全自动钢管打捆成型机.doc

全自动钢管六角成型机控制系统的设计SiChao Tang1，ShouXin Zhu2,*，MengSheng Wang2，JiaNa Fang2，XueHeng Tao11School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Liaoning Dalian 1160002Huzhou Teachers College, Zhejiang Huzhou 313000Abstract:本文以研制运行稳定、可靠、自动化高的钢管成型机为目的，通过对该设备的机械结构、工作原理、液压系统及其操作要求的分析，研制了基于FX2N PLC控制系统，并简要的描述了该系统的软、硬件设计方法及其特点，解决了国内钢管自动堆垛成型效率低、钢管运输过程中由于钢管碰撞带来质量的损失以及多台设备不能协调工作的问题。Key words:全自动钢管成型机；机械结构；PLC控制系统1引言进入21世纪，随着自动化进程的不断加快，自动化控制技术的应用越来越普遍。如瑞典的SundBirsta公司相继研制了不同类型的线材、棒材及型材打捆机，该公司研制的KNRA型打捆机主要应用于对棒材、型材、钢管的打捆；日本撞川工艺公司自1959年以来，致力于轧钢精整设备自动化方面的研究，研制了TMB系列自动化打捆机，可捆扎圆钢、型钢、管材及盘卷1。然而，国内钢管的自动成型技术一直处于空白状态，没有专门对钢管成形系统进行研究与制造，钢管成形打捆包装市场始终被国外公司所垄断。进口虽然可以解决上述问题，但是备件消耗量大，进口备件费用高，供货周期较长，这对企业的经济实力要求很高。通过我国的钢管成型机进行深入研究，钢管生产企业逐渐采用自动成型代替人工包装将成为必然2。目前，国内的机械制造领域里，国内的钢管成型机自动化程度低，大多数钢管企业打捆各过程都需要手动完成，包装质量不高，直接影响产品的质量，已经严重地不能满足现代化钢管企业生产需要的问题，由于精整工艺生产连续不间断、可靠性要求高，所处工作环境恶劣（振动、粉尘），同时打捆包装的工序繁多、运动复杂，这对控制系统提出了更加严格的要求，本文选择了PLC作为控制系统的核心部件，解决了上述问题。 通过研究与推敲国外已有的自动钢管堆垛成型机，结合现有的自动化先进技术的基础上，本文采用了可编程控制器（PLC）构成控制系统，实现钢管的计数、运输以及自动堆垛成型等功能，这种控制系统解决了钢管成型包装质量不高、包装效率低以及多台设备之间不能协调的问题，并且在一定程度减轻了工人劳动强度和危险性，减少现场的工作噪音，提高产品的包装质量,为我国的钢管生产企业带来很大的经济效益和现实意义。2全自动钢管成型机的工艺和时序2.1全自动钢管成型机的工艺按照目标企业的需求，结合实际工况，本文设计出了全自动钢管成型机的工艺流程图如下图1所示。 图1 全自动钢管打捆机的工艺示意图2.2全自动钢管成型机的时序本设计将全自动钢管成型机的时序设计成九个过程，分别是：花盘计数、钢管连续上升到台架、第一次下滚、升降挡块的升降、钢管的第二次下滚、输送小车托叉的升降、输送小车的前进与后退、收集模具的升降以及钢管堆垛成型后打包运走。钢管分为5层堆垛，第一层堆垛为三根（44s），第二层为4根（22s），第三层为5根（34s），第四层为4根（33s），第五层为3根（20s）,打包运走时间为90s,合计为243s。钢管的上升通过连续移管机构上升到台架，由于台架是与水平面成1.5的斜面，当钢管第一次自由下滚，遇到升降挡块后停止运动，与此同时，光电式计数传感器对钢管进行计数，当钢管数量达到第一层3根后，计数传感器发出信号，与液压缸相连的升降挡块下降，当撞到带有压力传感器的焊接挡块后停下来，完成钢管的第二次下滚，液压缸的拉杆推动四连杆的一侧摆动连杆，水平连杆向上移动，使得通过滚轮和水平连杆固定在一起的小车托叉向上抬起，此时电动机正转，带动链轮转动，通过拉动链条来带动输送小车的托叉向前推进，托叉带着3根钢管到达堆垛收集模具的正上方时停下来，当收集模具向上移动一段距离后停止，液压缸的拉杆收回，水平连杆向下移动，带动托叉向下倾斜2，将钢管倒入收集模具中，此时，电动机反转，输送小车退回，收集模具向下移动，当碰到直动式行程开关后停止，完成第一层钢管的堆垛，依次循环五次，直到五层钢管全部堆垛成型后打包运走。