基于PLC与LABVIEW的热丝切割机控制系统的设计.pdf

I 匐 似 基于P L C 与L A B VI E W的热丝切割机控制系统的设计 Th e desi gn of hot w ‘i r e cut t i ng m achi ne con t r ol s ys t em based on PL C and LABVI EW 高志 ，胡吉伟 ，张盼盼，许二宁，夏良武 GA0 Zh i ，HU J i ． we i ，ZH ANG Pa n ． p a n ，XU Er n i n g ，XI A L i a n g - WU 华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 2 0 0 2 3 7 摘 要对于E P S 泡沫，塑料地毯等为代表的塑料类产品和纤维卷材的切割 ，目前主要采用的是人工切 片方法 ， 但人工切片法的效率低 ，成本高，劳动强度大，不适合大批量的切割生产。而采用 热丝能够迅速的切割这些材料 ，并且切口平整。本文在通过S O I i d WO r l S 对热丝切割机进行三 维建模的基础上，研制了一台样机 ， 并且通过P L C 程序控制，可以有效的实现三台步进电机的 协调运动，按照预期的要求对塑料类产品进行切割。本文通过两种人机界面对热丝切割机进 行控制 ，第一种是使用T K 6 0 7 0 1 K 3 触摸屏来实现人机界面控制，第二种是通过L A B V IE W在上 位机进行编程，然后和三菱P L C 进行通讯， 来完成对热丝切割机的控制。试验表明所研制的 热丝切割机能按照程序要求完成塑料类产品的切割任务，可以手动控制和全自动控制，并且 切割后的产品切口平整，切割效率高，切割效果好。 关键词热丝切割机；S o ll d wo r K s ；三菱PL C；L A B VI E W；串口通讯 ；触摸屏 中图分类号T P2 7 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 3 1 O 上 -O l 4 3 - 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 1 0 上 ． 4 1 0 引言 目前，对于E P S 泡沫 ，塑料地毯等为代表的塑 料类产品和纤维卷材的切割 ，主要采用 的是人工 切片方法 ，人工切割灵活方便 ，但人工切割质量 差、尺寸误差大 、材料浪费大、后续加工工作量 大，同时劳动条件恶劣 ，生产效率低 。而采用热 丝切割能够迅速 的切割E P S 泡沫，塑料地毯等塑料 产品 ，并且切 口平整 ，能很好的满足不 同塑料产 品的快速切片要求 ，这一特点使热丝被广泛的使 用在切割塑料类产品的场合。 热丝切割机 的工作原理 是对热 丝通电 ，使它 发热。根据焦耳定律 Q 1 2 R t ，导体产生的热量和 电流I 、导体 电阻R、通 电时间t 成正 比关 系，热量 产生 的越 多 ，电热 丝的温 度越高 ，当超过E P S 泡 沫 ，塑料地毯 等塑料类产 品的熔 点时就熔化切割 塑料类产品 。 本 设 计研 究的 热 丝切 割机 属于 线切 割 机一 类 ，它 的发展伴 随着人们 生活 、生产 中物质材料 的发展 。正是 由于E P S 泡沫 ，塑料地毯等为代表的 塑料类产 品和纤维卷材 在人们 生活 中被广泛 的使 用 ，才使得热丝切割机大有用武之地 ，使得热丝 切割技术迅速 的发展 。与热丝切 割机 竞争最激 烈 的是激光切割机和高压水 射流切 割机 ，他们都 有 各 自的技 术优 点，但在 某些方面存在 着缺点。他 们最大 的缺点就是切割加工成本太高，不适合低 成本塑料类制 品的切割 。而现在人们 的生活 、生 产 已经离不开各种各样的塑料类制 品，并且塑料 类制 品的种类还在不断的增多，这 些发展都使热 丝切割机有着广阔的发展前景 。 1 热丝切割机整体方案设计 热丝切割机 的研制分四个 阶段1 热丝切割 机 的 结 构设 计 ，首 先 要 用 S o l i d wo r k s 进 行三 维 建 模，生成工程 图，并加工成各部分零件 ，然后组 装成一台热丝切割机样机 。