基于PLC的筘片裁剪系统开发设计

史卫朝，王丽洁，徐德凯

（西安理工大学，西安 710082）

0 引言

随着国家对环境保护的不断重视，越来越多的企业开始发展过滤网产品。钢筘作为过滤网生产过程中不可或缺的配件，筘片的硬度和耐磨性对过滤网的生产有着非常重要的影响。目前国内生产筘片的材质主要为65Mn钢带，其特点是：强度高、硬度高、弹性好，抗拉强度σb(MPa)=825MPa～925MPa，热处理硬度为38HRC～60HRC[1]。纺织配件企业根据过滤网的型号，通过计算确定筘片厚度，一般为0.25mm～1mm。由于65Mn钢经过淬火后硬度高，传统冲裁筘片的加工方法不仅会严重损伤模具，而且自动编筘机的剪切装置无法裁剪0.4mm厚以上的65Mn钢带，因此，研制全自动筘片裁剪系统是十分必要的。

本项目通过对现有裁剪设备分析研究，针对性地开发出一套基于PLC控制的筘片裁剪系统，从根本上解决了筘片加工中存在的问题。

1 筘片裁剪系统的结构设计

1.1 技术要求

本项目目标是研制的筘片裁剪系统基于PLC控制，采用气动送料机及电机驱动，实现自动送料、裁剪，保证裁剪的筘片尺寸一致，提高筘片裁剪速度及生产效率。企业对项目组提出了以下要求：

1）筘片裁剪系统的销、轴、轮等零件应进行热处理，安装销栓的孔应配铜套，电器配件、线缆均要符合国标要求；

2）裁剪速度≥100片/min；

3）裁剪后筘片长度误差≤0.1mm；

4）筘片裁剪系统应具有急停装置、润滑装置保证使用安全。

1.2 主体机械结构

筘片裁剪系统的机械结构主要包括：1）料盘装置；2）裁剪装置；3）收料装置三大部分，如图1所示。

料盘装置主要由料架、料盘、电机、减速器、传感器等组成，作用是自动判定输送钢带的时间，根据PLC指令将料盘架上的钢带送出。在料盘与送料气缸之间安装光电传感器，在裁剪钢带过程中，光电传感器检测到钢带不足并发送信号至PLC，PLC控制料盘上的电机旋转，料盘旋转送出钢带。

图1 筘片裁剪系统结构示意图

裁剪装置主要由送料气缸、手压剪、底座、气泵、气动三联件、光电传感器等组成，如图2所示，其作用是将料盘装置送出的钢带，经送料气缸送入手压剪内，手压剪在电机和传动机构的带动下，裁剪钢带。筘片的长短可调整送料气缸的挡料轮及微调螺母，送料时间由光电传感器判定，当手压剪抬升时，光电传感器检测到信号，且发送至PLC，PLC通过继电器控制电磁阀工作，气缸送料，同时计数器计数。送料气缸可选择标准型AF-4C气动送料机，其最大送料宽度为100mm，最大送料长度为130mm，满足筘片裁剪要求；选用三相立式380V电机和NMRV蜗轮蜗杆减速机，电机功率为750W。

图2 裁剪装置结构简易图

收料装置主要是将筘片按裁剪的顺序依次回收，由接料盒和平行气动手指组成。当接料盒中的筘片数目达到规定值后，计数器发出信号，PLC控制送料气缸停止工作，同时平行气动手指松开，操作人员取出接料盒。根据夹持力的计算公式[2]：

式中，F为夹持力（N）；m为工件质量（kg）；g为重力加速度；µ为配件与工件之间的摩擦系数。经过计算，选择HFZ16平行气动手指作为夹持元件。此外接料盒尺寸不宜过大，避免筘片凌乱叠加。

1.3 工作原理

筘片裁剪系统工作时主要依靠送料气缸将钢带依序送至手压剪内，手压剪运动完成裁剪。具体工作过程如下：料盘与送料气缸之间的光电传感器发出输送钢带信号，PLC接收信号后驱动料盘上电机运转，完成钢带输送；同时裁剪电机启动，安装在手压剪附近的传感器检测到手压剪抬升的信号，发送至PLC，PLC控制继电器及电磁阀工作，送料气缸在电磁阀的控制下依次将长度相同的钢带送入手压剪内，手压剪上下运动裁剪钢带，裁剪后的钢带依次落至接料盒内，当筘片达到规定数目后，PLC发出信号，送料气缸及裁剪电机停止工作，且平行手指松开，操作人员取出接料盒。

2 控制系统设计

2.1 控制电路设计

筘片裁剪系统基于PLC控制，借助三相异步电机和气缸的运动完成钢带的裁剪。在外部三相电及气泵的带动下，通过电机的启动停止、送料气缸的往复运动及夹紧气缸的工作完成控制系统要求的动作，主要辅助元件有接触器、继电器、电磁阀及计数器等，图3为筘片裁剪系统主电路图。

图3 筘片裁剪系统主电路图

此外在设计控制电路系统时，考虑到各种技术要求[3]，确定采用西门子S7-200型PLC作为筘片裁剪系统的控制主机。由于控制系统有11个数字输入量，4个数字输出量，故确定CPU224为CPU模块，表1为PLC输入输出分配表，图4为筘片裁剪系统控制原理图。

表1 PLC输入输出分配表

图4 筘片裁剪系统控制原理图

2.2 控制程序设计

筘片裁剪系统的各个装置在PLC及辅助元件的控制下，按规定的逻辑顺序工作。我们采用西门子STEP7编程软件对PLC程序进行编写，该软件可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作，图5为控制程序流程图。

图5 控制程序流程图

3 筘片裁剪系统特点

开发的筘片裁剪系统相比传统的裁剪设备具有以下特点：1）裁剪速度快，采用的自动送料气缸较机械式自动送料机运行速度快，稳定性好，性价比高；2）自动化程度高，在整个筘片裁剪过程中，所有动作均有PLC控制，减轻了操作人员的劳动强度；3）结构简单，易于安装维护且维护。

目前，筘片裁剪系统已经应用于某纺织器材配件厂。结果表明，使用该筘片裁剪系统后，企业筘片裁剪效率大幅提高，生产周期由原来的3小时缩短至0.5小时，故障率低；生产成本较前降低了60%左右，为企业带来了显著的经济效益，提高了产品的市场竞争力。

4 结束语

随着我国过滤产业的不断发展，过滤产品对筘片要求不断提高。利用项目组设计的筘片裁剪系统能够满足筘片的裁剪需求，同时也满足自动控制的要求，对钢筘行业产品的质量提高具有很好的促进作用。

[1]机械设计编写组.机械设计手册第三版[Z].北京:机械工业出版社,1986.

[2]姜继海.液压与气动传动[M].北京:高等教育出版社,2010.

[3]林小宁.可编程控制器应用技术[M].北京:电子工业出版社,2013.