自动切割圆管设备的设计与控制

□ 蔡汉明 □ 董新华 □ 郝同晖 □ 常瑞鹏

青岛科技大学机电工程学院 山东青岛 266061

自动切割圆管设备是一种用于切割单根圆管的自动化机械设备，针对不同长度和材料的圆管，实现自动切割。半自动化切割圆管设备是较为常见的设备，但是很难获得更高的工作效率［1］，而全自动切割圆管设备具有更广阔的发展空间，需要进一步探索［2］。

通过借鉴半自动化切割圆管设备的有关资料，基于可编程序控制器（PLC）设计了一种新型自动切割圆管设备，根据所需尺寸可切割出定长的圆管，具有自动、手动及单循环三种控制模式，可实现夹紧、送料及切割动作［3］。

1 自动切割圆管设备概述

基于PLC的自动切割圆管设备，其工作原理与半自动切割圆管设备类似，即夹紧机构检测到有圆管时自动夹紧，送料气缸伸出推动圆管，到达指定位置后升降机构下降进行切割。整个切割圆管设备由三大部分组成。第一部分是夹紧部分，用于夹紧圆管。第二部分是送料部分，送料气缸伸出，推动夹紧机构到达指定切割位置。第三部分是升降及切割部分。自动切割圆管设备如图1所示。

2 气动系统

自动切割圆管设备以气缸作为执行元件，工作时三个气缸和一台电动机按照预定的程序先后动作，其气动系统原理图如图2所示。

（1）系统过压卸载保护控制。当系统通电后，电动机带动气压泵工作。当系统压力超过预设的压力值时，西门子S7-1200系列PLC通过控制电磁换向阀7YA得电，使多余的气体从溢流阀的先导阀口迅速排出。当系统压力在正常范围之内时，PLC通过控制电磁换向阀7YA失电，使两位两通电磁换向阀阀口关闭，气压泵恢复常态。

（2）系统回原点控制。系统通电之前，各个电磁换向阀处于中位，阀口均关闭。系统通电之后，无论各气缸运行到何处，都将默认进入初始化状态，各气缸磁感应开关、压力表及电磁阀进入自检状态。若夹紧气缸的左端磁感应器未检测到缸杆到位，则系统首先执行送料气缸回原点动作，再使电磁阀右位3YA得电，夹紧气缸缸杆缩回到原点。若送料气缸的左端磁感应器未检测到缸杆到位，则电磁阀右位2YA得电，使送料气缸的缸杆左移到最左端。若升降气缸的上端磁感应器未检测到缸杆到位，则系统首先按顺序分别执行夹紧气缸和送料气缸回原点动作，再使电磁阀右位6YA得电，执行升降气缸回原点动作，并使电动机停止运行。

▲图1 自动切割圆管设备示意图

▲图2 自动切割圆管设备气动系统原理图

（3）系统正常工作的手动控制模式。当整个系统进行初始化之后，系统将一直保持无动作运行，此时用户可根据自己的需求选择手动、单循环和自动三种模式中的一种。在手动模式下，电磁阀1YA得电时，送料气缸缸杆伸出执行送料动作。电磁阀2YA得电时，送料气缸缸杆执行快退动作。电磁阀3YA得电时，夹紧气缸缸杆执行夹紧动作。电磁阀4YA得电时，夹紧气缸缸杆执行松开动作。电磁阀5YA得电时，升降气缸缸杆执行缩回动作，且电动机开始运转，执行切割动作。电磁阀6YA得电时，升降气缸缸杆伸出，且电动机停止运行。

（4）系统正常工作的自动控制模式。系统通电进入初始化后，在自动控制模式下，设备执行预先设定顺序的动作，依次为夹紧、送料、气缸升降及切割。当需要切割短材料时，设备执行夹紧和送料动作之后，夹紧气缸和送料气缸返回原点位置，传感器未检测到圆管到位，此时还需执行多次夹紧和送料动作，直到传感器检测到圆管到位，然后气缸下降执行切割动作。由于圆管的总长度视为无限长，且需要设备长时间连续工作，因此有必要循环执行以上动作。自动切割圆管设备工作流程如图3所示。

