浅谈PLC 自动送料设备在冲孔加工中的应用

程波

（湖南中铁五新钢模有限责任公司，湖南 怀化 418005）

钢模板是用于混凝土浇筑成型的钢制模板，由于需要组合使用，每块模板四周均设有连接钢板或连接角钢，这些连接钢板和连接角钢上分布有连接孔用于与其他模板进行连接。对于不同的产品类型、不同的客户要求，连接钢板和连接角钢的长度不同，其上分布的孔的数量及间距也不相同。

在钢模板的加工时，对于直线型连接钢板或角钢，其加工方法为先按模板的长度下好材料，然后采用冲压式压力机冲孔方式开孔。与钻孔加工相比，冲压加工的生产效率高，且操作方便，容易保证孔的尺寸与形状精度。但由于工件的种类众多，每类数量较少，难以形成批量，一直以来均采用人工送料的办法，每冲一个孔后需要人工移动一次工件，再对冲孔位置进行确定，因此加工速度慢，也很容易产生孔位误差；另一方面，对于大型模板的连接角钢或钢板，单件的重量甚至会超过50kg，工人的劳动强度高，易疲劳，操作安全性也不易保证。为保障操作人员的人身安全，降低工人的劳动强度，提高产品的质量，很有必要采用新的工艺进行送料冲孔。

1 自动送料设备的结构组成及工作原理

自动控制送料设备的结构部分主要由机座、轨道系统、送料小车3 部分组成。

1.1 机座

由角钢及钢板加工而成。机座的台面钢板与支架角钢铆焊，形成整体框架后，上表面进行铣削机加工，确保了表面的平整度。台座底部设有若干个可调式基座，安装时便于适应地面的不平整性。

1.2 轨道系统

轨道系统安装在台座的台面上，主要由直线导轨和精密齿条组成。直线导轨定位精度高、摩擦力小、润滑方便，可以使工件运动速度快，电机驱动功率小。精密齿条一方面为小车提供驱动力，另一方面为小车运行进行长度定位。此外，为方便长大板状工件的送料，还安装有托辊。

1.3 送料小车

送料小车安装在轨道系统上，其底部为与直线导轨配合的滑座，内部安装有夹紧气缸和步进电机。步进电机输出通过减速装置减速后，在减速装置输出轴安装有齿轮，与台面上精密齿条啮合，驱动小车移动。送料小车前端安装有夹持机构，用于夹持工件。

除此以外，采用自动化送料设备后，为便于自动化操作，对原有的冲床进行了改造，在冲床离合器的连杆上安装了顶推气缸，用以代替人工操作控制冲床的冲孔。

1.4 设备工作原理

设备工作前，工作人员先对工件的长度、孔距等参数进行设定，设备工作时，自动控制系统先将小车开行到冲床处，将工件夹持住后，拖行至工件第一个开孔处，然后使冲床连杆气缸动作，控制冲床完成冲孔，冲孔完成后，小车将工件拖行至第二个开孔处，进行第二个孔的冲压，以此循环，全部孔冲压完毕后，小车将工件送回到初始位置，夹持机构松开，完成整个工件的冲孔加工。

2 设备的自动控制系统

为了满足不同工件对孔的数量、位置、间距不同的要求，保证设备稳定可靠、操作方便、具有良好的适应性，设备采用了以PLC 为核心的控制系统。

2.1 控制系统的硬件构成

控制系统硬件部分主要由PLC、步进系统、人机界面、输入主令开关及传感器、输出电磁阀等部分组成。

（1）PLC。PLC 是整个系统的核心元件。本设备中采用了国产的信捷XC 系列PLC，该款PLC 运算速度快，具有充裕的软元件容量、丰富的指令集，具备高速脉冲输出端口，最高能输出200kHz 的脉冲，可以方便地控制伺服和步进电机系统，性能稳定，成本较低。由于需要输出脉冲用以控制步进电机，故采用了晶体管输出的PLC。

