基于PLC的铝型材包装材料自动剪切机的设计 *

冯清振，施百泉，王晨曦

(栋梁铝业有限公司 a.设备部； b.销售部， 浙江 湖州 313000)

近年来，铝型材作为军工、运输、建筑等行业的重要材料，得到了广泛的应用[1]33-36。目前，我国已经发展成为世界上最大的铝型材生产和消费市场[2]55-58。在铝型材生产和运输过程中，为了防止表面划伤，通常使用无纺布和牛皮纸等材料进行包覆保护。目前，对这些包装材料的拆卷裁剪，主要采用人工拉拽的方式，劳动强度大，工作效率低。因此，急需开发一种高效、自动的包装材料剪切机[3]91-93。这种自动剪切机的工作过程是典型的顺序控制[4]138-142。本研究针对铝型材包装的特殊工作方式，设计开发了一种基于PLC控制的自动剪切机，大大提高了生产效率。

一、铝型材外包装方式及包装材料的定尺裁剪原理

1.铝型材外包装要求与形式 一般来讲，铝型材在表面处理完成后就应该包装入库。其外包装一般采用两层：里面一层是比较柔软的无纺布，能有效避免铝型材表面划伤；外面一层是强度较高且印有公司标志的牛皮纸，能保护铝型材在较大外力作用下不被碰伤，方便存储与运输。铝型材的包装形式一般有两种：一种是缠绕式，比较方便，但不利于客户现场施工，使用较少。另一种是纵向长条形，先把包装材料按铝型材长度裁剪好，铺于平台上，然后将铝型材放置在包装材料上，进行对折包装。虽然操作复杂、效率低，但客户现场使用方便。目前大量使用这种包装形式。

2.剪切机工作原理分析 剪切机在裁剪时必须控制包装材料的长度和夹送速度这两个参数。裁剪长度根据铝型材长度确定，夹送速度则主要看生产效率。具体原理为：牵引机构的行走依靠减速机提供动力，通过齿轮齿条机构的啮合传动来完成。在减速机输出端安装有编码器。编码器可以测定牵引机构的行走距离，并显示在触摸屏上。行走距离也就是包装材料被拉出的长度。具体运动过程如下：将牵引机构的初始位置设置为0，在夹紧包装材料后启动牵引机构，与此同时，编码器开始计数，检测行走距离。达到设定长度后，编码器会发出到位信号，牵引机构随即停止。此时，剪切机构响应此信号，完成裁剪动作。裁剪后，夹纸机构松开，包装材料在自重作用下落到存放台，牵引机构返回到原点待命。剪切机的工作效率主要取决于牵引机构的行走速度。如果速度太快，受惯性影响容易造成定位不准和设备损坏；如果速度太慢，则效率低下。为此，剪切机的牵引机构设定了三个距离控制点：(1)在起动加速阶段，设定距离为500 mm，采用变频控制。在这一阶段，牵引机构的速度从0逐步加速到较快的工作速度。(2)在工作阶段，牵引机构快速移动，以提高整体工作效率。(3)在减速缓冲阶段，在到达设定长度500 mm前，牵引机构开始减速，以减小惯性影响；在到达设定长度后，牵引机构停止工作。剪切动作完成后，牵引机构快速返回，由启动加速、快速返回、减速缓冲停止三步完成。这三步也是在设定的距离控制点顺序完成，以保证剪切机工作的高效和稳定。在这一控制过程中，各段距离位置的检测都由编码器通过计数来实现。

二、自动剪切机的机械结构设计

铝型材包装材料(无纺布和牛皮纸)的定尺裁剪过程如下：将无纺布卷和牛皮纸卷间隔放置在台架上，由人工将无纺布和牛皮纸送入剪切机构的夹送辊中，设置好所需长度，启动剪切机，这样就可以自动快速地完成牵引、切断、码放等动作，直到整卷无纺布和牛皮纸全部定尺剪切完成。本研究开发设计的剪切机，其机械结构如下图所示(参见图1)，由纸卷台架、夹送剪切机构、快速牵引机构、存放台架等组成。

