手動玻璃切割機的自動化改造

黃俊杰

摘 要：文章介紹了如何使用PLC對一臺舊式手動的SY-340型號玻璃切割機進行改造，采用機電一體化系統設計思想，實現玻璃切割機自動化控制。

關鍵詞：玻璃切割機；自動化；改造

中圖分類號：TM571 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0098-04

Abstract： This paper introduces how to use PLC to transform an old manual SY-340 glass cutting machine and realize the automatic control of glass cutting machine by using the design idea of mechatronics system.

Keywords： glass cutting machine； automation； modification

由于生產規模以及資金不足的原因，該企業使用的是手動的SY-340型號玻璃切割機，品牌為：SY/申遠，規格為450*450（mm），最小加工尺寸為30mm，最大加工尺寸為120mm。具有切割弧線小，操作簡便的特點。

1 玻璃切割機基本構成與加工過程

在改造之前，本人通過研究分析，得出玻璃切割機基本構成如下：

（1）玻璃切割機主要用于切割，而且本機構主要是用于玻璃劃圓的切割。

（2）在對玻璃切割時，切割機構需要行進旋轉對與玻璃的切割工作。

（3）防止玻璃在切割時產生位移，影響產品質量，在對玻璃進行切割前，需要設計玻璃的壓緊機構。

基于以上的分析，本次自動化設計在此基礎上加以改進，使之實現以下過程：

玻璃放置——壓緊玻璃——自動切割——完成切割——切割機構返回——切割機構停止——松開切割好的玻璃——取出成品。

2 方案的選擇與可行性分析

基于以上的分析，制定了兩個自動化改造方案，分別是繼電器控制和PLC控制。并對兩種方案進行可行性分析。

2.1 控制邏輯

采用硬接線邏輯是繼電器控制邏輯主要特征，通過串聯或并聯的方法將繼電器機械觸點與其他元器件構成控制電路，再加上延時繼電器的滯后動作組合成控制邏輯?；诶^電器控制的線路，系統構成龐雜，對功能的增改操作非常不便，同時其體積大，功耗大。

2.2 工作方式

繼電控制線路中當電路形成閉合回路時，各繼電器吸合與不吸合的狀態都將受到制約。在PLC的控制邏輯中，是對程序進行循環掃描的，由于掃描時間非常之快，每個繼電器受制約的時間幾乎可以忽略不計。

2.3 控制速度

由于繼電器采用的是觸點吸合和釋放的機械動作，這樣的動作形式工作頻率低，同時還會伴隨有機械觸點的抖動。而PLC控制是由半導體邏輯電路來實現控制的，響應速度快，工作頻率高，并且不會出現機械抖動問題。

2.4 限時控制

繼電器控制一般都采用時間繼電器進行時間控制。時間繼電器容易受環境的影響，環境的濕度和溫度等都會制約其定時精度。有些特殊的時間繼電器結構復雜造成維護上的不便。

2.5 計數控制

繼電控制不具備計數控制功能，而PLC能輕松實現。

2.6 設計與施工

繼電控制工程周期長，系統的更改麻煩。而采用PLC達到相同控制要求，則可很好避免以上缺點。整個設計和施工過程可以并列進行，大大縮短開發周期，編程與現場施工互不制約。

2.7 可靠性和可維護性

使用繼電控制必須要使用大量的機械觸點，這樣會導致龐雜的接線。因為電弧的產生，觸點容易機械磨損，造成使用壽命縮短，容易造成接觸不良，系統的可靠性和可維護性差。而PLC完成開關動作是通過驅動半導體電路來實現的，不存在觸點磨損的問題。PLC本身帶有自檢和監督功能，若自身有故障產生，會顯示出來，方便操作人員發現問題。同時程序的執行情況還能進行動態地監視控制，為現場調試和維護提供了方便。

2.8 價格

繼電控制邏輯價格比較便宜，PLC價格比較昂貴。

綜上所述，選擇PLC控制具有以下優勢：

（1）工作可靠，環境變化對系統穩定性影響小。

（2）開發周期短，調試方便。

（3）系統精簡、功能強大，方便維護，改造容易。

（4）能耗低，體積小，重量輕。

因此，經過以上對比分析發現，為實現系統的安全性、可靠性、生產效率最優化、產品效益最大化的要求，本設計采用基于PLC的控制方案。

結合系統控制要求，本方案的PLC需滿足輸入15個點，輸出11個點，采用晶體管輸出。

再綜合考慮性價比以及結構，本設計最后選擇了三菱的FX1N系列PLC，FX1N系列PLC集合了眾多優點，功能強大，體積小，功耗低。

3 玻璃切割機控制系統的設計

現將玻璃切割機控制系統的設計研發論述如下：

3.1 工作原理

玻璃切割機的具體結構如圖1。

玻璃切割機主要由工作臺，固定裝置，步進電機，傳動裝置，限位裝置（限位器8，定位器，切割裝置，控制裝置組成。

做切割工作的時候，只需把原料平放在工作臺上，系統啟動踩下腳踏開關即可，此時電磁閥YA得電，傳動軸在氣缸的帶動下下降；按下啟動按鈕，步進電機運行，傳動輪在主動輪通過齒帶帶動下轉動，轉動軸在傳動輪帶動下做旋轉運動。經過一系列機械傳動后，玻璃刀具便可實現對玻璃進行圓形或弧形的切割。

