后运动，同时拉力传感器检测拉力的变化，到达末端位置后拉丝电机自动停止，退丝电机运动至拉丝电机处后用退丝气爪夹持导爆索末端，拉丝电机反向运动完成自动退丝。

2 控制系统的设计

2.1 控制要求和难点

根据企业对导爆索的成型要求，对导爆索的拉拔需要每次穿过一种孔径的拉丝模具，按照孔径减小的方式逐步通过13种规格的拉丝模具，也就是完成一根导爆索的拉丝工艺，要经过13次的拉拔操作，同时需要逐级拉拔出来的导爆索最后末端要保留15mm长的台阶，其他部分则要保持光滑，如图2所示。

系统控制的难点主要是对15mm末端位置的判断，在13次的拉拔过程中，拉丝电机必须能够准确停在末端台阶处，太靠前则容易在导爆索上留下其他台阶，影响产品质量，太靠后则容易拉断拉爆索。由于末端台阶处的直径要大于前端，所以在模具经过台阶处的拉力会产生突变，利用拉力传感器可以采样整个拉丝过程中的拉力值，利用拉力突变来检测台阶位置。

2.2 控制系统硬件

控制系统的硬件部分主要由PLC、伺服电机、触摸屏、拉力传感器组成。PLC选用的是欧姆龙的CP1L，CP1L自带四路脉冲输出，可以独立控制四路伺服电机。考虑到整个系统的防爆要求，伺服电机选用的是派克公司的防爆伺服电机。拉力传感器采用的电阻应变式传感器[2]，其电压根据拉力值可在0±10VDC间变化。其总控制系统结构框图如图4所示。

图4 控制系统结构框图

2.3 控制系统软件

控制系统的软件设计主要包括PLC程序设计和触摸屏程序界面设计[3]。

PLC主程序包括系统参数的初始化，伺服电机回原点，拉力突变检测。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

检测导爆索台阶处拉力的突变是控制程序的核心部分，在系统中考虑了两种检测方案：

1）方案一：设定拉丝过程的最大拉力，直接利用拉力传感器检测拉丝过程中的最大拉力，达到设定值就停止拉丝电机，默认到达台阶位置，控制方式比较简单，易实现。在实际的工作测试中，经过测量导爆索经过每个拉丝模的拉力值均是变化的，最大拉力值如果设置过小则拉丝电机过早停止会形成新的台阶，如果设置过大则会拉断导爆索。这种方案只能用于通过单一的拉丝模具，可行性不高。

2）方案二：同时设定最大拉力和拉力的变化率，设定PLC内部的定时器为0.1S为采样周期，不断检测当前值与前一时刻值的差值，同时满足当前的差值超过设定变化率的值和当前拉力值超过设定最大值的时候，认为拉丝模已经运行至末端台阶处。其控制流程如图6所示。经过反复验证测试，方案二大大提高了台阶位置的识别率，符合实际的需求。

触摸屏的程序的设计主要是人机交互的界面，通过触摸屏可以设置最大拉力值、变化率值等控制参数以及实现控制系统的运行和停止等操作，系统的人机界面如图7所示。