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基于P L C 的自动送片系统开发设计 Au t om a t i c s en d pi ece of s ys t em dev el opm ent and des i gn bas ed on PLC 史卫朝 SHI W e i z h a o 西安理工大学，西安 7 1 0 0 8 2 摘要 针对钢筘在生产过程中的送片工艺， 研制了新型自动送片系统。其结构主要是采用了双缸气缸 和平行气动手指作为推出装置、夹持装置、送片装置的执行元件 ，结合改进后的主体机械结 构，利用P L C 程序控制， 使该系统相比原有的机械送片系统具有送片速度快、结构简单，便于 维修等特点。 关键词自动送片系统；双缸气缸 ； 平行气动手指；P L O 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 5 0 2 下 一 0 1 0 6 - 0 2 D o i 1 0 ． 3 9 6 l ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． o 2 下 ． 3 2 0 引言 钢 筘是生产 纺织产品的重要设备 ，不 同的纺织产 品要求配置相应 的钢筘型号。近几年，随着市场对纺织 产品的需求不断增加，纺织企业对钢筘的需要也随之提 高 。编筘机作为生产钢筘的重要设备，经历了机械式一 电气式一 自动式三个阶段，全 自动式编筘机 以其高效和 卓越 的性能得到众多纺织器材公司的认可，成为生产高 目数和异型钢筘的重要设备 。送片系统是全 自动编筘机 的重要组件 ，送片精度关系到钢筘的质量高低。目前 ， 送片系统主要采用凸轮机构和齿轮机构运动完成送片， 结构复杂，维修 困难 ，故障率高。例如夹持器加持筘片 过程 中时常 由于上下夹片的位置不正确或夹紧力的调整 不当 ，造成筘片无法被正常夹持 ，编筘机无法正常工 作，筘片厚度一般为0 ． 2 7 ra m～ 0 ． 6 m m，如 图1 所示。本项 目通过对现有的送片系统分析研究 ，针对性的开发出一 套基于P L C 控制 的新型送片系统，从根本上解 决了送片 系统存在的问题。 夹紧力 确 夹持 方法 图1 夹持机构 1 送片系统的结构设计 1 ． 1项 目目标及技术路线 本项 目目标是研制出通过P L C 控制及气缸作用的 自 动送片系统 ，提高送片精度和效率。经过改进 的送片系 统 ，能提高钢筘质量及生产效率。 项 目的技 术要求是解决 自动送片系统 中夹持不到 位、送片长度及夹紧力调整不当等问题，降低送片故障 率，增强系统稳定性。 项 目的技术方案是，在原有送片系统机械结构基础 上，改造或去除部分零件，以气动元件为执行部件，通 过P L C 程序控制，形成新型的送片系统。 1 -2 主体机械结构 新型 自动送片系统的机械结构主要包括 1 推 出 装置2 气缸手指夹持装置；3 送片装置三大部分， 如图2 所示。 6 5 4 3 2 1 1 ．T N1 6 杆气缸2推刀3 ．放料盒 ；4 ．夹爪配件；5 ．H F Z 1 6 平行气动手指 6 ．T N2 5 ． 杆气缸；7 ．连接板 ；8 ． 滑块；9 ．导轨 1 0 ． 筘片 图2 送片 系统机械结构 推 出装置主要是将放料盒 中的筘片按顺序推入 到 夹持器的中间位置。由于筘片较薄，推 出时会经常造成 多个筘片同时被推 出的现象，因此项 目组设计了独特 的 推 刀，其结构类似9 0 0 b 圆车刀，通过推刀尖部推动扣 片；此外在放料盒下方安装了电磁铁，保证筘片按顺序 被推 出。推出执行元件为亚德客T N1 6 “ 2 0 双杆气缸 。 气动手指夹持装置主要是将筘片正确夹持或松开 ， 且保证夹持过程 中筘片不会松落 。