自动涂带切断机控制系统设计*
王晓宇 ，刘 永
（湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北 十堰 442002）
目前，PLC 控制器已经被广泛应用于工业自动控制场合，并达到了预期的使用效果，如自动送料系统[1]、立体仓库系统[2]等。工业中经常需要对连续的半成品或成品进行定长切断，如金属制品、橡胶制品等。考虑到被切断产品的厚度、强度、韧性及切口的质量等因素，切断的方式主要分为冲裁、刀具切割、火焰切割、激光切割等方式。冲裁方式主要用于有一定强度、比较薄的制品，如薄金属板材、线材、带钢丝的轮胎帘布等；
刀具切割方式可使用圆形刀片旋转并配合直线行走装置实现，适合如轮胎胎冠胶料、木材等制品；
火焰切割方式主要是针对厚度值比较大的金属采用乙炔气体燃烧高温熔化的方式；
激光切割方式精度高，主要用于硬度高的金属及非金属材料。设计不同方式的切断机配合使用PLC控制器能实现制品的切断过程完全自动进行。采用火焰切割[3]、冲裁[4]的方式，PLC 配合组态软件能实现金属板材的自动输送、定长、切断。使用三菱或西门子的PLC 设计控制系统可以对汽车密封件[5]、耳机线材[6]、柔性绳[7]等非金属材料自动定长切断。以西门子S7 的PLC 为控制器，采用图像定长技术及火焰切割方式可以切割重型铸造毛坯[8]。除此之外，采用PLC 配合工业机器人可以对废旧锂电池进行自动切割、拆分[9]。以上工程应用场景都实现了制品的自动切断。为了实现0.2 mm厚度的不锈钢料卷定长165 mm 自动切断[10]，课题组设计了切断机的控制系统，并选用三菱公司的Fx1s-20MR-001 型号PLC 设计了切断机的控制系统，能实现涂带的自动输送、定长、切断功能。
切断机的总体设计方案示意图，如图1 所示。切断原理是通过冲裁方式将涂带板切断，动力源为气缸。定长输送也通过气缸实现，通过调节行程开关及机械档块的位置，实现输送缸165 mm 的行程长度，从而保证板材定长切断。将涂带料卷打开后，料头放置在输送夹紧气缸4 的夹头上，下部活动压头和输送活动架11 固定连接在一起，输送夹紧气缸4 的缸杆头也固定连接在输送活动架11 上。输送夹紧气缸压头与活动架压头夹紧料卷后通过输送气缸7 带动向前输送。切断前通过裁断夹紧气缸3 夹紧裁断部分的料卷，以保证切口平整，裁断夹紧气缸3 固定连接在机架上。裁断气缸1 也固定连接在机架上，缸杆连接着上刀5，下刀6也固定连接在机架上。
图1 切断机总体设计方案示意图
自动涂带切断机动作流程图，如图2 所示。启动后，4 个气缸开始复位回到初始位置，裁断缸上升，裁断夹紧缸上升，输送夹紧缸上升、输送缸向右。延时3 s 后，输送夹紧缸向下夹紧钢板；
延时4 s 后，输送缸向前；
延时4 s 后，裁断夹紧缸向下；
延时4 s 后，裁断缸向下；
延时4 s 后，裁断缸向上；
延时4 s 后，输送夹紧缸向上；
延时4 s 后，输送缸向后，此为一个动作的顺序循环过程。
图2 自动涂带切断机动作流程图
课题组设计的气动控制原理图，如图3 所示。裁断气缸1、裁断夹紧气缸3、输送夹紧气缸4、输送气缸7 通过与调速阀6 和换向阀8 相同的阀控制气缸缸杆移动速度及正反方向运动的切换；
元件9 为调压阀，控制系统的气压；
元件10 为气动三件：过滤器、调压阀、油雾器，起过滤压缩空气的杂质、调压及润滑的作用。
图3 气动控制原理图
PLC 选用三菱公司的Fx1s-20MR-001 型号PLC，共有20 个输入、输出点，其中，输入点12 个，输出点8 个。PLC 外部接线图，如图4 所示。输入部分由PLC 内部24 V 直流电源供电。启动常开按钮SB1 和X0 输入口连接，停止常闭按钮SB2 和X1 输入口连接。图3 中的裁断气缸1、裁断夹紧气缸3、输送气缸7、输送夹紧气缸4 一共8 个行程开关，分别和X2~X9口连接。输出由开关电源S-75-24-2A 供电，该电源输入为220 V 交流电，输出为24 V 直流电。Y0~Y3这4 个输出口分别接到电磁头YV1~YV4，对应图3中裁断气缸1、裁断夹紧气缸3、输送气缸7、输送夹紧气缸4相同的4个换向阀8 上的电磁头。
图4 PLC外部接线图
PLC 的启动程序，如图5 所示。通电时，M8000接通，当按下图4 中的启动按钮SB1 时，程序中常开触点X0 接通，状态器S0在命令SET 作用下复位，命令STL 让状态器S0处于接通状态。当按下图4 中的停止按钮SB2 时，程序中常闭触点X1 断开，整个程序停止运行，起到互锁保护的作用。
图5 PLC的启动程序
启动后的复位程序，如图6 所示。其作用是系统启动后使裁断、裁断夹紧、输送夹紧、输送4 个气缸回到初始位置。复位程序启动后，图3 中裁断、裁断夹紧、输送夹紧、输送4 个气缸对应的换向电磁阀的电磁头依次得电，4个气缸依次动作回到初始位置。
图6 复位程序
系统各动作状态及对应功能，如表1 所示。自动涂带切断机PLC 顺序功能图，如图7 所示。按下图4中的启动按钮后，各状态按照逻辑先后顺序依次运行，每个状态都有运行的前置输入条件，满足前置输入条件才能运行该状态，输出控制结果。以S5 状态为例，当S5 状态的输出缸电磁阀失电，输出缸向前到位后，图4 中输送向前限位开关SQ5 得电闭合，X6输入触点接通。X6 输入触点接通是S6 状态延时4 s状态运行的前置必要条件，S6 状态运行后输出定时继电器T2，定时继电器T2 计时4 s 后，其常开触点闭合，运行S7 状态。遇到紧急情况时，按下图4 中的停止按钮SB2，X1 输入断开，系统停止运行。
表1 系统各动作状态及对应功能
图7 自动涂带切断机PLC顺序功能图
课题组设计的基于PLC 的自动涂带切断机控制系统可以实现不锈钢料卷定长自动裁断的功能，综合考虑使用要求和成本，选用三菱公司的Fx1s-20MR-001 型号PLC，设计了PLC 的外围电路，输送夹紧、输送、裁断夹紧、裁断自动循环过程由设计的PLC 程序实现，而且从使用效果来看，该设计满足现场要求。
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