行星式自動切管機系統設計

許 萬，李 聰，趙 迪，李 炯，錢應平

（湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢430068）

不銹鋼以其突出的抗高溫疲勞、抗酸堿腐蝕性能成為汽車排氣管首選材料。在滿足工藝要求的前提下，將長的鋼管切割為定長的短鋼材料已成為鋼管衍生品制造中的首要環節。

目前，我國對于薄壁不銹鋼管的切割手段還不理想，切割方法主要有砂輪切割、激光切割、線切割、單刀片旋管式切割等。砂輪切割在鋼管切割中應用較多，但是很難實現高精度、高效率的切割；激光切割［1］雖可以實現高精度、高效率，但由于大功率激光頭價格昂貴，切割時產生高溫，有一定的危險性，并不適用于普通的工業生產；線切割可以實現高精度切削，但是切削效率低下；單刀片旋管式切割［2］由于鋼管本身處于一個旋轉的狀態，很難保證切割時的切削精度。而本文提到的雙刀對稱行星式切割不僅能夠實現高速高精度切削，控制切削屑，而且價格經濟實惠，適用于一般的工業流水線生產。

PLC作為專為工業環境而設計的控制器，具有結構緊密堅固、體積小、重量輕、功耗低，且抗干擾能力強的特點，主要運用于離散制造、工序制造等，在我國的工業發展進程中占著舉足輕重的地位［3］。本文將PLC運用到切管機六軸控制系統上，對其各軸的運動實現獨立、自動控制，不僅實現了多軸靈活動作，滿足切削要求，而且大大提高了工作效率。系統中采用伺服直驅［4］的工作結構，具有結構簡單、定位準確、控制方便等優點，不僅保證了工作的可靠性，而且可以實現較高的切削精度。

1 切管機原理及伺服選型

1.1 結構分析

系統的機械結構主要由送料和切割兩個部分組成。

送料部分包含一個送料絲杠和送夾；切割部分包含一個前夾和完成切割的刀盤。送夾和前夾采用自動對心式夾口設計，以保證鋼管自動夾緊時前夾與送夾同心。

切割部分采用雙刀對稱行星式設計［5－6］，即自轉—直線運動—公轉:先讓刀片自轉，進給電機完成刀片的直線進刀，并通過刀盤旋轉來帶動刀片公轉，完成切割，設備運行前將兩個刀具校準到同一平面，而且由于兩個刀片同時切割，與單刀片相比不僅可以得到良好的斷面，在一定程度上也提高了切削效率。

圖1為自動切管機整體工位示意圖。

圖1 自動切管機整體工位示意圖

1.2 工藝流程

自動切管機的工作流程主要包括以下四個步驟。

1）送夾緊。將薄壁鋼管置于支撐架和送夾上，送夾完成自動對心并夾緊。

2）送料并前夾緊。送料電機通過送夾將薄壁管送到設定好的長度（需要切割的實際長度＋刀片的厚度）位置并前夾緊。

3）刀片旋轉并進刀。刀片1、2開始同方向順時針旋轉（從送料方向看，下同），同時，進給電機1、2將刀片送到刀刃剛好接觸到薄壁鋼管表面的位置（這段距離為快進刀距離，自動運行時先手動調好此距離，并在觸摸屏上設置），然后減速工進一段距離，這段工進距離由鋼管的厚度決定。

4）完成切割并退刀。工進完成后，主軸電機通過齒輪傳動帶動刀盤逆時針方向旋轉，由于刀盤設有對稱的兩個刀片，所以一般來說刀盤旋轉角度只需達到170°左右即可切斷鋼管，完成一次切割。

理論上可以將刀盤改為順時針旋轉作為第二次切割，并且通過改變刀片的旋轉方向來使切割的鋼管的毛刺全部朝內或朝外，但由于刀片的裝配固定的限制，刀片的旋轉只能是一個方向，因此在程序設計時，在進行第二次切割前，刀片退回起始點并停止轉動，然后刀盤歸位。

