基于PLC的螺纹管自动加工控制系统设计.pdf

第 1 l期 2 0 1 3年 l 1月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c h i ne To o l Au t o mat i c M a nu f a c t ur i ng Te c hn i qu e N0． 11 NO V．2 01 3 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 1 1 0 0 7 7 0 3 基于 P L C的螺纹管 自动加工控制系统设计 黄 剑 ， 姜淑忠 ， 李 小海 上海交通大学 电气工程系， 上海 2 0 0 0 3 0 摘 要 针 对 小直径 薄壁 不锈 钢 管刚 性 差 、 体积 小的 特 点 ， 开发 了一 种新 型 螺 纹 自动 加 工控 制 系统 ， 采 用 P L C作 为控制 系统 核 心 ， 对 生产 工序 进行 顺序 控 制 ， 实现连 续循 环加 工 。该 系统 具 有 自动 和 手动 运行方式， 方便调试 ， 并且可以利用触摸屏对设备进行实时监控和对产品参数及 系统参数进行设置 ， 以满足 不 同的 产品规 格要 求 。在分 析螺 纹 管成型 原理 及 生产工 艺 流程 的基 础 上 ， 设计 了控 制 系统 的 硬件 电路 和 软件 程序 。 实践证 明 ， 该设 计 方 案成 本 低 、 可 靠 性 高 ， 不仅 提 高 了产 品 的 产 量和 质 量 ， 同 时节约了大量的劳动力 ， 具有 良好的经济效益和应用前景。 关 键词 螺 纹 管 ； 可 编程逻 辑控 制 器 ； 交流伺服 驱 动 器 ； 触摸 屏 中图分 类 号 T H1 6 5 ； T G 3 7 5 文献 标识 码 A Th e De s i g n o f Aut o ma t i c Pr o c e s s i n g f o r Sc r e we d Tu be Ba s e d o n PLC HUANG J i a n，J I ANG S h u z h o n g，LI Xi a o h a i De p a r t me n t o f E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，S h a n g h a i J i a o T o n g Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0，Ch i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i ng t o t h e c ha r a c t e r i s t i c s o f s ma l l - d i a me t e r t h i n wa l l s t a i n l e s s t u b e，a n e w c o n t r o l s y s t e m o f a ut oma t i c pr o c e s s i n g f o r s c r e we d t ub e i s d e s i g n e d．Th e s y s t e m c o n t r o l s t he p r o c e s s o f t h e ma c h i n e i n s e qu e n c e a n d a c h i e v e s c o n t i n u o u s c yc l e p r o c e s s i n g wi t h PLC a t t h e c o r e ． Th i s s y s t e m h a s b o t h a u t o ma t i c a nd m a n u a l o p e r a t i o n mo d e，whi c h i s c o nv e n i e n t t o d e b ug，a n d t he o p e r a t o r c a n t a k e a dv a n t a g e o f t h e t ou c h s c r e e n t o mo ni t o r t h e e q ui pme n t l i v e l y a nd s e t t h e p r o d uc t a n d s y s t e m p a r a me t e r s i n o r d e r t o me e t t h e d i f f e r e n t pr o d uc t s p e c i f i c a t i o ns ．On t h e b a s i s o f a n a l y z i n g t h e mo l d i n g p r i n c i p l e，t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s o f t h e s c r e we d t u b e s a n d t he c ompo n e n t o f t h e c o n t r o l s y s t e m ，t h e ha r d wa r e a n d s o f t wa r e d e s i g n me t h o ds o f t he c o n t r o l s y s t e m a r e p r e s e n t e d．