现有的夹持器上下夹 片 由于长时间工作或筘片厚度的改变 ，会导致上下夹片 收稿日期2 0 1 4 - 0 8 0 9 作言简介史卫朝 1 9 8 1一 ，男，陕西西安人，讲师，硕士，研究方向为机械设计和机械C A D／ C A M技术。 [ 1 0 6 1 第3 7 卷第2 期2 0 1 5 - 0 2 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 夹持位置变化 ，影响钢筘编制。本项 目通过对夹持力及 夹持点的计算，选择亚德客H F Z 1 6 平行气动手指作为夹 持执行元件 ，但H F Z 1 6 气动手指 自身夹爪较短，不能执 行夹紧筘片动作 ，需要为其夹爪设计配件 ，如图2 所示。 送片装置主要是将夹持装置及筘片推出或拉回到指 定位置 。根据气动手指的外形结构及编筘机 自身尺寸， 项 目组设计 了送片装置，主要包括1 圆柱导轨及滑 块，其特点是摩擦力小，且能够支撑气动手指装置等； 2 T N2 5 1 5 0 双 杆气 缸 ，具有一定 的抗弯 曲及抗扭性 能，能承受一定的侧 向负载，稳定性好 ；3 连接板， 主要固定气动手指和滑块 ，连接T N2 5 气缸连杆，保证 各部件的位置。 1 ． 3 工作原理 自动送 片系统工作时主要依靠气 动元件顺序运动 完成送片，具体工作原理首先将经过抛光的筘片放入 放料盒 中，启动系统，推 刀在T N1 6 气缸的作用下将料 盒底部的筘片推到指定位置，接着行程开关发出信号， T N1 6 气缸退回，HF Z 1 6 气动手指将 筘片夹紧并碰触检 测元件 ，T N 2 5 气缸得到启动信号后 ，将气动手指 夹紧 的筘片推送到绕线圈内，然后行程开关发出信号，气动 手指松开且T N 2 5 气缸退回，伺服 电机工作编制筘片。 2 控制系统设计 2 ． 1 气动系统设计 自动送 片系统 工作过程 中主要步骤 是推片一夹 片一推出一松片一退回，结合编筘机的主体机械结构可 知，推出装置、夹持装置及送片装置的运动分别 由二个 双杆气缸和 一个气动手指控制 。三个气缸 之间相 互配 合，并配合其他气动辅助元件，按规定顺序运动完成钢 筘的编制。其气动控制系统设计如图3 所示。 nI l 6 双杆气砒 平行气动手指 1 } 12 5 双杆气缸 图3 气动控制 系统设 计图 2 ． 2 控制电路设计 设计控 制电路系统时 ，经过对 各种因素 的综合考 虑，确定采用欧姆龙C P 1 H ． XA 4 0 D T ． D型号P L C ，其具 有 “ 高度扩展性 ”，内置一个R S 2 3 2 口以连接触摸屏， 串口内置的Mo d b u s R T U 主站功能，几乎不用编程 ，可 完成 与Mo d b u s 从站设备如变频器等的各种通信 ，全系 列 内置U S B 口，可使用市售的U S B电缆与计算机连接 ， 进行编程，更方便 ，更经济。筘片编制过程中，每个动 作 由一个 电磁 阀控制，行程由行程开关控制。且考虑到 安全生产，采用电机保护器、声光报警器等增加安全 因 素 。控制电路图如图4 所示 ，电气元件清单如表1 所示。 H 淼l篙 I嚣 嚣 l淼 l Z 2 L一 ] 1 州c 0 I ∞I o 1 l 0 2 l ∞ l 0 l 。 51 ∞ l ∞ l ∞ l 0 9 I i o l 1 1 l o ol D ’l 0 2 1 0 3 1 0 4 l 0 5l o 0l 0 7 1 I ∞l 1o1 1 1 C P1 H X A4 0D T D l N CI o oI c 。 l 0 1l c o u l o 21 0 3l l 0 4I l o 61 0 7l l o 1 l 0 2l 0 3】 c o ul l l o 6l 0 7 l l 1 ． 孚 f f 刮 f g f 善 f f 善 f 兽 f 嚣 f 每 f f f f 牛牛牛 牛 } 图4 系统控制原理图 表1 电气元件清单 序号 名称 型号规格 数量 单位 1 断路器 I C 6 5 N 3 P 5 0 A 1 个 2 断路器 I C 6 5 N 2 P l 2 ． 