基于 PLC 控制的全自动剪板机系统设计

　　当前我国机械制造业大量的通用设备在发展现代机械自动化技术时，可以有多种技术路线选择。应用微电子技术改造这些已有通用设备，比如用数显、数控装置改造通用设备，提高单机自动化程度；用可编程序控制器改造通用机床、专用机床、组合机床及自动设备与半自动设备组成的生产线，这样可以把计算机功能完备、编程灵活、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，这是一条低成本、高效益，符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径。

2 自动剪板机工艺介绍

　　剪板机应用于许多金属加工和薄板开料操作，在设计剪板机之前必须对几个因素进行考虑，包括剪板机的剪切能力、产率增强选件和安全性。

　　剪板机类型由许多因素决定，诸如剪板机可处理材料的长度、厚度和种类。 剪板机可以按剪切形式及其驱动系统进行分类，有两种结构形式常用于电动龙门剪床：闸式（也叫滑块式）和摆式。

　　闸式剪板机利用驱动系统操纵动刀片向下移动到一定的位置，使动刀片在整个行程内几乎与定刀片保持平行。为了使刀架片横梁在相互移动的过程保持合适的状态，闸式剪板机需要一个滑块导向系统。摆式剪板机驱动系统中有一个用来操纵动刀片，使动刀片依附于滚柱轴承向下回转。这种结构不再需要利用凹字形导向条或滑道使刀片在剪切过程保持合适的姿势。

3 系统分析

3.1 控制要求

　　上电后，检测各工作机构的状态，控制各工作机构处于初始位置；进料，由控制系统控制进料机构将待剪板料自动输送到位；定剪切尺寸，采用伺服电机控制挡料器位置保证精确的剪切尺寸，其尺寸可是定值也可以设置为循环变动值；压紧和剪切，待剪板料长度达到设定值后由主电动机带动压料器和剪切刀具，先压紧板料，然后剪断板料；送料车的运行，包括卸载后自动返回；剪切板料的尺寸设定、自动计数及每车板料数的预设定；具备断电保护和来电恢复功能；能实现加工过程自动控制，加工参数显示，系统检测。9.保证板料加工精度、加工效率和安全可靠性。10.具有良好的人机操作界面。

3.2 剪板机结构原理

　　自动剪板机是一种精确控制板材加工尺寸，将大块金属板材进行自动循环剪切加工，并由送料车运送到下一工序的自动化加工设备，其结构及原理如图1所示。

图1 自动剪板机原理图

3.3 控制系统的结构

　　系统设置了7个限位开关，分别用于检测各部分的工作状态。其中，sq1检测待剪板料是否被输送到位。sq2、sq3分别检测压块b的状态，检测压块是否压紧已到位的板料；sq4检测剪切刀a的状态；sq7为光电接近开关，检测板料是否被剪断落入小车；sq5用于检测小车是否到位；sq6用于判断小车是否空载。送料机构e、压块b、剪切刀a和送料小车分别由四台电动机拖动。系统未动做时，压块及剪切刀的限位开关sq2、sq3和sq4均断开，sq1、sq7也是断开的。

3.4 自动剪板机工作原理

　　当系统启动时，输入板料加工尺寸、加工数量等参数，按下自动开关，系统自动运行。

　　首先检查限位开关sq6的状态，若小车空载， 系统开始工作， 起动送料小车。小车运行到位，限位开关sq5闭合，小车停车；起动送料机构e 带动板料c向右移动。当板料碰到行程开关sq1时， 送料停止同时制动器松开、电磁离合器结合，主电动机通过传动机构工作；压块电机启动，使压块b压下，压块上限开关sq2闭合。当压块到位， 板料压紧时， 压块下限开关sq3闭合；剪切刀电动机起动， 控制剪刀下落。此时，sq4闭合， 直到把板料剪断， 板料落入小车；当小车上的板料够数时，起动小车控制电动机， 带动小车右行，将切好的板料送至下一工序；卸下后， 再起动小车左行， 重新返回剪板机下， 开始下一车的工作循环。板料的长度l可根据需要进行调整，每一车板料的数量可预先设定。

4 plc控制系统设计

4.1 自动剪板机系统设计

　　为实现自动化必须根据板材自动精确剪切加工的工作特点及动作要求进行设计，因此本方案采用了可编程控制器来实现对自动剪板机的控制，设计方案如图2所示。

图2 总体设计方案简图

4.2 系统主电路设计

（1） 设计进料机构e：用交流电机带动送料皮带，传送皮带送料只向一个方向运动，只要求电机向一个方向旋转即可，轻负载小工率电动机可直接起动，用熔断器和热继电器作短路、过载保护。使待剪板料自动快速稳定地输送到剪切位置。