I t i s p r o v e d t h a t t h i s d e s i g n s c he me i n t e g r a t e s hi g h r e l i a b i l i t y wi t h e f f i c i e n c y．Th e s y s t e m n o t o n l y i mpr o v e s t h e o u t p u t a n d q ua l i t y，bu t a l s o s a v e s l a b o r f o r c e，wh i c h s h ows g o o d e c o no mi c b e n e fit s a n d a p pl i c a t i o n p r o s pe c t s ． K e y w o r d s s c r e w e d t u b e ；p r o g r a mm a b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L C ； A C s e r v o d r i v e r ； t o u c h s c r e e n O 引 言 换热管作 为换 热器 核 心换 热元 件 ， 提高 其传 热 性 能 ， 控制体 积和质量 ， 节省 材料 ， 对 于提 高换热 器效 率 ， 降低成本具 有十 分重 要 的意 义 。 目前 ， 高效 率换 热 管 技术已普遍采用螺纹管， 相比于传统的光滑管 ， 具有传 热 效率高 、 不 易结垢 、 体积 小 、 节省 材 料 等优 点 ⋯ 。螺 纹 管长期 工 作在 高 温 、 高 压 、 腐蚀 性 气 体 等 恶 劣 环境 下， 对其耐腐蚀性及稳定性有较高要求， 同时考虑到生 产方法 和加 工工艺 的难易程度 ， 通 常选用铜 、 铝作为 螺 纹管 的材料 。铝管 虽 然价 格 比铜 管低 ， 但却 存在 焊 接 加 工工艺性 差 、 换热性 能差 、 胀管 时易被金属胀 头破 坏 等缺点 ， 未 被广泛使 用 。近年 来 随着 铜价 的一 路 走 高 ， 不锈钢 价 格 大大 降 低 ， 不锈 钢 管 生 产 工 艺 不 断 进 步 ， 不锈钢 螺纹管作 为一种性能更 优越 ， 成本更 低 的替 代材料 ， 具有 广阔 的应用前 景 。 目前 ， 螺纹管 的加 工方 法 一般有 绞 纹法 、 滚压 法 、 挤压法 和轧制法 ， 他 们通 常用 来加 工 大直 径壁 厚 的螺 纹管， 且加工精度不高 。对于小型换热器上采用细 径 、 薄壁不锈 钢螺 纹管 刚性 差 、 体 积 小 ， 显然 不 能通 过 传统方法加工。因此提 出了一种新型螺纹加工工艺， 并设计 了基 于 P L C和 伺服 系统 的螺纹 自动 加工 控 制 系统 。该 控制系统 工作 可靠 性 及 自动化 程度 高 ， 产 量 大 ， 加工精 度满足要求 ， 并 且操作简单方便 。 1 螺纹管成型原理及生产工艺流程 针对 小直 径 薄 壁 不 锈 钢 管 刚性 差 、 体 积 小 的特 点 ， 如果采用传统加工方法加工 ， 不仅制造小尺寸的 加工 工具 有 困难 ， 加 工 的精度 不 易 保证 ， 而 且 产 品规 格单 一 。考 虑 到 小 直 径 薄 壁 不 锈 钢 管 的塑 形 较 好 ， 收稿 日期 2 0 1 30 3 2 5 作者简介 黄剑 1 9 8 9 一 ， 男 ， 江西 九江人 ， 上海交 通大学大 学电气 工程系硕 士研究生 ， 研 究方 向为电机及其 控制 ， Ema i l h j w i n d 1 2 6 7 8 组合 机床 与 自动化 加 工技术 第 l l期 可以借鉴旋压加工方法 ， 即不锈钢管一端通过夹 紧气 缸 固定 在 卡盘上 ， 卡盘 由主轴 电机 带 动旋 转 ， 旋 轮架 与不锈 钢 管 同轴 ， 上 装有 螺纹 气 缸 和硬 质 合 金 旋轮 ， 旋 轮 架 通 过 丝 杆 与 螺 纹 电 机 相连 ， 螺 纹 电 机 旋 转 带 动 旋 轮 架 轴 向运 动 。 不 锈 钢 管 在 旋 轮 径 向 挤 压 及 主 轴 电 机 的 共 同作 用 下 ， 实 现 连 续 逐 点 塑 形 变 形 ， 其 成 型 示 意 图 如 图 1所示 。 图 1螺纹管成型示意图 具体的生产工艺流程包括 自动喂料、 送料、 夹 紧 、 螺纹加 工 、 退 料 五个 阶段 。整个 系 统可 以实 现无 人值 守 自动加 工 ， 只 要 在 触 摸 屏 界 面 上 输 入需 要 加 工根 数 、 产 品参 数 、 系统 参 数 即可 。产 品参 数 包 括 主 电机 工速 、 螺距 ， 每根 不 锈钢 管 螺 纹段 数 和 每段 螺纹 的 长度及 起始距 离 ， 系 统参 数包 括 传 感器 延 迟 时 间 、 丝杆 导程 、 伺 服 电机 加 减 速 时 间 和 螺 纹 电 机 反 向 运 动 速度 。