基于PLC的千叶轮捆扎机控制系统设计.pdf

2023.23 科学技术创新基于 PLC 的千叶轮捆扎机控制系统设计张景生，陈铁牛*（广东职业技术学院，广东 佛山）引言千叶轮产业多以手工作坊式生产为主，随着“中国制造 2025”的推动，对千叶轮打包设备实现自动化，节约人力成本，是非常有市场前景的。综合目前可查询的资料，千叶轮相关的研究主要集中在千叶轮材料分析和应用千叶轮改进磨削工艺，而关于千叶轮的制造技术研究比较少。千叶轮自动化装备复杂，先进制造成套技术不容易突破。本文对千叶轮捆扎机控制系统进行设计，并阐述其设计过程及运行效果。1千叶轮及其应用千叶轮1，又叫“千页轮”、“砂布轮”，是一种涂附磨具，主要用于各种不锈钢、陶瓷、木材、石材等材料的研磨抛光。它的结构主要是卡盘式页轮，卡盘上下有凹槽，成百上千的砂布轮叶片固定在上下卡盘之间，砂布轮叶片内侧边的两端设置 L 形卡扣槽和紧固圈，再用胶液将紧固圈与卡扣槽固化粘结在一起。而砂布轮叶片是以氧化铝为磨料，由砂布层叠和全树脂粘贴而成。千叶轮在生产后，需要勒紧捆扎打包，以便于千叶轮后续的定型、运输和储存，如图 1 所示。目前千叶轮的生产过程大多都是人工打包操作为主。操作者先通过钢丝绳勒紧砂布轮，用铁锤拍打砂布轮外侧，将其拍平整和压紧，然后使用铁柄将提前准备好相应长度的捆扎带边撬边套到砂布轮上，最后松开钢丝绳，取出打包好的千叶轮2。整个过程劳动强度大，效率低且人工成本高。图 1捆扎后的千叶轮2千叶轮捆扎机的系统设计2.1 千叶轮捆扎机的工作原理捆扎机3，又称捆包机、打带机或打包机，是使用基金项目：广东职业技术学院大学生创新创业专项项目-创新训练(工科类)一般项目（XJKY2021079）。作者简介院张景生（1987-），男，硕士，工程师、讲师，研究方向：机电一体化技术。通讯作者：陈铁牛（1978-），男，博士，副教授，研究方向：数控技术。摘要：千叶轮是一种涂附磨具，主要用于各种不锈钢、陶瓷、木材、石材等材料的研磨抛光。本文设计了一款基于 PLC 的千叶轮捆扎机控制系统，解决千叶轮在打包过程中效率低、自动化程度低等问题。该系统应用了全自动打包机的原理，在千叶轮旋转的同时利用夹紧机构对千叶轮进行压紧，使得砂布轮页片朝一个方向的弯曲定型，其被扎紧以后再使用打包机构打包扎带。上述过程实现了自动化取代人工打包操作，提高了生产效率、减轻劳动强度、提高包装质量、降低人力成本。关键词：千叶轮；PLC；控制系统；系统设计；夹具中图分类号院TM30文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤23-0047-0447-科学技术创新 2023.23图 2千叶轮捆扎机捆扎带捆扎产品或包装件，然后收紧并将捆扎带的两端通过发热烫头热融粘接。谢晓燕4采用 PLC 设计了化纤打包机控制系统。张钦5以 PLC 为控制核心设计了蔬菜捆扎装置。韩鹏6采用 PLC 完成了捆扎机循环工作流程，实现了手动、自动、连续等多种控制要求。周鑫7以 PLC 为基础设计了烟框物流打包机控制系统，提高了烟叶打包的自动化程度。张心人境8设计了全自动打包机控制系统，实现了对打包机启动、传送、打包、停止的自动控制过程。本文基于 PLC 和传统的捆扎机上，设计用于千叶轮的捆扎机。千叶轮捆扎机主要包括夹料机构和捆扎机构9，如图 2 所示。夹料机构由垂直气缸、两侧的导杆、水平气缸、夹具、旋转平台等组成。垂直气缸通过两侧的导杆，实现对千叶轮表面进行平整，并将千叶轮夹持在旋转平台上。水平方向的夹持由 3 组水平气缸和夹具组成，水平气缸带动夹爪向中心靠拢，收紧千叶轮并夹持。水平气缸采用可调行程气缸，通过更换夹具和调节气缸的行程，满足多种规格的千叶轮。旋转平台由三相交流电机和减速机组成，带动千叶轮低速旋转，千叶轮在旋转时水平气缸继续向中心推出，直到水平气缸上的磁环开关检测到以后，就表示千叶轮外径被压缩变小达到预期设定值。千叶轮外径被收紧后，捆扎机启动，整个捆扎工作过程由送带、退带收紧、熔接粘接、切断等多个工序所组成的环节。送退带电机带动送带轮旋转，利用摩擦力使捆扎带沿轨道向前送进，直至带子到位后，右顶刀压紧捆扎带；送退带电机反转使捆扎带沿轨道退出，将多余的塑料带退回储带盒，捆扎带紧贴在千叶轮外侧表面并捆紧扎牢；左顶刀上升将两层捆扎带压住，加热片插入将捆扎带两端加热，随后将两层已加热的捆扎带两端压粘通过热效应熔融接合在一起；最后，切断刀上升切断捆扎带，完成捆扎动作。2.2千叶轮捆扎机的工作流程千叶轮捆扎机的工作流程包括千叶轮压紧夹持和捆扎两大部分，如图 3 所示。整个工作流程如下：（1）未捆扎的千叶轮传送到夹料机构处；（2）收到启动信号后，垂直气缸下降压在千叶轮表面上进行表面平整，夹料机构的水平气缸带动夹具伸出，对千叶轮夹持；（3）千叶轮放置台的旋转电机启动，3 个水图 3千叶轮捆扎机工作流程48-2023.23 科学技术创新平气缸推动夹具不断靠拢收紧千叶轮；（4）千叶轮外径压缩变小到预期设定值，旋转电机停止；（5）带子送到位，捆扎机制动器放开，主电机启动；（6）主电机带动凸轮转动，右顶刀上升，顶住右带于滑板处；（7）接近开关感应到退带探头，主电机停转，瞬间制动；（8）退带电机启动，退带延时，捆扎带收紧捆在千叶轮上；（9）主电机二次启动，加热片插进两带子中间，接近开关感应到拉紧探头；（10）主电机三次启动，左顶刀上升，压紧带子；（11）中顶刀上升，切断带子；（12）中顶刀下降，加热片复位；（13）中顶刀再次上升，使两带子牢固粘合；（14）中顶刀下降，左、右顶刀同时下降；（15）滑板后退，接近开关感应到停机探头；（16）送带电机启动送带；（17）主电机停转，瞬间刹车吸合，带子到位；（18）捆扎机完成一个工作循环。