為避免在切割時，刀具過度下降，造成刀具碰撞工作臺，損壞刀具和工作臺。本設計引入定位器進行規避。為適應加工不同規格的玻璃，只需調節限位器固定螺母進行上下位置調整。

3.2 玻璃切割機的控制要求

為了適應不同切割的要求，改造的玻璃切割機應可以實現以下的要求：

（1）手動控制和自動控制可

切換。

（2）手動控制模式下，腳踏開關一直踩住不放，轉動軸根據用戶設定時間下降到位，時間一到，轉動軸開始轉動，刀具對玻璃進行切割。切割速度為預置值，腳踏開關的接通時間長短決定切割的角度，腳松開即停止切割。

（3）自動控制方式下，操作員只需踩一下腳踏開關，在設置時間內轉動軸就會自動下降到位，PLC自動獲取用戶輸入的速度和角度。時間到，刀具根據PLC程序設定的動作進行切割玻璃，完成切割后自動回到初始位置。

（4）切割角度為可調三位，從0至999度。系統時間設定值由0.5至5秒；速度為兩位可調從0至99。

（5）不同的工作狀態有相應的指示燈指示，在自動狀態時，控制面板上的手動/自動切換開關上的指示燈點亮，只要系統啟動時，啟動指示燈就會點亮，進行切割工作時切割指示燈點亮。無論系統進行到那種工作狀態，當按下停止按鈕，系統復位并停止。

（6）切割次數由計數器進行計數。

3.3 玻璃切割機的控制系統

綜合以上的控制要求，設計玻璃切割機控制系統如圖2。

通過圖2簡明示意了各元件控制流程控制系統和各部分組成的邏輯關系。

啟動信號由腳踏開關產生，PLC從急停按鈕處獲取急停信號，方式選擇信號由手動/自動轉換按鈕產生。

時間值、速度值、角度值都由BCD數字開關設定。其中時間值設定用一位的，速度值設定用兩位的，角度值設定用三位的。

以上信號發出后，PLC立即作出響應，經運算后。輸出指示燈的控制信號，并對計數器發出計數信號。

PLC根據用戶輸入的速度和角度參數通過程序產生相應的速度、角度脈沖列信號，步進電機啟動器接收脈沖列信號，從而控制步進電機的運動。

3.4 玻璃切割機的PLC控制

3.4.1 I/O分配

根據以上對控制系統的設計，將PLC的I/O分配如圖3。

時間設定用的BCD數字開關，將其公共端接于輸入的公共端子上。如圖3所示。

3.4.2 程序設計分析

（1）信號采集

采用MOV指令將時間設定的信號儲存于寄存器D0中。

采用DSW數字開關指令將速度設定的信號儲存于寄存器D2中。PLC的DSW數字開關指令被執行時，輸出點Y14至Y17將輪流導通100ms，BCD兩位數字開關連接了輸入點X14至X17，這些輸入信號將按Y14至Y17的順序讀入和存儲于D2中。執行DSW指令會占用Y16和Y17，因此Y16和Y17應懸空，不能用作其他輸出點。

采用DSW數字開關指令將角度輸入信號儲存于寄存器D4中。與采集速度信號一樣，PLC的DSW數字開關指令執行時，輸出點Y10至Y13將輪流導通100ms，BCD三位數字開關連接了輸入點X10至X13，這些信號將按Y10至Y13的順序讀入并存于D4中。執行DSW指令會占用Y13，因此Y13應懸空，不能用作其他輸出點。

（2）數據處理

采集的數據是PLC處理的第一步，還要通過適當的算法得出符合輸出量要求的值。

比如輸出時間值，我們將信號存儲于D0，采集的信號為數字0至9。所以輸出的信號應為0.5至5秒左右，這就要求將D0的值放大5倍后存儲于D10中，這樣我們就可以得到時間設定值為0至45。最后用指令“OUT T0 D10”便可實現0至5秒的時間控制。

將存儲于D2中的速度信號值放大一定的倍數后存儲于D12中，這就把脈沖輸出頻率設定完成。經現場生產調試，本系統的最佳放大倍數為60倍。

存儲于D4中的角度信號值，經PLC運算后其輸出脈沖數應在被步進驅動器獲取后，準確驅動步進電機，使玻璃刀轉過的角度達到設定值的要求。

（3）信號輸出

如前所述，時間值的輸出采用指令“OUT T0 D10”。

指令DPLSR 是具有32位的帶加減速脈沖輸出功能的指令，可以用在速度和角度信息的輸出。步進電機在瞬間加速或減速會發生失步現象，影響控制精度，加工角度會有誤差，采用帶加減速設定可以避免這種現象。

為了保證有足夠時間進行連續切割，手動時設置DPLSR指令為：“DPLSR D12 K99999999 K100 Y0”，其中K99999999為設置時間，自動模式下指令為：“DPLSR D12 D16 K100 Y0”。

其中D12為頻率設定值，對應輸入的速度值，D16代表了總輸出脈沖，代表輸入的角度值，數值K100為加減速時間，代表時間設定為100ms。

3.4.3 梯形圖

通過以上程序設計分析，編程的梯形圖如圖4，并進行了程序注釋。程序分為數據采集與計算（0～63步）、手動方式（64～66、70～97步）、自動方式（67～69、98～143步）、輸出處理（144～160步）四部分，參見圖4中的注釋。

4 結束語

本次玻璃切割機的自動化改造采用了PLC控制，證明了舊設備能添加PLC進行自動化改造的可行性。而在該機器的玻璃送料機構進行自動化設計改造方面，可以繼續開展研究，將其改造成能實現自動送料、自動定位、自動切割的全自動玻璃切割機。

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