（中国地质大学（武汉） 机械与电子信息学院，武汉 430074）

0 引言

在机械加工行业，下料是第一道工序，在标准件生产、零件加工中必不可少[1,2]。提高下料效率是提高零件加工效率的基础[3]。目前国内外主要采用人工送料、定长和夹紧的下料方式，然后通过带锯床、弓锯床等进行锯切下料，需要专人操作，存在锯切效率低、精度不高和劳动强度大等问题。

针对上述问题，本文在普通弓锯床的基础上，设计了自动送料锯切装置，采用触摸屏、PLC、步进电机和气缸等组成的控制系统，利用现代电气传动方式，实现送料、夹紧、切料的全自动控制，扩大了弓锯床的锯切范围，提高锯切效率及可靠性。

图1 自动送料装置

1 控制系统方案设计

1.1 自动送料锯切装置

自动送料锯切装置包括自动送料装置和自动锯切装置两部分。如图1所示，自动送料装置由左右夹紧机构、上下夹紧机构、电机送料机构、轧辊和机架等组成。左右和上下夹紧采用气缸推动动压板实现夹紧，电机送料机构采用步进电机、滚珠丝杠、丝杠螺母及滑台等实现自动定长送料。

自动锯切装置在实验中心原有弓据床的基础上进行了自动化改造，包括弓据臂、锯切夹紧机构、支撑杆推动机构、锯切控制机构和锯切完成检测机构。支撑杆推动机构采用气缸推动支撑杆转动，在弓据臂运动时推开支撑杆；弓锯床泄压或不使用时，拉回支撑杆，使支撑杆支撑弓据臂。锯切控制机构采用气缸推动弓锯床手柄，实现锯切上升/下降。

1.2 控制系统方案设计

图2所示为自动送料锯切装置控制系统结构图，以PLC控制器为核心，还包括触摸屏、数据存储器、按钮、限位开关、步进电机驱动器、步进电机、继电器和电磁换向阀等。

图2 自动送料锯切装置控制系统结构图

气动控制部分包括左右夹紧、上下夹紧、锯切夹紧、支撑杆推动、锯切控制五个气动控制回路，各控制回路中，电磁阀的线圈通电时，电磁阀左位工作，单杆双作用气缸无杆腔进气，气缸伸出；反之，气缸缩回。各气动控制回路均采用排气节流控制[4]，通过调节有杆腔单向节流阀的开速，便可改变气缸伸缩的速度，该控制方式使活塞运行稳定并减小冲击[5]。

2 控制系统硬件设计

自动送料锯切装置PLC输入端接入5个按钮、2个接近开关、1个机械式行程开关，输出端控制1个步进电机和5个中间继电器。根据输入及输出数，确定如表1所示的控制系统I/O分配表。

表1 控制系统I/O分配表

PLC的型号为台达DVP32ES211T，有16个输入点和16个输出点，2个10kHz高速脉冲输出口。触摸屏的型号为台达DOPB07S411，自动通讯侦测，支持RS232/422/485通讯[6]。数据存储器用来存储下料长度、日期等历史数据。PLC用来检测开关信号，并控制继电器动作和步进电机运行，实现自动下料。触摸屏实现人机交互，通过RS232与PLC进行通讯。

根据装置最大切削用料长度为500mm，最大承重为500kg，选择86步进电机，扭矩为7.5N·M，送料台直线导轨滑台型号为HBX1610-500。

整个装置最大承重500kg，根据最大承重、支撑杆/控制手柄推动扭矩及行程要求，确定左右/上下夹紧SMC气缸型号为MGPM63-300，锯切夹紧气缸型号为MGPM80-400AZ，支撑杆和手柄推动SMC气缸型号为TMAL20×50。

如图3所示为自动送料锯切装置电气接线图，图中的KA1、KA2、KA3、KA4、KA5分别为左右夹紧中间继电器、上下夹紧中间继电器、支撑杆推动继电器、锯切控制中间继电器、锯切夹紧中间继电器的线圈及触点开关，F1、F2、F3、F4、F5为对应的电磁阀。若PLC输出端有效，继电器线圈得电，触点闭合，电磁阀通，气缸伸出；反之，则气缸缩回。