通 过设 置产 品参 数 和 系统 参 数 ， 同 时 配 合 调 整螺 纹气 缸 改变 旋 轮压 下深 度 可 以灵活 调 整加 工 产 品 的规 格 。 2控制 系统硬件设计 2 ． 1 系统 组成 本控 制 系 统 采 用 台 达 D V P E H 2系 列 晶体 管 输 出型 P L C， 触 摸 屏 采 用 台达 D O P B 0 7 4 1 1型 7寸 经 济 型触摸 屏 ， 伺 服 驱动 器 采 用本 实 验 室 开发 的 L S M． 1 0 0 2 A型 全数 字 伺 服 驱 动器 ， 永 磁 同步伺 服 电动 机 采 用上海 力 羊 电机 M 8 0 S T M0 1 2 7 C 3 0型 中惯 量 伺 服 电机 ， 其 系统 组成如 图 2所 示 。 ．H I 匦匦匝卜 叫 囹 P 一 广 ] 一 匪 西 - ] 二 l 1 ．羔坠 竺 一 L ～厂 ] 一 面 函i ● ， ] 二 l l 墨 望 望 r C ．广 ；五 J 面 ， ] l l 兰 坚 I 臣 圃 一r 一 区 j瓦 _ _ 图 2控 制 系 统 基 本 组 成 图 触 摸屏 作为上 位机 通过 R S - 4 8 5通 信接 口与 P L C 进行通信 ， 实时向 P L C传输用户操作指令 ， 同时监视 设 备 的运行 状态 。可 以通 过 触摸 屏 实 时切 换 控制 系 统 手动 、 自动模 式 ， 改 变 预 定 加 工 根 数 及 已 加 工 根 数 ， 设 置螺纹 加工参 数及 系统 参数 。 P L C控 制 器 作 为 控 制 系统 的核 心 部 件 ， 通 过 输 出两路 高速 脉 冲对 伺 服 驱 动 器 进 行 控 制 ， 设 置 高 速 脉冲的频率、 脉 冲数及加减速 时间可 以改变两 台伺 服 电机 的速度 和位 置 。安 装在 气 缸侧 面及工 作 台上 的接近开关向 P L C输入系统位置信号， P L C通过控 制 电磁 阀 的通 断 控 制 喂 料 气 缸 、 送 料 气 缸 、 定 长 气 缸 、 夹 紧气 缸 、 螺 纹 气 缸 的 正反 向运 动 ， 实 现 气 动 系 统 的顺 序控制 动作 。 伺 服 驱 动 器 采 用 位 置 控 制 模 式 ， 通 过 自带 的 C A N 1 端 口与 P L C连 接 ， 接 收 P L C输 出使 能信 号 、 高 速脉 冲和方 向指 令 ， 同 时 向 P L C输 入伺 服 驱 动 器 状 态 ， C A N 2端 口与伺 服 电机 光 电编码 器 相连 获 得伺 服 电机 实时位 置 。伺 服 驱 动器 采用 位 置 、 速度 、 电流 三 闭环控 制 的矢 量 控 制 方 法 ， 实 现对 永 磁 同步 电动 机 的精 确控制 ， 满足 系统 的精度 要求 。 2 ． 2 硬 件连 线 根据 控 制 系 统 设 计 的 要 求 ， P L C实 际 输 入 点 数 为 1 5点 ， 输 出点数 为 1 5点 ， P L C具体 型 号选择 D V P 一 3 2 E H 0 0 T 2 ， 其 具 有 1 6点 输 入 ， l 6点 输 出 ， 支 持 2点 2 0 0 k H z 高 速脉 冲输 出 Y 0 ， Y 2 ， 其 I ／ O 地址 分 配如 表 1所示 。 表 1 I ／ O地 址 分 配 表 输入点 输 出点 X O O 急停开关 Y 0 0 主轴电机脉 冲 X O l 喂料气缸到位 Y O 1 主轴电机方 向 X 0 2 喂料气缸零位 Y 0 2 螺纹电机脉 冲 X 0 3 送料气缸到位 Y 0 3 螺纹电机方 向 X 0 4 送料气缸零位 Y 0 4 送料气缸前进 X 0 5 备用 Y O 5 喂料气 缸控制 X O 6 定长气缸到位 Y 0 6 夹紧气缸控制 X O 7 螺纹气缸到位 Y O 7 螺纹气缸控制 Xl O 自动起动 Y 1 0 定长气缸控制 X1 1 螺纹 电机零位 Y 1 1 蜂鸣器控制 X1 2 螺纹电机超限位 Y l 2 自动指示灯 X l 3 螺纹气缸零位 Y l 3 主轴电机使能 X l 4 送料气缸触发 Y 1 4 螺纹电机使能 X l 5 送料传感器 Y l 5 手动指示灯 X1 6 出料传感器 Y l 6 送料气缸后退 X1 7 电机故障 Y 1 7 备用 伺 服 驱 动 器 工 作 在 位 置控 制模 式时 ， 主轴 电动 机 和 螺 纹 电 动 机 的 速 度 和 位 置 取 决 于 接 收 到 的 高 速 脉 冲的个数和频率 ， 脉冲的个 数 决 定 伺 服 电机 转 过 的角 度 ， 脉冲的频率决定伺服电 机 的 转 速 。伺 服 驱 动 器 与 P L C的连 线如 图 3所示 。 2 ． 3 参 数设置 图 3 PLC 与 伺 服 驱 动 器 连线 示意 图 P L C与触摸 屏通 过 R S - 4 8 5串行 通 讯 ， 其 通 讯 接 口参数 设 置 必 须 匹 配 ， 波 特 率 设 为 9 6 0 0 ， 数 据 位 7 B i t s ， 偶校 验 ， 停 止位 1 B i t s ， P L C通 讯 站号 设 为 1 ， 触