為了保持動作的連貫性以及減少送料絲杠的磨損，本系統充分利用了整個送料絲杠，將送料后限位作為送料起始點，前限位作為送料最終點。完成第一次切割后松開前夾，不松送夾，繼續第二次送料切割過程，切割好的鋼管由后面的套筒取出。

1.3 伺服驅動系統選型

通過圖1所示的工位圖可以得出該系統共需要6套伺服驅動系統以及2套液壓夾緊系統。其中送料、進刀和主軸轉動采用伺服電機的位置控制實現動作，切割模塊采用伺服電機的模擬量控制實現轉矩和轉速的改變。為了滿足工作需求，并且保證運動的可靠性，系統選用了三菱公司的MR-JE-A系列的伺服放大器以及與其配套的HF-SN系列伺服電機。根據負載工作要求，選用的型號如表1所示。

表1 伺服選型

2 控制系統設計

2.1 控制要求

為了滿足實際生產過程中的需要，在進行系統規劃時也要相應設置這些功能。該系統要達到的功能主要有:1）手動功能和自動功能，既能夠點動控制每一個工作步的運行狀態，實現初期調試功能，也能夠實現一鍵式操作提高自動化水平；2）各個動作軌跡的穩定控制，以保證運動正常運行和人員安全；3）方便的人機交流，傻瓜式按鍵操作方便工人對設備的控制。

2.2 PLC選型及I/O分配

本系統選用三菱公司生產的FX3U系列PLC，PLC為脈沖＋方向控制方式。系統共需要4個脈沖輸出量，而FX3U系列PLC最多只有3個高速脈沖輸出端口，需要額外加上一個脈沖輸出通道，因此選用了FX2N-1PG這樣一個脈沖發生器來控制對刀盤運動的控制。

系統的切割模塊利用伺服的模擬量控制其轉矩和轉速。由于有一對刀具，在控制模塊上需要4個模擬量控制輸出端口，因此選用了三菱的FX2N－4DA這樣一個模擬量輸出模塊。系統的總體I/O分配以及整體方案如圖2所示。

圖2 系統的總體I/O分配以及整體方案

此外，由于切割過程中會產生大量的熱量，因此還需要在刀片切割處裝上一個冷卻裝置?？紤]到工人的操作便利性，冷卻設備采用手動按鈕控制。

2.3 控制程序設計

系統控制程序的設計方法采用順序功能圖?；赟FC的設計思想是將系統的一個工作周期劃分為若干個順序相連的階段，這些階段稱為步。在每個工作步內，可以單獨考慮該工作步的程序動作，相鄰工作步之間通過特定的元器件的狀態來進行轉換，在該元器件狀態未改變之前，處于它下面的工作步就不會動作。這種設計方法可以將一個較復雜的生產過程分解為若干個步驟，不僅簡化了程序的編寫，條理清晰，增強了可讀性，而且還利于后續程序的調試、修改及設備維護等。

運用GX Developer和GX Simulink軟件，可以在一定程度上脫離PLC進行程序仿真和調試，通過這樣的一個開發平臺，可以對PLC的內部參數、運動程序、運動狀態等進行實時監控，這對于程序的前期調試工作有很大的便利性，減短了開發周期。

切管機系統的程序部分由初始程序和運動主程序部分構成。其中初始程序用于設置開機默認值以及用于和觸摸屏通訊中的參數修改操作等控制程序。系統的主要程序流程如圖3所示。

圖3 主要程序流程框圖

本系統共設計了三種控制方式:手動控制、半自動控制和自動控制。手動控制主要用于開機后的位置初始化以及設備調試；半自動控制主要用于開始自動化生產前的第一刀，用于齊頭；而自動控制主要應用于自動化生產過程，適用于連續切割動作。