2 热丝切割机硬件系 统 的搭建 ，以及各 电路的连接 。3 热丝切割机 P L C程序的编写，完成三个步进电机协调运动 的控 制M ] 。4 热丝切割机的人机界面的制作 ，使热丝 切割机的控制更加 的便捷和智能 。 热丝切割机的具体切割过程 。热丝切割机有 三个步进电机 ，通过这三个步进 电机相互之间的 协调运转就 可以完成热丝对 塑料类产品切割 。三 个步进电机 分别称之为送料 电机 ，控丝 电机和切 断电机 。当按下开关 后，送料 电机就会按照指定 的运转方 向转动起来 。这里有两个滚筒 ，上滚筒 和下滚筒形 成了一个加紧装置 ，当塑料类产品接 触到这个加 紧装置时就会被夹紧并且 自动的向前 传送 。当遇到 了宽度切割热丝时 ，会被切割成所 需要 的宽度 。塑料类产 品继续 向前传送 ，当塑料 收稿日期2 0 1 3 - 0 7 - 2 9 作者简介高志 1 9 6 3一，男，湖南人，教授，博士，研究方向为机电一体化。 第3 5 卷第1 O 期2 0 1 3 1 0 上 [ 1 4 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 化 类产品被传送到我们所需要的长度时 ，送料 电机 就 会停 止转动 ，塑料类产品也就停止传送 ，这时 切断电机带动长 度切割热丝向下运动 ，将 塑料产 品切割成我们所需要的长度。当长度切割热丝碰 到了光电开关 ，切断 电机就会停止转动 ，送料电 机 又重新开始转动 。在塑料产品运行 的过程 中， 控 丝 电机 一直 带动 宽度切 割热 丝 不断 的上下 运 动，这有利于 防止热丝粘结，切 不动等现象的发 生 。 热丝切割机 的控制方案如图1 所示，首先通过 三菱P L C 编程软件编写好三台步进电机协调运动控 制程序 ，并下载到三菱P L C中 。然后三台步进电 机就 会按照三菱P L C中已经编好的程序运转 ，当 光电开关被挡住 ，光电开关就会向P L C 发出反馈信 号，P L C 就会改变对三个步进电机的控制 。采用两 种人机界面与P L C 通讯，第一种方式是通过触摸屏 与P L C 通讯 ，第二种 是L A B VI E W上位机编程然后 与P L C通讯 。步进 电机转动，带动已经被加热发 红 的热丝上下运动 ，完成对塑料类产品的片状切 割 。 图1 热丝切割机控 制方案 2 热丝切割机结构设计 本热丝切割机结构分为三部分1 送料滚筒 结构设 计。2 宽度切割结构设计 。3 长度切割 结构设计 ，如图2 所示。 图2 热丝切割机三维效果图 送 料滚筒结构 由步进 电机 、联轴器 、驱动滚 筒、上加压滚筒组成 ，功能是将塑料类产品按指 [ 1 4 4 1 第3 5 卷第1 O 期2 0 1 3 - 1 0 上 定方 向传 送 。 宽度切 割结构 由步进 电机 、联轴器、丝杠、 宽度切割热 丝固定装置、热丝夹 紧装置等组成。 它的功能是使 宽度切割热丝保持夹紧状态并可以 上下往复运动 。 长度切 割结构 由步进 电机 、联轴器、丝杠、 长度切割热丝 固定装置、热丝夹紧装置等组成 。 它的功能是使长度切割热丝保持夹紧状态并可以 上下往复运动。 3 热丝切割机控制系统硬件组成 热 丝切 割机 的控制 系 统需 要使 用 的硬件 设 备有 工控机 、三 菱P LC、5 V开 关 电源和4 8 V开 关 电源 、三个 2 HB6 0 5 MAE型 号步进 电机 驱动 器 、三个步 进 电机 、四个NP N光 电开关 、威纶 通T K6 0 7 0 I K3 触摸屏 、调压电源。工控机有两个 作用 1 用三菱P L C编程软件GX De v e l o p e r 编 写控制 三个步进 电机协调 运动的主程序 ；2用 L AB VI E W编写人机界面。步进电机驱动器是通过 控制步进电机的旋转角度和运转速度，来实现对占空 比的控制，从而控制电机的运转速度的装置 J 。调压 电源是将2 2 0 V交流电压转换为2 4 V交流电压 ，由它 向镍铬合金电热丝供电，使热丝发热发红。具体热 丝切割机控制系统硬件连接流程图如图3 所示。 