一種斷絲保護裝置在拉絲機工藝系統中的設計研究

袁有明 黃晶 龐杰林 肖再敏

摘要：電工合金材料的冷拉拔工藝是使用拉絲機來實現的。本文簡要介紹了一款由編碼器、觸摸屏、變頻器、測距傳感器、PLC等構成的拉絲機斷絲保護裝置，通過增加編碼器及測距傳感器的應用，可實現設備的斷絲停機、缺料停機及卡盤停機等功能，確保設備在自動運行的情況下穩定可靠。保證生產的線材成品的外觀，抗拉強度、延伸率等力學性能合格、穩定，以實現拉絲工藝的穩定性。

關鍵詞：拉絲機 編碼器 電工合金 PLC

1引言

拉絲機是一種高速旋轉的機械設備[1]，主要應用在銅合金、不銹鋼及銀基合金材料的拉拔加工，因其良好的實用性、經濟性而廣泛應用于各種金屬加工領域[3]。然而，傳統的拉絲機設備結構簡單，設備在自動控制方面較為缺乏，除了必備的啟動、停止及急停操作外，無其他電氣控制功能。在設備的電氣系統構造方面，傳統拉絲機配備了三相異步電動機、變頻器、空氣開關、交流接觸器及一些用于啟保停電路的啟停按鈕等，在產品加工工藝上存在一些不可避免的缺陷，比如：①拉絲過程中線材拉斷后設備無法自動停機，造成線材排線錯亂，從而導致線材表面刮花;②在線材絞絲、卡盤的情況下，設備無法自動停機，造成線材的抗拉強度、延伸率等力學性能不合格;③拉絲結束時設備無法自動停機，需要人為干預，降低了生產效率，增加了勞動成本等。針對這些缺陷，如何改進設備功能，提高設備工藝穩定性，節約成本一直是各個企業重點研究的課題。因此，需設計一種自動控制裝置，既能實現拉絲機的平穩運行，又能改善拉絲機的拉拔工藝，使企業降本增效、擴大收益。

針對上述問題，本文設計了一種利用編碼器、變頻器、測距傳感器及基于三菱FX系列PLC的拉絲機斷絲保護裝置，利用PLC的各種邏輯控制功能，通過硬件系統及軟件系統的設計，解決傳統拉絲機的控制及工藝缺陷。

2裝置構成原理

拉絲機斷絲保護裝置由編碼器、觸摸屏、變頻器、測距傳感器、PLC等構成。PLC作為裝置的核心，接受各種傳感器信號，控制設備上的各個電氣部件穩定運行，構成原理圖如下：

2.1 變頻器工藝設計

合金線材的加工性能不穩定大多數是由拉絲速度不穩定造成的，因此線材拉拔時需對拉絲速度嚴格控制，拉絲機的轉速必須保持穩定。變頻器的控制方式為無速度傳感器矢量控制，能夠實現緊急停機。通過觸摸屏設定參數，由PLC模擬輸出模塊提供給變頻器的模擬信號輸入，準確的控制電機轉速[3]。在拉絲開始時為預拉階段，該階段線材緩慢提速避免拉斷，則控制電機以極低的轉速運轉，并在預拉的過程中逐漸提高轉速，直至速度恒定;變頻器的耐波動性可保證轉速穩定;拉絲結束的尾段均勻降低轉速直至停止，確保線材拉絲工藝穩定，同時變頻器的急停功能可以保證設備在出現故障或者事故時緊急停止[3]。

2.2 卡盤停機功能設計

線材卡盤在生產過程中發生的頻率很高，其原因主要是線材加工過程中進行退火時發生材料粘連，在放料盤中無法自動排料。當發生卡盤時，放料盤隨線材被拉動至校直器處。如果設備不能識別卡盤，線材就會被拉斷，進而影響線材的外觀、力學性能。為此在校直器下方設計安裝測距傳感器，當發生卡盤時，料盤與校直器的距離減小，當距離小于在觸摸屏上設置的傳感器的檢測閥值時，由PLC控制變頻器緊急停止，避免線材拉斷，改善產品質量。

2.3 斷絲檢測功能設計

拉絲模具與拉絲筒之間發生線材斷裂時，放料盤停止放料，加入編碼器可實現斷絲檢測。具體的工作原理為：在拉絲模具前端放置一個帶有圓形滾輪的編碼器，滾輪壓在線材上，用于判斷滾輪是否旋轉，在現實的使用環境中，當線材斷裂后，滾輪停止旋轉，PLC程序中設置了運行時滾輪的監控情況，一旦發現滾輪停止，編碼器立即把信號傳給PLC裝置，由PLC控制變頻器緊急停止，避免了斷絲后設備無法自動停機引起的產品缺陷，保證線材質量達到要求。同時，該設計也實現了產品拉絲結束后設備缺料停機功能。

3 拉絲機電氣系統設計

系統控制硬件主要由編碼器、PLC、觸摸屏、變頻器、測距傳感器組成。PLC采用三菱FX系列，帶14入/10出的數字信號接口，1路八位模擬輸入及1路八位模擬輸出信號，為解決PLC與變頻器的速度調節問題，將PLC自帶的模擬量輸出信號直接傳輸給變頻器，再通過變頻器控制拉絲電機轉速，達到對速度穩定控制的要求。編碼器使用增量型編碼器，AB相信號輸出。觸摸屏使用步科MT系列，RS485通訊接口與PLC結合。變頻器功率選用2.2KW[2]，其模擬輸入信號4～20ma來自PLC模擬輸出接口。系統控制圖如圖2所示。

控制系統的軟件設計分為PLC程序設計和觸摸屏頁面程序設計。PLC主程序主要包括系統參數初始化，測距傳感器輸出信號采集中斷設計、編碼器定時計數設計、接受觸摸屏參數設置及輸出控制變頻器信號設計。觸摸屏的程序設計就是人機交互的界面設計，通過觸摸屏上按鈕可以控制測距系統、拉絲機的運行及停止。并提供了自動拉絲模式和手動控制模式。

4 結語

4.1、本文設計了拉絲機斷絲保護裝置，并通過PLC、編碼器、傳感器和變頻器的運用，實現了對拉絲機的自動控制，滿足了銀基合金線材自動拉拔的生產工藝需求，保證線材的外觀、力學性能達到技術要求。

4.2、通過實現斷絲停機、缺料停機及卡盤停機等功能，減少人員參與數量，實現一人操作多臺設備，有利于公司人力成本控制，為企業降本增效。

參考文獻

[1]凌松，趙海彬，張亮，馮寶林.基于PLC的銀導爆索自動拉絲機控制系統設計[J].制造業自動化，2015（12）

[2]繆盤銘.關于拉絲機拉拔力和功率計算的回答[J]。金屬制品，1999（10）

[3]李亞南，蔣周忠，熊經先，袁有明.一種光柵保護器在拉絲機工藝系統中的設計研究[J]?？蒲?，2017（3）

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