3全自动钢管成型机的结构本设计所研制的新型全自动钢管成型机由机械、液压和电气控制3部分组成，按照设计标准，结合目标企业的实际需求，自动钢管成型机应以保证运行可靠安全、制造成本低廉3，是经过对所要求的功能分析后设计出的，主要适用于长度为67.5m、直径为88.9mm、114.3mm的镀锌钢管成型。全自动钢管成型机的机械结构主要分为：连续移管机构（链传动机构）、传送平台机构、小车输送机构、钢管堆垛机构等4个部分，是设备的支撑结构。连续移管机构是由主链轮、从动链轮、以及异步电动机组成，由于链传动能在温度较高、湿度较大的恶劣环境中使用，并且没有滑动，因此选择链传动；传送平台机构是与水平面成1.5的斜面，主要由异步电动机、主链轮、从动链轮、减速器以及带有多个挡块的双排滚子链组成；小车的输送机构主要由托叉、平行四边形连杆、链式导轨组成；钢管的堆垛机构主要由立柱、悬臂杆、滚轮、收集模具、液压装置、双排滚子链等组成，堆垛机构设计成5层堆垛，每层堆垛的钢管数量采用光电式计数传感器来计数，各层数目依次排列为3、4、5、4、3，要求每次成型所需的时间控制在四分钟（240s）左右。全自动钢管成型机各部分机构简图如下图2-5所示。液压系统由机载液压站、电磁阀、液压缸和液压电机组成，是设备的驱动系统。电气控制系统由操作台（控制柜）、各种检测开关、电缆、PLC等组成，是设备的控制中心。 图2 连续移管机构结构示意图 图3 传送平台机构结构示意图1.钢管 2.挡块 3.主动链轮 4.电动机 5从动链轮 1.液压缸 2.升降挡块 3.台架 4.焊接挡块5.立柱图4 托叉机构结构示意图 图5 堆垛机构结构示意图1.摆杆 2.水平连杆 3.托叉 4.液压缸 5.立柱 1.地坑 2.一号液压缸 3.拨板 4.收集模具 6.主动链轮 7.电动机 8.滑块 9.从动链轮 5.滚子 6.二号液压缸 7加强筋4控制系统的设计4.1控制系统的硬件设计 整个成型机控制系统需要输入输出量、控制程序的编排以及程序和数据存储量，因此选用了FX2N可变程序控制器系列中的CPU226模块，它具有24路输入/16路输出，共40个数字量I/O点。可连接7个扩展I/O模块，具有2个RS485通讯编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。控制系统PLC及其扩展模块的I/O分配情况如图6所示。在成型机控制系统中，主要的检测元件有直动式行程开关、操作按钮、光电式计数传感器、压力传感器等。执行部件主要有电机、油缸、液压电机、状态指标等。图6 I/O分配情况示意图4.2控制系统的软件设计由上可知，全自动钢管成型机的动作复杂，输入输出点多，本设计采用了流程图的方法来实现程序的设计。按照系统要求，成型机的每个动作对应一个相应的子程序，在程序扫描过程中，由主程序调用相关的子程序来完成钢管成型的任务，主程序控制流程图如图7所示。子程序的设计则依据实际情况，画出相应的流程图，根据该流程图，可以写出相应的子程序。图7 主程序流程示意图5结束语自动化钢管成型机是一个机、电、液、计算机控制一体化、科技含量高的设备3，其工作环境差，动作多且控制较为复杂，可靠性要求高，而利用PLC实现的控制系统，以其良好的可靠性，达到钢管成型的生产和工艺要求，具有较高的生产和管理自动化水平4。本文设计的自动钢管成型机虽然已经能较好的完成钢管自动化成型的功能，但其整体性能、自动化程度以及功能的完善性方面跟国外先进的全自动成型机相比还有一定的差距，我们需要努力的方向是:缩短成型周期、提高成型效率以及保证成型机的稳定性和可靠性。本设计解决了国内钢管成型机手动化带来的弊端，考虑到国内钢管生产企业在收集时，钢管从工作台到打包模具内，管子落差很大，管子碰撞声音很大，所以收集时，设计有两套堆垛收集装置，对称放置，钢管在下落时采用分层堆垛的方式，减少落差，使得管子没有很强烈的碰撞声。本文要解决的现存问题：(1)由于设计有两套对称放置的堆垛收集装置，需要解决同步动作问题，要求控制系统的精确程度够高；(2)实现较好的人机交互，要保证当系统出现故障，工人能够实现手动