图3 热丝切割机控制系统硬件设备 热丝切割机 若要正常的运行 ，硬件设 备的正 确接线非常重要，线路连接方法如图4 所示。其中 驱动器的AC1 和AC 2 两端分别接4 8 V开关电源的正 负极 ，驱动器A 、A． 、B 、B 一 四个端 口分别对应 连接步进电机红色 、蓝色、黑色和绿色的线路， p u l 和d i r 都 连接至5 V开关电源的正极，p u l 一 接 P L C的Y 0 端 口，d i r ． 接P L C的Y1 端 口，P L C 的C O 端 口接5 V 开关 电源的负极。另外 ，P L C的L 和N端需 接2 2 O V电 源 。 4 热丝切割机控制系统P L C 程序 4 ． 1 初始化程序 在P L C 程序中，首先要初始化，在这里是对程 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 出 I釜 I 4 系统 硬 件 接 线 序 中的一些数据 寄存器例 ／ H D0 、D2 、D4 、D6 、 D 1 0 进行赋值 。DO 赋值4 0 0 ，D2 赋值 1 0 0 0 ，D4 赋 值 1 0 0 0 ，D6 赋值1 0 0 0 0 ，D1 0 赋值0 。DO 是送料电 机 频率 ，D2 是切 断 电机频 率 ，D4 是控丝 电机频 率 ，D6 是送料电机 的脉 冲数 ，D1 0 是 当前已经切 割完成塑料产品数 目。 ■ I 图5 程序初始化 当三菱P L C 上 电，M8 0 0 2 就会 自动闭合一次 ， 这样也就完成了P L C 程序的初始化 。 4 ． 2 手动控制程序 热丝切割机 有采用两种控 制方法 ，分别是手 动控制和 自动控制 。这两种控制方式在实际应用 中各有千秋 ，当热丝切割机在测试的时候 ，采用 手动控制更加方便 ，可以让三台步进 电机各 自独 立的随时运动 ，随时停止 ，随时改变热丝运动的 方向 ，当在实际生产的时候， 自动控制又是必须 的， 只要点击了启动按钮 后，三台步进电机 就会 自动按照程 序来协调运行，当需要停 止工作 时， 按下停止按钮后，热丝切割机就会停止运动 。 首先说明手动控制的P L C 编程，每个步进 电机 的手动 控制 思路都 是一样 的，所 以就 以送料 电机 的手动 控制 为 例来 说 明 ，如 图5 所示 。 图6 手动控制 程序 插好总电源 ，开关X0 1 1 闭合 ，在触摸屏或者 上位机L AB V I E W人机界面上按下手动控制启动按 钮，M0 辅助继电器就会置位 闭合。然后再按下送 料 电机正转按钮 ，送料 电机就会按照D O 输 出脉冲 频率不断的转动 ，直到碰到 了对应 的光 电开关或 者按下了停止按钮才会停止转动 。 4 。 3 自动控制程序 自动控制程序如图7 所示。控制过程是当按 下 自动控制启动按钮后，辅助继电器M1 闭合 ，送 料电机会正向转动 ，当转一 定脉 冲数后 ，就会停 止转动，辅助继电器M8 0 2 9 就会闭合，触发M3 0 ， 同时过两秒后，T O 闭合，切断 电机就会带动热丝 向下运动 ，当碰到光电开关，切 断电机立即停止 转动 。这时送料电机就会再 次开 始转动 ，过两秒 后 ，切断 电机就会带动热丝向上运动 。这是一个 周期 ，后面就会一直重复这样运动 。只要M3 0 置 位一 次 ，就 会给D1 0 增加 一个 1 ，这 样就可 以记 录已经完成切割产品的数 量，然后在触摸 品或上 位机上显示 出来 。送料电机 和切 断电机的运动是 有关联 的，同一时刻两者只能有一个 步进 电机运 行，相互存在互锁 。 但控丝电机则是独立不断往复转动，先带动热 丝 向下转动 ，当碰到光电开关后停2 秒，然后又带 动热丝向上转动，停两秒。这是一个运动周期 ，然 后一直重复这样运动。控丝电机的往复转动，可以 有效的防止切不动 ，塑料产品粘结现象的发生。 。 一鼻 _ _ 一 I L 并 『 算 。 图7 自动 控制程序 第3 5 卷第1 O 期2 0 1 3 1 0 上 [ 1 4 5 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m