基于PLC的钢板校直机的控制系统设计

王善刚，许海斌，张 爽，高金刚，于晓平

WANG Shan-gang1, XU Hai-bin2, ZHANG Shuang1, GAO Jin-gang1, YU Xiao-ping1

（1.长春工程学院 机电工程学院，长春 130012；2.吉林省电力勘测设计院，长春 130022）

0 引言

如今国内对小断面、小跨距的工件的压点式校直设备己实现自动化，校直精度和生产效率都较高；而对大断面、大跨距的工件进行的校直还主要通过人工手动来完成，对技术工人的经验依赖较大，在校直过程中往往存在测量不精确、校直精度不高、生产效率低下。现代化机械制造企业当中，长达6米～7米、宽约0.3米左右的钢板被大量使用，而钢板在机械加工、焊接或使用过程中常因外力作用及温度变化会出现弯曲或扭曲变形，对变形较大的钢板如果不进行校直处理会直接影响到下道工序的使用和产品整体的装配。

国外的德国MAE公司、意大利GALDABINI公司、美国EITEL公司、日本精机株式会社等先后开发出了具有本国特色的全自动精密校直机；我国合肥锻压机床股份有限公司研制出具有先进水平的YH40.25全自动精密校直液压机；哈尔滨工业大学研制的用于油井钻具校直的全自动液压校直机等。借鉴于国内外校直机的经验，研制出专用的钢板校直机，它采用的是工件不动，移动压头的方案，类似C型校直机的敞开式U型设计，利用西门子S7-200来控制，触摸屏为控制界面，通过U型矫形液压缸的推压缩进，来校直钢板的设备。

1 钢板校直机的结构组成及其工作顺序

钢板校直机的实际设备如图1所示。校直机主要由一个整体框架、检测系统、校直系统、液压系统、气压系统、两端固定系统以及控制系统组成。校直系统实施压力校直时，在工件两端支撑，中间加压，所以又称为三点反弯式校直。

这是自主研发的钢板校直机，该校直机的矫形机构是由能在钢板长度方向上移动的U型矫形块（液压系统控制其可以正反双向平移，从而对工件加压）、两个U型支撑块（可以单独沿钢板水平方向上移动来调整支撑点的距离）、双向液压缸、整体移动小车平台等机构组成，各机构均有强度高、刚性好的导向。整体矫形机构安装在刚性极好的台车上，台车由电机带动在轨道上运行，速度和距离可以精确控制。在进行矫形操作时，根据激光检测机构测得的偏差部位及数据，将矫形小车开到偏差部位，设定好两个U型支撑块的距离，并根据触摸屏上预设出U型矫形块移动尺寸，启动矫形块矫形，矫形后回原位。操纵激光检测机构对钢板进行检测，如果没有满足参数要求，就进行新一轮矫形，直至检测合格为止。

2 钢板校直机控制系统的总体结构

根据钢板校直机的应有功能和工作顺序，进行了控制系统的总体结构设计，结构框图如图2所示。由图可见，钢板校直机的控制系统由PLC、工控机（触摸屏）、激光位移传感器、伺服电机（控制检测机构小车运动）、气动电磁阀（检测夹紧机构）、拉线编码器、三相异步电动机（控制矫形机构小车运动）及控制柜等元器件组成。

图1 钢板校直机实际设备图

钢板校直机进行工作时，首先，通过控制面板上的开始检测控制按钮发出指令，PLC接到指令后控制气动电磁阀动作，固定好工件的两端，以便于检测数值有一个基准；接着PLC控制伺服电机带动检测机构小车运动，其上的激光位移传感器把工件的变形曲线测试出来，传到工控机，触摸屏上显示出变形曲线图形，找出工件最大挠度的弯曲段，启动矫形小车控制按钮，PLC接到指令后控制三相异步电动机带动矫形小车左右移动寻找到压点，以零件的最大挠度处或靠近最大挠度处为压点，以尽量对称于压点分布的两点为支点进行加压 ；在触摸屏上设置好总压下量即校直行程，发送给PLC，PLC控制液压缸对工件施加压力，当拉线编码器测得校直行程满足设定要求时，向PLC发送信号，PLC控制液压缸停止继续施压并返回原位，完成一次校直循环。

图2 钢板校直机控制系统结构框图

3 硬件的选择以及PLC的I/O分配

根据钢板校直机的工作需要，选用了西门子S7-200 CPU226小型PLC为主控设备，具有24个输入点和16个输出点，还选择两个西门子S7-200 EM223为扩展模块，具有16个输入点和16个输出点，来作为校直机的控制核心；400W的富士伺服电机作为检测小车的动力源，带动LMI1150激光位移传感器这个检测设备对工件进行弯曲度检测；研华工控机为触摸屏的显示与操作设备，显示工件的曲线度和偏差以及系统的参数输入；PLC主机输入端子地址为I0.0～I2.7，输出端子地址为Q0.0～Q1.7。PLC I/O分配图，如图3所示。

图3 钢板校直机PLC I/O分配图

4 控制系统的软件设计

钢板校直机的控制系统首先处理好PLC与伺服驱动器CN1的通讯联系，设定如表1所示。其次解决好PLC与上位机（工控机）的通讯，其中PLC的通讯参数设定如表2所示，上位机的通讯参数设定如表3所示，由此完成软件系统的通讯联系。根据控制系统的需要，在上位机上设置了钢板弯曲度曲线显示及参数设置界面，如图4所示。在该界面上包含了钢板的弯曲度曲线及标尺、各次的曲线比较显示、移动卡尺设置、向PLC发送的矫正量、检测结果数据、管理员权限等。

表1 PLC与CN1通讯设定

表2 PLC通讯参数设定

表3 上位机通讯参数设定

图4 钢板校直机的弯曲度曲线图

图5 钢板校直机PLC控制流程图

钢板校直机工作时，首先由PLC主机检测自身系统，I/O端口、通讯端口等是否正常；当按下自动检测按钮时，PLC向气压系统发出固定工件和找好基准点的命令，气压系统向PLC反馈是否完成任务的信号，如完成，则向检测小车发出自动检测信号，检测小车开始检测并把检测数据显示在上位机的参数显示界面上，根据图4的标尺读出偏差和位置，在操控界面输入校正量，上位机将此参数传送给PLC主机，PLC收到矫形参数后，向矫形小车发出命令，使其找到工件的弯曲的最大挠度处，PLC再向液压系统发出施压命令，液压系统对工件进行校直操作，当达到校直行程之后，向PLC发出反馈信号，PLC控制液压系统停止矫形并回原位，直至达到标准，满足工艺要求。钢板校直机PLC控制流程图如图5所示。

5 结束语

钢板校直机是基于上位机和西门子的PLC S7-200的控制系统，当控制柜与设备上的各种光电开关、气压电磁阀、液压电磁阀、伺服电机、三相交流电动机等连接完成后，进行了设备调试，试加工，结果表明，多数工件一般经过1至2处加载即可达到矫形标准，7m长的工件校直精度达到6mm，可见测量和校直的精度都较高。钢板校直机对于降低劳动强度和加工成本，提高工艺水平、生产效率和工件成品质量的意义重大。该设备已投放于某企业中，结束了该厂人工校直钢板的历史，取得了良好的经济效益和社会效益。

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