（2）步进电机驱动系统。为控制工件的孔距尺寸，控制系统采用了步进电机驱动定位。步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，因此可以通过控制脉冲数量来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，而不存在累积误差；同时，可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。由于PLC 的信号无法直接驱动电机，还配备了步进电机专用的驱动器。

（3）人机界面。人机界面是操作人员与PLC 信息交互的媒介，也是设备使用方便性的重要保证，用于设置工件及系统运行的参数，考虑到现场工作环境较为恶劣，输入信息量不大，选用了国产的信捷OP 系列小型人机界面。该人机界面虽然屏幕可视范围较小，但对环境适应性高，表面IP65构造，防水、防油，适用范围广，操作人员容易上手，性价比高。

（4）输入信号。控制系统的输入主要由主令按钮和传感器组成。其中主令按钮主要用于设备的启动、停止、急停、运行模式选择，手动调试时的前进、后退等。传感器则采用了无触点的接近开关，其定位精度准、操作频率高、使用寿命长，安装调整方便，对油污等恶劣环境的适用能力强。在自动送料机多处均安装有检测各关键部位的位置信号，如夹紧装置处检测工件是否夹紧，在小车初始位置进行零点检测，在零点检测前后再设置前超限保护和减速点检测，在设备尾端进行后超限保护等，此外，还在冲床上也安装了接近开关用以检测冲头是否回复到位。

（5）输出。设备的输出均为气缸的电磁阀，故采用了中间继电器隔离输出。

2.2 控制系统的软件设计

（1）控制系统的流程图如图1 所示。控制系统软件设计时，采用了程序流程指令，保证每次只进行相应的流程运行，其它流程则不运行，确保了控制程序运行的稳定性。

（2）电机加减速控制。为了提高设备运行速度，需要电机高速运转，但当设备从静止开始启动，控制脉冲提供给驱动器时，在很短的时间里，控制系统发出的脉冲数太多而有可能会产生异常，同样的原因，电机在高速运转的过程中也不能直接停止，因此在对电机的控制中采用了变速设计，即采用了低速启动—加速—高速运行—减速—停止的运转曲线，充分利用PLC 专用的脉冲输出指令，对工件的运行进行加减速设置，使工件及设备运转稳定可靠。在指令编写时，针对自动、手动、退料等不同的工况设置了不同的速度特性值，在进行不同的流程时，将其对应的特性值写入脉冲输出指令的寄存器中，这样即使程序流程不同，控制系统也能一方面使工件平稳运行，保证孔位的定位精度，另一方面，使整个工件加工的工效提高。

图1

（3）人机界面。在人机界面的程序编写中，遵循顺序原则，按照操作人员的操作流程，从整体到各单项确定各对话界面的排列顺序，同时在各界面中又可以相互切换，以方便操作。在人机界面中编写了多个设置界面，设置的内容包括工件总长度、孔边距、等或不等孔距、孔数量等工件参数，当工件发生变化时，冲孔前需对运行参数进行重新设定。除此以外，在人机界面中还可以对系统操作模式、运行速度等进行选择。

（4）其他软件设计。控制程序设计了手动模式，单步模式和自动模式，适应各种不同情况下的运行。在控制程序的编制过程中，除正常的运行程序外，还编写了一些安全保护程序，例如设备运行前，程序就会对将要运行的参数进行计算检查，当发现明显的不合理（如孔距过小、孔边距过小、孔距和大于工件长度等），系统会自动提示异常，提醒操作人员修改，保证设备正常运转。

3 使用效果及结语

采用自动化送料设备后，在投入不高的情况下，实现了自动化生产的目的，不仅冲孔的速度得以提升，冲孔的精度也得到了提高，特别是对于长大以及不等孔距工件，工人的劳动强度大幅度降低，同时操作人员不再直接接触冲床，也大大减少了安全事故发生的可能性，具有很好的应用效果。