图 1 自动剪切机整体结构示意图

1.纸卷台架 纸卷台架由方型钢管制作，上面设置了4个有格挡的存放位置。放置纸卷(无纺布卷)时，先把园钢棒插入纸卷(无纺布卷)中间的圆孔，两端伸出，然后把纸卷(无纺布卷)悬空放置在格挡中。拉拽牵引纸张(无纺布)时可灵活旋转，纸张(无纺布)随即展开。在纸卷台架上从前到后间隔放置牛皮纸卷和无纺布卷。裁剪时，牛皮纸在下无纺布在上依次叠放。包装铝型材时，无纺布在里层牛皮纸在外层，非常方便。台架上也可根据生产需要选择放置其中一种要裁剪的包装材料。存放位置也可根据包装材料的种类和层数成倍设置，一次性完成裁剪，这样可成倍提高工作效率。

2.夹送剪切机构 夹送剪切机构的作用是将展开的牛皮纸和无纺布向前送入快速牵引机构的钳口，方便包装材料前行展开，达到定尺长度后快速剪断；同时，在剪断时夹紧后续牛皮纸和无纺布，剪断动作完成后将牛皮纸和无纺布继续向前输送，以实现设备的连续工作。由图1可知，本研究设计的夹送剪切机构位于剪切机的中间部位，由两部分组成，前面是夹送辊，向后输送包装材料，后面是剪刀，用来快速剪断。具体结构如图2所示，由机架、剪刀气缸、动刀片、静刀片、铰链轴、导杆、夹紧气缸、剪刀挡板、上下夹送辊、驱动减速机等组成(参见图2)。夹送辊由主动辊和被动辊组成，下面为主动辊，用减速机通过三角带、皮带轮传递动力，使夹送辊有固定的转速；上面为被动辊，在固定于机架顶部的夹紧气缸的带动下上下活动。导杆的作用是防止被动辊上下移动时产生偏斜，在夹送辊旋转受力时保持夹紧状态，以保证夹送效果。剪切采用交叉剪切方式，原理和日常所用的剪刀一样：将一个静刀片固定在机架上，动刀片与其在一端用销轴铰接，使两把刀片可以相对转动；动刀片的一端安装有气缸，为动刀片的转动提供动力，另一端安装有滑动轮，使其与固定在旁边的剪刀挡板贴紧，引导动刀片与静刀片相互剪切，达到剪断包装材料的目的。由于无纺布比较柔软，两个剪刀刃必须贴紧才能剪断，因此，需用挡板限制，引导动刀片转动位置来保证剪切效果。

3.快速牵引机构 快速牵引机的作用是将要剪切的包装材料快速展开至需要的长度，然后返回等待再次工作。本研究设计的快速牵引机构如图3所示(参见图3)，主要由小车台架、移动小车和夹紧装置等组成。小车台架是整个快速牵引机构的支撑，上面铺设有轨道和齿条，为小车行走提供固定支撑和移动受力点。移动小车上安装有减速机。减速机驱动齿轮与齿条啮合，使小车产生运动。减速机带有抱闸，可实现小车快速移动后的快速停止。夹紧装置固定在小车平台上，可由小车带动移动。夹紧装置上安装有夹紧气缸、导向槽和夹板。夹紧气缸带动夹板在导向槽内上下移动，向下可夹紧送入的包装材料，升起则松开，切断的包装材料靠自重落在下面的存放台架上。快速牵引机构的移动速度和距离都可调，可根据实际需要进行参数调节，以适应不同的包装材料。与人工拉拽的操作方式相比，这种机构不需要人员操作，工作效率大幅提高。

