摘要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)石材切割技術(shù)過(guò)于落后，切割精度太低，難以滿足現(xiàn)代工藝要求的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一套成本低，效率高、可靠性高的石材自動(dòng)分片切割控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了石材自動(dòng)分片切割，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，擴(kuò)展了PLC技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用，具有較大的實(shí)用價(jià)值

關(guān)鍵字：PLC；石材切割；切割精度；自動(dòng)控制

0引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的石材切割機(jī)大多數(shù)采用的是傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制方式，控制方式比較落后，切割精度較差，而且切割時(shí)需要人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，切割現(xiàn)場(chǎng)大量的粉塵對(duì)操作人員的人身健康構(gòu)成了很大的危害。本文設(shè)計(jì)了一套石材在線自動(dòng)分片切割系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)大型石材進(jìn)行分片切割和計(jì)數(shù)，系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、造價(jià)低廉及人機(jī)界面友好的特點(diǎn)。十分適用于大多數(shù)中小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的需求。

1系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)是將石材的要求切割參數(shù)輸入人際界面（HMI）對(duì)PLC進(jìn)行初始化，并利用旋轉(zhuǎn)編碼器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的行程開(kāi)關(guān)或限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行切割長(zhǎng)度定位。通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得各方向電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率并轉(zhuǎn)換為高速計(jì)數(shù)脈沖送入PLC中進(jìn)行計(jì)數(shù)運(yùn)算可獲得刀鋸或臺(tái)車(chē)行進(jìn)的精確位移量，將其與設(shè)定的初值相比較，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)PLC復(fù)位相應(yīng)的方向電機(jī)線圈使其停車(chē)。系統(tǒng)控制原理如圖1所示。該控制系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)DVPES2系列的DVP60ES200RPLC做為控制器，同時(shí)配備臺(tái)達(dá)編碼器和臺(tái)達(dá)DOP-B系列觸屏式人機(jī)界面，系統(tǒng)控制部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便靈活，系統(tǒng)造價(jià)較低。

圖1石材切割機(jī)PLC控制系統(tǒng)控制原理圖

Fig.1 The Principle control diagram of the stone cutter PLC control system

2系統(tǒng)方案

圖2為改造后的龍門(mén)橋式切割機(jī)PLC控制系統(tǒng)示意圖

圖2石材切割機(jī)PLC控制系統(tǒng)組態(tài)圖

Fig.2 The Configuration diagram of the stone cutter PLC control system

龍門(mén)橋式石材切割機(jī)主要由主體導(dǎo)軌、支撐系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)、橫向移動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)、刀盤(pán)電機(jī)電流報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、制動(dòng)和電控系統(tǒng)等組成。其中

主體導(dǎo)軌和支撐系統(tǒng)

主體導(dǎo)軌和支撐系統(tǒng)是由立柱、橫梁及滑板等組成。立柱為鋼筋水泥混凝土立柱作支撐結(jié)構(gòu)，在整機(jī)中保證運(yùn)行的平穩(wěn)性。立柱上安裝有滑板導(dǎo)軌，滑板通過(guò)齒輪傳動(dòng)沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)，行程可達(dá)1600mm，可以切割大型石材坯料，一次上料可連續(xù)切割，極大地節(jié)省了上、下料時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，大幅度地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.主軸系統(tǒng)

主軸系統(tǒng)裝置由刀盤(pán)電機(jī)箱、刀盤(pán)法蘭等組成，用螺栓固定在內(nèi)框架上，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低，切割速度和效率較高。

3.旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)系統(tǒng)

臺(tái)車(chē)工作臺(tái)是將待切割的石材坯料送到合適的切割初始位置，工作臺(tái)采用旋轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)裝置。當(dāng)石料的垂直基準(zhǔn)面與刀盤(pán)鋸片行走方向不一致時(shí)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)可以調(diào)整使其達(dá)到最佳切割位置。臺(tái)車(chē)具有移動(dòng)自動(dòng)和手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)兩種功能，分片準(zhǔn)確、均勻。

4.垂直升降系統(tǒng)

垂直升降系統(tǒng)主要由Z軸方向升降電機(jī)，滑板導(dǎo)軌和傳動(dòng)齒輪等組成，用于實(shí)現(xiàn)切割鋸片的垂直升降運(yùn)動(dòng)。

5.橫向移動(dòng)系統(tǒng)

橫向移動(dòng)系統(tǒng)主要由X軸方向走刀電機(jī)，傳動(dòng)齒輪，橫梁導(dǎo)軌和內(nèi)框架等組成，內(nèi)框架由走刀電機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)在橫梁導(dǎo)軌上左右移動(dòng)，用于實(shí)現(xiàn)切割鋸片的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

6.電機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)