图3 自动送料锯切装置电气接线图

3 控制系统软件设计

3.1 PLC程序设计

由于自动送料锯切装置的控制流程是顺序流程，因此采用顺序功能图设计概念，即台达PLC的步进梯形指令（S指令）编程。PLC程序分为手动和自动控制模式，图4所示为PLC控制程序流程图，工作流程如下：

1）控制模式选择：手动模式下，通过触摸屏上的按钮控制气缸伸缩及步进电机运行；自动模式下，可在触摸屏上设置下料长度。

2）自动送料：自动启动后，进入自动下料模式，首先上下和左右夹紧棒料，步进电机正转将棒料运送到位，然后锯切夹紧气缸动作，使棒料夹紧。

3）锯切准备：锯切时，若棒料发生窜动，易导致锯条断裂，因此应使左右和上下夹紧的位置尽量靠近锯切夹紧的位置，避免棒料窜动。所以在锯切开始前，先控制左右和上下夹紧气缸缩回，松开棒料；然后使电机正向运行至极限位；再夹紧棒料；最后支撑杆推动气缸动作，为弓锯臂下降做准备。

4）自动锯切：控制气缸推动锯切把手，弓锯臂下降进行锯切，下降到极限位时，接触到机械式行程开关，然后弓锯臂上升，各执行部件复位。

图4 自动送料锯切装置PLC程序流程图

3.2 触摸屏程序设计

触摸屏界面采用DOPSoft软件开发，界面如图5所示，包括手动控制按钮、送料长度设置及运行状态指示灯等。

图5 自动送料锯切装置控制系统触摸屏界面

1）通讯设置：连接好通讯线后，在DOPSoft软件的COM1中设置连接名称为Link1，控制器为Delta DVP PLC，人机站号为0，PLC默认站号为1[7,8]，通讯方式为RS232，即可完成触摸屏与PLC的通讯。

2）送料长度换算：假设滚珠丝杠的螺距为n（mm），步进电机每转输出脉冲数为P0，自动送料长度为L（mm），则对应的步进电机输出脉冲数P可由公式(1)确定：

设计中，丝杠螺距为10mm，电机每转对应的脉冲数为800。触摸屏“切料长度”输入元件的运行后宏中执行以下脉冲换算指令：

{Link1}1@D450 = FMUL($M450, 80)

其中，$M450表示输入的切料长度，D450表示对应的步进电机输出脉冲数。

4 系统调试

完成系统软硬件设计后，连接气泵，对自动送料锯切装置进行调试。如图6所示为运行中的装置。

图6 运行中的自动送料锯切装置

经功能性和可靠性测试，系统最大下料尺寸为Φ300（圆钢）/300×300（方钢）mm，最大下料长度为500mm，下料精度为0.5mm，各项指标满足设计和使用要求。

5 结论与展望

本文中，以台达PLC、触摸屏等为控制核心，设计了自动送料锯切装置控制系统，搭建了自动送料锯切装置样机。该装置实现了毛坯料的全自动锯切，提高了锯切效率，减轻了劳动强度。该装置已在机械工程实验中心使用一年，下料精度和可靠性较高。该装置的控制系统适应范围较广，可推广应用于带锯床、圆锯床及其他机床的自动化改造中。

[1]陈海烽.金属切削带锯床数控锯切系统研究[D].杭州:浙江工业大学,2014.

[2]黄志忠,杨伟,陈秋香.基于PLC与变频器控制的带锯床自动下料设计[J].河南工程学院学报,2008,25(2):92-94.

[3]接鑫,高连兴.金属带锯床的技术现状及发展趋势分析[J].机床与液压,2016,44(17):188-190.

[4]汪欢欢,胡国清,周青辉.基于PLC的气动机械手控制系统设计与研究[J].液压与气动,2007,26(11):30-32.

[5]关明,周希伦,马立静,等.基于PLC的机械手控制系统设计[J].制造业自动化,2012,34(7):120-121.

[6]中达电通公司.DVP PLC应用技术手册[Z].2012.

[7]金英姬.基于PLC与触摸屏实现液压教学实验台控制系统的研究[J].实验技术与管理,2012,29(4):152-154.

[8]李勇波,杨扬,何佳,等.基于PLC和触摸屏的光纤预制棒制备机床改造[J].组合机床与自动化加工技术,2013(7):121-123.