5 A 1 个 3 接触器 L Cl D O 9 1 1 M5 C 1 个 4 电机综合保 护器 z ] I B 0 2 S 1 个 5 直流 电源 NE S ． 2 o o 一 2 4 1 个 6 中间继 电器 R XM4 C B2 B D 2 4 VD C 2 个 7 中间继 电器插座 RXZ E 1 M4 C 2 个 8 绿色带灯按钮 XB 5 一 AW3 3 M1 C 1 个 9 红 色带灯按钮 XB5 _ AW3 4 Ml C 1 个 1 0 声光报警器 A D1 6 ． 2 2 S M， r 2 3 1 个 2 ． 3 控制程序设计 自动送片系统的各个装置在检测传感器及继 电器 的 控制下 ，按规定 的逻辑顺序进行工作 ，图5 为控制程序 流程图。 图5 系统 工作流程图 第3 7 卷第2 期2 O 1 5 0 2 下 [ 1 0 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 自动送片系统的特点 经过改进后的 自动送片系统相 比原有的送片系统， 具有 以下特点1 送片速度提高，气缸运动速度较机 械传动速度快 ；2 筘片由放料到绕线过程中，送片系 统运行稳定，故障率低 ，工作效率高；3 结构简单、 维护方便 ，送片系统中采用的气缸 ，原理及结构简单， 易于安装维护且故障 问题可通过检测元件和报警系统提 示 ，便于针对性地检查维修。 目前 ，新型送片系统 已经应用于某纺织器材配件 厂 。结果表明，使用该送片系统后 ，企业编筘的效率大 幅提高，产品生产周期由原来的8 小时缩短至5 , b时；生 产过程故障率低，产品质量得到保证；生产成本较前降 低 了2 0 ％ 左右；新型送 片系统 的使用为该企业带来了显 著 的经济效益，也为其产品提高了市场竞争力。 4 结束语 随着我国纺织产业的不断发展，纺织机械的升级改 造也势在必然。好的纺织产品要有好的钢筘配套，新型 自动送片系统 的成功应用将有力地推动钢筘产业的整体 技术升级 ，提高钢筘在纺织器材行业的市场竞争力 ，促 进 了钢筘行业 的可持续发展，减少我国纺织行业对进 口 钢筘的依赖性 。 参考文献 【 l 】 机械设计编 写组． 机械 设计手册第三版 【 Z 】 ．北 京 机械 工业 出版 社， 1 9 8 6 【 2 】 姜继海． 液压与气动传动【 M】 ． 北京 高等教育 出版社， 2 0 1 0 ． 【 3 1 林小宁． 可编程控 制器应 用技术 【 J 】 ． 北京 电子工业 出版社， 2 0 1 3 ． 盘● 蠡‘ 矗‘ 鑫‘ {盎‘ 重‘ {童‘ {盘‘ 童‘ 童‘ ． 蠡‘ 矗‘ 文 矗● ‘ {蠡‘ 矗‘ 鑫● {量‘ ‘ ． 矗I 蠡● 【 上接第9 0 页】 由图8 ～图1 0 可以看出，收缩角、入口直径、扩张角 的改变对喷嘴的出口速度影响很小，可以忽略不计。由图 l l 可知，出口 速度随出口直径的增大而增加，但速度的增 加量却在逐渐降低，其中直径由l O m ml l m m时的速度增 加量只有9 m ／ s 。所以当出口直径足够大时，出口速度将不 会继续增加，所以出口直径取1 0 l T Ⅱ n ～1 1 衄 较合适 ，得出 此时扩张角为2 2 ．8 。 ～3 4 。 。收缩角越小，收缩段越长，则 摩擦必然增加，导致压损增大，速度减小；而当收缩角较 大时，会导致气流收缩过快，影响流场，一旦流动不稳 ， 速度和压强也会随之 降低。所 以，收缩角取3 0 。 左右较 合适，得出此时入 口直径为1 4 ． 2 m m。 4 结论 1 通过热力学计 算及几何参数计算 ，设计 出了满 足要求的喷嘴 ；通过数值模拟 ，验证了喷嘴尺寸设计的 合理性，说明该方法的设计是可行的。 