電機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)就是對(duì)各個(gè)方向電機(jī)的傳動(dòng)位移進(jìn)行檢測(cè)，精確的電機(jī)傳動(dòng)位移檢測(cè)是確保石材分片切割精度的重要前提。

7.刀盤(pán)電機(jī)電流報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)

系統(tǒng)中采用了一個(gè)輸出量為開(kāi)關(guān)量的電流表對(duì)刀盤(pán)電機(jī)的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦負(fù)載電流超過(guò)報(bào)警電流設(shè)定值則電流表會(huì)輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量的信號(hào)給PLC控制器，PLC將會(huì)發(fā)出控制信號(hào)使刀盤(pán)電機(jī)停止運(yùn)行以達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的。

8.冷卻系統(tǒng)

石材切割機(jī)的冷卻系統(tǒng)主要由冷卻水泵，電磁閥和壓力開(kāi)關(guān)組成，石材切割機(jī)的刀鋸由于長(zhǎng)期與石料的摩擦?xí)逛徠瑴囟茸兏?，為了避免鋸片因高溫?fù)p壞，冷卻水泵提供石材切割機(jī)專(zhuān)用冷卻液進(jìn)行冷卻保護(hù)。

9.電控系統(tǒng)

采用控制柜集中操作控制，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制。石材坯料初始切割位可通過(guò)送料調(diào)整手持器進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，石材分片控制可利用編碼器精確定位由PLC控制自動(dòng)分片切割處理，切割參數(shù)可通過(guò)系統(tǒng)人際界面輸入進(jìn)行設(shè)定。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

石材切割機(jī)PLC控制石材自動(dòng)分片切割程序包含初始化，測(cè)量，估值，進(jìn)刀，退刀等部分。初始化部分主要是根據(jù)實(shí)際情況輸入設(shè)定石材切割的長(zhǎng)寬厚尺寸數(shù)以及分片個(gè)數(shù)等；測(cè)量部分主要是通過(guò)編碼器高速計(jì)數(shù)脈沖輸入并經(jīng)PLC換算成刀鋸和臺(tái)車(chē)前進(jìn)的位移；估值部分主要是通過(guò)PLC比較指令和初始化設(shè)置的參數(shù)相比較是否達(dá)到設(shè)定切割尺寸，進(jìn)刀部分是通過(guò)PLC程序?qū)Ω鞣较螂姍C(jī)進(jìn)行順序控制；退刀部分是進(jìn)刀控制的逆過(guò)程，圖3為石材切割過(guò)程控制程序流程圖。

圖3石材切割過(guò)程控制程序流程圖

Fig.3 The stone cutting process control program flow chart

4人機(jī)界面畫(huà)面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的人際界面共設(shè)計(jì)了四個(gè)界面，分別為系統(tǒng)主菜單畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置畫(huà)面、運(yùn)行監(jiān)測(cè)畫(huà)面，手動(dòng)操作畫(huà)面。

系統(tǒng)主菜單操作界面如圖4所示，可通過(guò)主菜單選項(xiàng)進(jìn)入不同的系統(tǒng)界面。

圖4系統(tǒng)主菜單畫(huà)面

Fig.4 System main menu

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。通過(guò)此畫(huà)面可以設(shè)置石材自動(dòng)分片的切割尺寸和分片數(shù)目。

圖5參數(shù)設(shè)置界面

Fig. 5 Parameter establishment contact surface

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)畫(huà)面如圖6所示，該畫(huà)面的主要功能是監(jiān)測(cè)刀盤(pán)負(fù)載電流是否過(guò)載，冷卻水泵是否正常供水以及系統(tǒng)的電力供應(yīng)是否正常，這些狀態(tài)的正常是保證整個(gè)切割過(guò)程正常運(yùn)行的保證；當(dāng)某項(xiàng)出現(xiàn)異常時(shí)，則會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警裝置提示工作人員進(jìn)行故障診斷。

圖6系統(tǒng)監(jiān)測(cè)畫(huà)面

Fig.6 System monitoring contact surface

系統(tǒng)手動(dòng)操作模式如圖7所示。該畫(huà)面的功能是通過(guò)畫(huà)面中的功能按鍵等手動(dòng)控制石材切割機(jī)的分片切割動(dòng)作。

圖7系統(tǒng)手動(dòng)控制畫(huà)面

Fig.7 System manual control surface

5總結(jié)

本設(shè)計(jì)中PLC的輸入全為數(shù)字量輸入，通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出的電流表和水壓開(kāi)關(guān)巧妙的將模擬量輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸入，避免了A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，節(jié)約了系統(tǒng)造價(jià)成本。本論文設(shè)計(jì)的石材切割機(jī)控制系統(tǒng)造價(jià)成本低，適合各中小企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)。