2.4 伺服驅動調試

在整個系統中，用到最多的就是伺服放大器，因此伺服參數的設置對于整個系統的工作狀態以及運動精確度有著比較大的影響［3，7］。調整主要包括三個方面。

2.4.1 控制模式的選擇 對于送料、進刀以及主軸運動，控制模式選擇為位置控制；對于刀具的旋轉運動，控制模式選擇為轉矩控制。

2.4.2 電子齒輪的選擇 電子齒輪比＝編碼器檢測反饋脈沖/上位機發出的指令脈沖。當對控制精度有一定要求時，都會根據脈沖當量以及伺服的檢測反饋脈沖來確定電子齒輪比，實現較高的運動精度。本系統采用的是10mm導程的絲杠，通過調整電子齒輪比，設置指令脈沖的脈沖當量為0.001 mm，在伺服不丟步的情況下，理論上最高精度為1 μm，達到了生產要求。

2.4.3 伺服的自我學習 伺服在由空載變為有載荷之后可能會出現異常，此時伺服就能夠通過自適應PID學習來做自我調整。

3 人機界面HMI設計

隨著現代設備自動化程度的不斷提高，機械結構越來越復雜，人機界面扮演著越來越重要的角色［8］。本系統采用威綸通TK系列的觸摸屏，人機界面采用EB8000Project Manager來進行設計，采用的是模塊化編程方法，然后通過給對應的模塊賦予地址和數據，完成離線和在線模擬后編譯下載到觸摸屏，其中離線模擬不需要連接PLC，在線模擬需要連接PLC。該程序設計流程如圖4所示。

本系統的人機界面通過工業PC機串行口（RS485/RS422）與三菱FX3U系列PLC的通訊模塊FX3U-422-BD連接，完成 HMI和PLC的基本CUP之間的通訊，而PLC的相關數據寄存器、輸入輸出寄存器、通用繼電器等都可以通過人機界面進行讀寫。通過人機界面可以方便地對該系統進行控制以及數據修改、調試。

圖4 HMI界面設計流程圖

根據切管機的系統設計要求，需要設計自動、手動界面，其中手動界面包含半自動操作。為了防止非操作人員的誤操作，設置界面中設定入口密碼。圖5所示為自動操作界面，在設定好相關參數后，按下開始按鈕，系統即進行自動運行。

圖5 觸摸屏自動界面

手動操作界面如圖6和圖7所示，包括手動1界面和手動2界面的左邊部分（其中手動2界面中的刀1和刀2代表兩個進刀伺服電機的動作）。工人們可以根據實際需要進行點動控制，主要用于開機后的初始設置以及刀片校準時的調試。

圖6 手動1界面

手動2界面的右邊部分是半自動起始參數設置及控制部分（圖7），在完成夾緊、送料，調整好進刀間距后，按下“刀盤聯動開始”按鈕即可進行半自動切割。

圖7 手動2界面

4 結束語

本自動切管機采用了液壓夾緊控制和伺服傳動控制，有效實現了所需動作，并達到一定的控制精度。此外，行星式切割方法可以得到質量較高的切削斷面。本設備在一定程度上彌補了傳統切割精度的不足，提高了切削斷面質量以及切割效率，配合鎢鋼刀片，從送料到完成切割并退刀，時間已提高到了約2min/次，且發熱小，提升了產能。

［1］ 謝冀江.工業用數控激光切管機研制［J］.光學精密工程，2004，12（06）:587-591.

［2］ 凌淑蘭.旋管式切管機的設計與實踐［J］.煤礦機械，2009，30（02）:30-32.

［3］ 朱文杰.三菱FX系列PLC編程與應用［M］.北京:中國電力出版社，2013.

［4］ 趙升噸.回轉頭壓力機交流伺服直驅方式的研究［J］.鍛壓裝備與制造技術，2013（06）:19-22.

［5］ 劉 君.行星式數控無屑切管機的研究［D］.沈陽:沈陽工業大學，2012.

［6］ 黃 旭.薄壁不銹鋼管切割方法及裝備研究［D］.武漢:湖北工業大學，2014.

［7］ 劉艷梅.三菱PLC基礎與系統設計［M］.第2版.北京:機械工業出版社，2012.

［8］ 吳 全.新型切管機的設計與實現［J］.機床與液壓，2012，40（14）:39-41.