▲图3 系统自动控制模式流程图

（5）系统正常工作的单循环控制模式。单循环控制模式是在自动控制模式的基础上实现的。单循环控制模式下，系统以切割动作的完成作为程序结束的标志，仅执行一次，所有气缸动作完成后立即执行回原点动作，否则后续控制动作将无法正常进行。

（6）信号报警控制。当系统处于正常状态工作时，由传感器检测工作台上有无圆管，若工作台上突然没有圆管，为了防止设备误动作，报警灯立即报警，此时系统停止工作，各个气缸自动返回原点，同时电动机立即停转。系统将直至检测到有圆管信号后再次执行动作。

3 控制系统

3.1 硬件配置

自动切割圆管设备选择西门子S7-1200系列PLC，这一系列PLC体积小，质量轻，响应速度快，工作性能稳定可靠［4］。控制系统主要包括PLC、直流隔离电源、两台电动机、换向阀、各种开关、按钮、光电传感器、磁感应器等，硬件选型见表1。

自动切割圆管设备控制系统硬件如图4所示。

▲图4 自动切割圆管设备控制系统硬件

表1 控制系统硬件选型

3.2 PLC接线

自动切割圆管设备控制系统PLC外部接线如图5所示。自动切割圆管设备控制系统的程序编写是比较复杂的，因其不仅有手动、自动、单循环三种控制模式，而且有报警、蜂鸣器、自检等辅助程序［5-6］。

▲图5 自动切割圆管设备控制系统PLC外部接线图

3.3 程序设计

自动控制切割圆管设备的三种控制模式是互不干扰的，所以程序中的三个功能块是相互独立的［7-8］。在TIA Portal软件的主程序中调用手动和自动程序功能块非常方便。梯形图程序采用顺序控制法设计，利用辅助线圈的自锁和互锁实现控制功能［9］。自动切割圆管设备控制系统自动控制模式编程如图6所示。

▲图6 自动切割圆管设备控制系统自动控制模式编程

4 检验测试

选用不同长度的圆管进行测试，测试数据见表2。

表2 自动切割圆管设备测试数据

测试结果表明，自动切割圆管设备的机械设计和控制方案是合理的。因为要为精加工留有余量，所以客户规定的余量要求为0～5 mm，使用游标卡尺所测得的测试数据误差在0～4 mm之间，满足客户要求［10］。测试证明自动切割圆管设备的总体设计和控制方案是可行的。

5 结论

自动切割圆管设备基于市场需求设计，在分析工作原理和逻辑控制的基础上，采用PLC控制，具有可靠性高、使用维护方便、抗干扰能力强、易学易用等特点［10］。设备经多次试用，证明了控制方式和设计方案是可行的，系统工作稳定性良好。

［1］李柯，陈明达，冯雄峰，等.基于PLC的热塑性复合材料热压成型用机械手设计［J］.机械制造，2015，53（4）：4-8.

［2］孙中旭.大型水处理装置生产管理与全自动化控制［J］.硅谷，2015，8（3）：70，77.

［3］殷正保.粘胶长丝的毛丝及定长自动检测研究［D］.武汉：华中科技大学，2009.

［4］廖常初.S7-1200 PLC编程及应用［M］.3版.北京：机械工业出版社，2017.

［5］高安邦，石磊，胡乃文.三菱FX/A/Q系列PLC自学手册［M］.北京：中国电力出版社，2013.

［6］黄俊玲.西门子S7-1200 PLC程序设计方法研究［J］.工业控制计算机，2016，29（10）：142-143.

［7］周美兰，周封，徐永明.PLC电气控制与组态设计［M］.北京：科学出版社，2010.

［8］梁慧斌，李学华.西门子PLC在空压机站智能控制系统中的应用［J］.煤矿机械，2012（4）：208-211.

［9］高安邦，石磊，张晓辉.典型工控电气设备应用与维护自学手册［M］.北京：中国电力出版社，2015.

［10］谢振江，王树彩，魏义辉.游标卡尺的检定与修理问答［M］.北京：中国计量出版社，1991.