图2 夹送剪切机构示意图 图3 快速牵引机构示意图

4.包装材料存放台 包装材料存放台由角钢制作，与包装材料的长度一致。存放台设置在快速牵引机构下面，用以承接定尺裁剪后的包装材料。具体结构见图1所示。

三、自动剪切机的PLC控制系统

剪切机的控制系统由PLC、触摸屏、接近开关和编码器等组成。其中，PLC控制包装材料的夹紧、输送、快速行走、剪切和快速返回等动作。参数设置在触摸屏上完成，使设备操作更方便直观。接近开关用来检测包装材料和小车位置。编码器用来控制小车行走距离，保证包装材料的前进位置、剪切长度和整体运行的准确、安全。

1.PLC控制流程及其主程序 PLC是剪切机动作流程的控制核心，完成从设备启动、材料输送、牵引、长度检测、剪切到返回等各个动作的准确运行。其动作流程如图4所示(参见图4)。根据这一流程编制的控制程序如图5所示(参见图5)。

图5 PLC控制系统主程序示图

2.触摸屏设置 触摸屏是实现人机对话的窗口，便于操作人员设定参数，进行设备操作[5]121-123。在触摸屏控制界面可设定剪切长度、数量和设备运行模式等。剪切长度可根据型材实际包装长度的需要设定，一般在4.5～6米。剪切数量可根据需要直接设定。界面会同时显示计数器累计的实际剪切数量，在达到设定数量后会自动停止工作，回到原点待命。本研究设计的剪切机有手动和自动两种操作模式。在自动模式下，设备自动运行，直到裁剪工作结束。手动模式主要是对设备进行调整或测试某一动作时使用。一般设定在自动操作模式。

3.剪切机的具体操作 剪切机的具体操作比较简单。设备启动后，操作人员将放置在存放台上的牛皮纸卷和无纺布卷头部拆开，牛皮纸在下无纺布在上，叠在一起拉到夹送剪切机构的压辊位置，按下开始按钮。夹送气缸带动夹送辊向下夹紧包装材料，剪切机开始转动向前输送至快速牵引机构的夹紧装置内。在夹送辊、剪刀和夹紧装置中间均设置有导向板，因此，较软的外包装纸和无纺布包装材料会沿着导向板向前行进。夹紧装置在感应到包装材料后向下夹紧。这时，前端的夹送辊松开，小车启动，带着包装材料一起快速移动，到达设定位置后停止并松开夹板。此时，包装材料前端自然落在存放台上，小车开始返回。与此同时，前端的夹送辊快速夹紧，然后剪刀开始剪切并复位。包装材料被剪断后，末端向下，自然下落在存放台上，这样剪切过程完成。待小车快速移动至起始位置后，夹送辊继续向前输送包装材料至快速牵引机构的夹紧位置，重复进行牵引、剪切、返回、输送等过程。就这样，包装材料被不停地按照定尺长度切断，直至全部包装材料剪切完成。如需更改剪切长度，可在触摸屏上修改长度参数，PLC控制程序依照参数自动运行，裁剪出所需长度的包装材料。

四、结 语

本研究设计的铝型材包装材料自动剪切机已经投入生产。经验证，自动剪切机能有效裁剪外包装牛皮纸和内包装无纺布等柔性包装材料，满足常规铝型材的包装需要。在工作效率方面，人工拉拽裁剪方式一次裁剪只能拉两层，整个过程用时约1分钟；自动剪切机可一次裁剪四至六层，用时20秒，生产效率大幅提高。由于牛皮纸和无纺布比较厚重，常用的六米长度拉拽起来比较费力，通常需要三名操作人员，两人拉一人在末端用刀具切割，劳动强度较大；自动剪切机则由一人操作，成卷的包装材料只需将头部展开送入夹送辊即可，工作强度降低，人员数量减少。

经实际使用验证，本研究设计的自动剪切机可有效裁剪铝型材包装材料，工作效率高，使用方便，省时省力，是一种非常高效的柔性包装材料定尺裁剪设备。