基于PLC 的磁材数控自动切割机控制系统设计

范登胜，林泳峰

（1.闽西职业技术学院，福建龙岩 364000；2.福建省长汀金龙稀土有限公司，福建龙岩 364000）

0 引言

随着当前我国工业现代化和工程机械辅料制造设备行业的不断进步，对于新型板材、磁材的加工切割和辅料加工在其剪切工作效率及其相关产品质量安全方面的技术要求也不断提高。在稀土行业中也力求切割设备的更新换代，从而提高生产力，降低劳动成本，为企业和国家增加经济效益。国内切割机目前控制系统仍然以功能简单、设计复杂的继电器控制方法为主，经过不断完善和发展，近年来也逐渐涌现出以PLC 为主要控制系统的各种具有更加完善功能的自动化、智能化控制技术，驱动系统亦由步进式驱动向现在的全数字伺服驱动过渡。因此本设计提出了基于PLC 的全数字伺服驱动的自动切割控制系统，该系统具有人机交互性好、切割精度高等优点。

1 系统总体设计

自动切割机主要由提供设备保护的防护罩，加工时喷射冷却液冷却工件的三头可调冷却管，固定待切割工件的可移动切割手臂，用于工件切割的镀金刚砂圆形刀片，设备机架组成。自动切割机是通过程序控制可移动切割手臂在水平和竖直两方向自由运动使固定在可移动切割手臂上的工件靠近固定在固定位置的镀金刚砂圆形刀片从而实现工件的切割。

自动切割工艺在稀土生产工艺中包含5 个流程，分别为手动粘胶、自动切割、自动煮胶、超声波清洗烘干和AGV 送料，如图1 所示。

图1 自动切割工艺流程

2 控制系统硬件设计

控制系统以西门子S7-200 SMART PLC 为控制核心，结合威纶通触摸屏M76071，实现人机交互。控制系统根据控制精度的需求采用两种电机，即伺服电机和一般电机，伺服电机采用伺服驱动方式驱动，其它的则为变频器驱动方式控制。其中，可移动机械臂X 轴和Y 轴电机对控制精度要求较高，采用伺服电机。防护罩、冷却管、切割刀片的电机则为一般电机，采用变频控制。自动切割机控制系统硬件结构如图2 所示。

图2 自动切割机控制系统硬件结构

由于自动切割机控制系统中对控制精度要求较高，控制对象为伺服电机，因此这里选用CPU ST20 为主机，它有12 个输入点、8 个输出点，输出方式为晶体管输出。控制回路由主控制电路和可移动机械臂、切割刀片、防护罩和冷却管的控制电路5 个部分组成。控制系统主控制回路如图3 所示。

图3 自动切割机控制系统控制电路接线

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

自动切割机控制系统软件设计主要是控制机械臂移动、防护罩、冷却管功能、切割功能，并且为了方便现场设备维护和调试作用，还设有手动调试功能。PLC 程序采用模块化的设计方法，将这些功能分别编制为不同的功能块，通过主程序的功能调用来调度，协调运作。触摸屏和上位机主要用来实时监控设备，并能根据实际工艺需求快速调整加工参数。控制系统中，PLC 控制器与触摸屏、IPC 相互之间采用工业以太网协议进行通信，通过对现场设备的实时监控，从而实现人机交互和设备的闭环控制。自动切割机控制系统的主程序流程如图4 所示。

图4 自动切割机控制系统程序流程

3.2 系统子程序设计

3.2.1 机械臂运动程序

机械臂运动程序中包含了对机械臂2 个自由度X、Y 轴的移动脉冲驱动，脉冲通过系统自带的运动库程序产生，通过对其中对应的坐标和速度数据的设定来完成绝对位移和速度控制，并在完成切割后回到原点，且复位按钮可对绝对数据进行归零操作。

具体的动作流程为：启动切割运行时，Y 轴先偏移到达切割点上方，Y 轴移动完成后，X 轴偏移，开始切割，切割完成后，X 轴返回切割点上方，切割次数加1。未到达切割次数时，Y 轴下移，开始下一阶段切割动作，直到完成切割次数，停止X、Y 轴运动。

3.2.2 防护罩动作程序

防护罩动作程序是启用和停止防护罩的动作程序，在前面的控制要求中，系统要求在切割时必须放下防护罩，以防止工业废屑的飞溅对人身造成伤害和环境污染。所以在防护罩动作程序中，编写为运行切割开始，防护罩落下，直到完成切割6 min后，确定完成切割，防护罩才开启。

3.2.3 冷却管动作程序

冷却管动作程序是启用和停止冷却管动作的程序，在前面的控制要求中，系统同样要求在切割时，必须开启冷却管对切割片和工件降温，防止切割片和工件摩擦温度过高，导致变形影响工艺和刀具使用寿命。所以在冷却管动作程序中，编写为防护罩落下后开始，冷却管动作，在确认完成切割3 min 后关闭。

3.2.4 切割刀片动作程序

在系统运行过程中，切割片位于机架内部，配合机械臂做切割动作，当冷却液开始喷射时即开始切割动作，切割片启动，完成切割后切割片停止。

3.3 组态编程

人机界面作为PLC 与操作人员之间交流的媒介，将PLC 不可视化的程序和系统的工作状态，通过信息交互通信，与构建的组态画面关联，使系统运行状态更直观，操作更便捷。

控制系统的人机交互一共有工作参数设置和设备工作状态两个界面。在工作参数设置界面可以设置切割的参数如切割速度、切割长度、缓出距离、缓出速度、初始原点、片头厚度等还可选择自动和手动两种工作方式。工作参数设置界面如图5 所示。

图5 自动切割机控制系统工作参数设置界面

设备工作状态界面设置了启动按钮、停止按钮、复位按钮及切割次数设置显示。按下启动按钮，可通过触摸屏实现对自动切割系统的的启动操作；按下停止按钮，可通过触摸屏实现对自动切割系统的停止操作，这个操作优先判断与启动按钮，优先停止系统的运行状态；按下复位按钮，可对自动切割系统的X、Y 轴机械臂进行复位。使X、Y 轴机械臂回归原点，切割次数设置显示可完成对自动控制系统切割功能工作次数的设置，每次切割系统都会累计，直到切割次等于设置的切割次数时系统停止完成切割工作。还设置了切割片工作状态指示，冷却管工作状态指示，保护罩工作状态指示，切割次数显示、Y 轴位移和速度显示、X 轴位移和速度显示，还展示了切割进度可以完成自动切割机控制系统当前工作状态的监视任务。

4 结语

数控自动切割机控制系统在稀土工业加工中有着广泛的应用，该系统可以实现多种材料的精确加工。使用S7-200 SMART系列PLC，以CPU ST20 为控制核心实现了对数控切割系统的控制，通过与触摸屏的连接实现了人机交互，便于工作人员对数控切割系统的调试和生产参数的设置。同时可以实时监测设备的工作状态及进度，使加工工艺的自动化程度大大提升，减轻了工作人员的负担。