（2） 设计压料机构b：压块b的作用是压紧板料，以利于剪切刀切断板料，压块b又上升和下降两种运动，要求带动压块的电动机具有正反转运动，控制电路有联锁保护、熔断器和热继电器短路及过载保护。

（3） 剪切刀：剪切刀有两种运动，下行切断板料，然后上升复位，带动剪切刀机构的电动机也应具有正反转，用熔断器和热继电器作短路及过载保护。

　　根据电机控制要求，其电机正反转程序流程框图如图3所示。

图3 电机正反转程序流程框图

4.3 电机正反转控制plc设计讨论

（1） 电力拖动是指对电动机的控制，采用继电器-接触器控制，都有自己的基本控制电路。采用plc控制也应该有自己的基本控制环节，为此而提出电机正反转控制plc设计讨论，寻找其较好的控制方案。

（2） 继电器-接触器电气控制原理：继电器-接触器电气控制原理如图4所示。上、下两图比较，不管是电器元件、触点数量、连接导线的数量都是一样的，分别是5只、9个、13条。按钮连线也是6根，但上图的按钮和接触器连线较集中，从维修的角度看要比下图优越。

（3） 元件的代号意义：sb0-带磨姑头急停按钮。5sb1、5sb2-正反转启/停按钮。5km1-正转接触器。5km2-反转接触器。其中的5km1和5km2要求选用带机械联锁的交流接触器。

（4） 工作原理：正转启动—揿5sb1，5km1得电动作，其中一个触点自锁，另一个触点则用于互锁，即断开5km2的线圈回路。反转启动—揿5sb2，首先是5km1失电，其互锁触点恢复闭合，才是5km2得电动作，其中一个触点自锁，另一个触点则用于互锁，即断开5km1的线圈回路。 再次正转启动——揿5sb1，首先是5km2失电，其互锁触点恢复闭合，才是5km1得电动作，其中一个触点自锁，另一个触点则用于互锁，即断开5km2的线圈回路。

5 plc控制系统设计

5.1 松下fp1—c24系列plc

图4 继电器-接触器电气控制原理

　　设计采用日本松下公司生产的fp1-c24系列plc系统作为主机。日本松下电工公司的fp系列plc是可编程控制器市场上的后起之秀，它具有丰富的指令系统，即使是小型机也有近200条指令。cpu处理速度快，运行速度1.6μs/步。程序容量高达2700步/500步，小型机一般都达到3千步左右，最高可达5千步，而大型机最大也只有60千步。编辑工具的功能强大，无论是手持编程器还是编程工具软件，其编程可监控能力都很强。强大、统一的编程工具，是设计人员的最佳选择。网络通信功能强大，此系列的各种机型都提供了通信功能，松下电工提供了多达6种的plc网络产品，在同一子网中集成了几种通信方式，我们可根据需要选择。

5.2 i/o端子分配

（1） 输入设备：限位开关: sq1， sq2，sq3，sq4，sq5，sq6， sq7；系统的停止启动按钮: sb1， sb2。

（2） 输出设备：一块板料剪切完成并落入小车时， 光电检测开关sq7合一次，计数器作减1计数。本设计中假设小车可最多载40块板料。km1控制送料机构电机的接触器；km2、km2ˊ控制压块电机的接触器，驱动电机的正反转，控制压块压紧和放松板料；km3、km3ˊ分别控制剪切电机的接触器，驱动电机的正反转，控制剪切刀上下运行；km4和km4ˊ控制送料小车电机的接触器，驱动电机的正反转，从而控制小车的左行和右行。hl1为小车空载指示，根据需要， 还可增设其它信号指示。其输入输出端子分配如图5所示。

图5 i/o端子分配图

5.3 系统的软件

　　分析可知，本系统是一个多工步的顺序控制系统，运用模块化程序结构，实现系统，有结构简单、编程方便等优点。利用plc移位寄存器的移位功能，可实现步进顺序控制，使每一步严格按顺序动作。计数器对每车板料进行计数，其值由用户根据需要设定。

控制系统的流程顺序如图6所示。系统的梯形图如图7所示。

图6 控制系统流程图

6 结束语

　　自动剪板机是一种精确控制板材加工尺寸，将大块金属板材进行自动循环剪切加工，并由送料车运送到下一工序的自动化加工设备，其整个工艺过程很符合顺序控制的要求，所以，在控制过程中，采用可编程控制器对自动剪板机进行控制，它较好地解决了采用继电器-接触器控制，控制系统较复杂，大量的接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的工作效率这一问题。因此，将plc应用于该控制， 具有操作简单、运行可靠、抗干扰能力强、编程简单，控制精度高的特点。在控制的过程中，剪板机剪板的个数可根据工艺参数方便的修改，而且利用光电接近开关检测板料状态非常准确。

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