2.3千叶轮捆扎机的系统设计千叶轮放置平台的旋转电机 M1 为主电机，M1为三相交流电机，1.5 kW，带减速机；捆扎主电机 M2和送退带电机 M3 为直流电机，90 W。电送退带电机M3 采用 2 个继电器互锁实现电机正反转，使其既能完成退带又能完成送带。预送带电机 M4 为直流电机，0.25 kW；水平气缸采用可调行程气缸，100 mm 缸径，实现推动夹具压紧千叶轮，满足多种规格的千叶轮。系统采用性价比较高的三菱 FX32-MR PLC 作为控制器。根据上述要求，编写 IO 表如表 1 所示。选用具有以太网口的 MCGS 触摸屏 TPC7602Ti，设计人输 入 地 址 输 入 信 号 输 出 地 址 输 出 信 号 X0 启 动 按 钮 Y0 千 叶 轮 放 置 台 旋 转 电 机 M1 X1 停 止 按 钮 Y1 捆 扎 主 电 机 M2 X2 原 位 检 测 Y2 送 退 带 电 机 M3 退 带 X3 预 送 带 到 位 Y3 送 退 带 电 机 M3 送 带 X4 退 带 位 检 测 Y4 预 送 带 电 机 M4 X5 垂 直 气 缸 下 压 检 测 Y5 加 热 片 X6 千 叶 轮 夹 紧 检 测 Y6 制 动 器 Y7 垂 直 压 紧 气 缸 Y10 水 平 夹 具 气 缸 表 1I/O 分配及说明图 4触摸屏界面49-科学技术创新 2023.23Design of Control System of StrappingMachine with Abrasive Wheel Based on PLCZhang Jingsheng,Chen Tieniu*(Guangdong Polytechnic,Foshan,China)Abstract:The impeller is a coated abrasive tool,mainly used for grinding and polishing various stainlesssteel,ceramics,wood,stone and other materials.In this paper,a PLC based control system is designed tosolve the problems of low efficiency and low automation in the packing process.The system applies the prin原ciple of automatic baling machine.When the impeller rotates,the clamping mechanism is used to press theimpeller,so that the blade of the emery cloth wheel bends and deforms in one direction.After it is fastened,the packing mechanism is used to make the wrapping belt.The above process realizes the automatic replace原ment of manual packaging operation,improves production efficiency,reduces labor intensity,improves packag原ing quality,and reduces labor costs.Key words:thousand impeller;PLC;control system;system design;fixture机交互界面如图 4 所示。结束语本项目针对千叶轮捆扎行业中，人工捆扎千叶轮效率低、成本高、安全性低等缺点，设计千叶轮的自动捆扎设备，提高了生产效率、减轻劳动强度、提高包装质量、降低人力成本。根据相关资料查询，全球千叶轮市场产值约 80 亿元/年，中国千叶轮市场产值超过 20亿元/年，千叶轮产量约 1.2 亿个/年。而现有的千叶轮产业以手工作坊式生产为主，因此，对千叶轮打包设备实现自动化，节约人力成本，是非常有市场前景的。参考文献1陈铁牛，陶中秋，汪刚，等.千叶轮及其制造技术现状分析J.轻工科技，2018，34(2):33-34，71.2陈佩，余程远，李明波，等.砂布轮页片打包机的设计J.林业机械与木工设备，2016，44(10):17-20.3谢晓燕，滕荣华.基于 PLC 的打包机控制系统设计J.制造业自动化，2012，34(19):144-147.4黄颖为.包装机械结构与设计M.北京:化学工业出版社，2018.5张钦，冯金冰，殷红梅.基于 PLC 的蔬菜捆扎机自动控制系统的设计J.机电信息，2020(27):105-106.6韩鹏，朱奎林.基于 S7-200PLC 全自动捆扎机控制系统J.兵工自动化，2016，35(1):42-44.7周鑫，杨永发，杨大宝.基于 PLC 的烟框物流打包机控制系统设计J.林业机械与木工设备，2022，50(11)：35-39，43.8张心人境，孟亚男，张建胜，等.自动打包机控制系统设计J.化工自动化及仪表，2022，49(3)：354-357.9广东职业技术学院.千叶轮打包设备:0144480.4P.2021-11-16.50-