2 通过对喷嘴 内流场的数值模拟可 以得 出喷嘴 内的流场在渐缩段有所变化，但变化量都很小，变化最 剧烈的部分主要集中在喉部附近，在扩张段的变化也较 为平缓，总体上满足气流的减压增速降温过程。其 中壁 面摩擦对喷嘴 内的速度场和温度场有较大影响，而对压 力场的影响可 以忽略不计 。 3 通过改变喷嘴 结构的模拟分析得出喷嘴的出 口速度与收缩角、入 口直径和扩张角几乎没有变化 ，而 与 出口直径有很大关系；随着出 口直径 的增大，出口速 度亦随之明显增大 ，但速度的增加量却在逐渐减小，从 而得出了最佳出口直径的大致范围，以此为依据设计出 了优化后的喷嘴尺寸。 [ 1 0 8 1 第3 7 卷第2 期2 0 1 5 - 0 2 下 4 本文通过流体力学软件F l u e n t 对超音速喷嘴内流 场进行 了数值模拟，达到了预 期效果 ，分析了喷嘴内流 场的流动特性及喷嘴结构对喷嘴 出口速度 的影响，为工 业生产中可能涉及到的喷嘴流场理论研究和喷嘴的优化 设计提供了理论指导。 参考文献 【 1 】曹学文， 陈丽， 林宗虎， 等． 用于超声速旋流分离器中的超声速喷 管研究 【 J 】 ． 天然气 工业，2 0 0 7 ，2 7 7 1 ． 3 ． 【 2 】刘坤， 朱苗勇， 高茵， 等．单孔氧枪喷头射流流场的仿真研究【 J 】 ．特 殊钢， 2 0 0 7 ， 2 8 5 1 - 3 ． 【 3 】康文勇， 陈清华， 陈子云， 等． 送粉气流对冷喷涂流场及粒子速度 影响的数值模拟 【 J ] ． 西安交通大学学报， 2 0 1 2 ，4 6 7 8 2 8 6 ． 【 4 】 王鹏飞， 周广 ， 等． 激光 切割机中激光喷 嘴设计研 究[ J ] ． 制 造业 自 动化 ，2 0 1 2 ， 3 4 9 1 2 3 ． 1 2 5 ． 【 5 】 王保 国， 刘 淑艳， 黄伟光． 气 体动力学 [ M】 ． 北京 北京理工 大学 出 版社， 2 0 0 5 ． [ 6 1 王克 印， 韩星星 ， 张晓涛 ．缩 扩型超音速 喷管的设计与 仿真[ J ] - 中 国工程机械 学报， 2 0 1 1 ,9 3 3 0 4 3 0 8 ． 【 7 】 Zh on g l i a ng Li U ， J u n t a o Di n g； W e n mi ng J i a n g，e t a 1 ． Nume r i c a l s i m u l a t i o n o f h i g h l y s wi r l i n g s u p e r s o ni c f l o w i n s i d e a La v a l n o z z l e [ J ] ． P r o g r e s s i n Co mp u t a t i o n a l F l u i d D y n a mi c s ， 2 0 0 8 ， 8 7 ／ 8 5 3 6 5 4 0 ． 【 8 1 L I Z h e n g d o n g ， Z HANG Gu o q i n g ， L I Zh o u ， e t a1． S i mu l a t i o n o f Ga s F l o w F i e l d i n La v a l No z z l e a n d S t r a i g h t No z z l e f o r Po wd e r Me t a l l u r g y a n d S p r a y F o r mi n g [ J ] ． J o u r n a l o f i r o n a n d s t e e l r e s e a r c h ， i n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 8 ， 1 5 6 4 4 - 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