钢带打捆机的传动控制设计.docx

1、钢带打捆机的传动控制设计摘要钢卷打捆机是针对冷轧钢卷快速全自动打包处理而设计的专用机械化设备。由于钢卷打捆机的工作环境恶劣，加之各个自动化生产企业对设备要求越来越高，所以高性能，新概念的全自动打捆机械就显得更为重要。气动装置和PLC可控制编程系统的加入，使打捆机具有更高的工作稳定性，打捆的可靠性，工作寿命长，操作更简单，通用性更强，自动化程度更高，广泛得到专业人士的认可。本文主要综述了钢卷打捆机的气动系统的设计和PLC控制系统的设计。本次设计采用西门子s7-200控制打捆机的一系列动作。通过对钢卷打捆机系统的工作流程和气动系统分析可知，一个打捆循环包括八个主要流程:环臂升降、打捆头升降、压紧钢

2、卷、送带、抓紧钢带头、收带、咬扣与切带和复位。并做出了相应的气动系统原理图，I/O地址接线图，电路原理图，控制流程图以及程序的梯形图。关键词：打捆机；气动控制；西门子PLC。AbstractThe steel volume bander aims at the special-purpose mechanized equipment which cold rooled steel volume fast completely automatic pack processing designs. Because the steel volume bander working conditions

3、 are bad, adds each automation production enterprise to be more and more high to the equipment request, therefore the high performance, the new concept completely automatic fagoting machinery appears importantly. The pneumatics and PLC may control the programming system joined, enable the bander to

4、have the higher work stability, the fagoting reliability, the working life is long, the operation is simpler, the versatility is stronger, the automaticity is higher, widely obtains professionals approval.This article mainly summarized the steel volume bander pneumatic system design and the PLC cont

5、rol system design. This design uses Siemens s7-200 to control the bander a series of movements. Through may know to the steel volume bander system work flow and the pneumatic system analysis, a fagoting circulation including eight main flows: The link arm rises and falls, a fagoting fluctuation, con

6、tracts the steel volume, delivers the belt, grasps the steel to take the lead, to receive the belt, to nip buckles with cuts the belt and the replacementKey Words：strapping machine; Pneumatic system; Siemens PLC目录1 引言在当今市场经济的情况下，产品的质量和形象是企业生存和发展的决定性因素之一，而随着社会对钢材需求和对钢铁企业现代化程度的日益提高。越来越多的钢铁企业发现钢铁的包装质量越

7、来越成为钢铁产量的关键。传统的人工包装效率低，工作强度大，作业环境差，而且易产生散捆、混号和松捆的情况，从而大大制约了钢铁产量的提高。为了解决这个瓶颈现象，各钢铁企业都逐步开始采用精准包装自动化生产线，而查资料可得，在国际上只有瑞典Sund Birsta公司、法国Botaram公司、德国Simac公司等少数几家公司掌握了精准包装关键技术。而国内诸如首钢、唐钢、宝钢等大型钢铁企业只能相继从国外引进了自动包装生产线，所以，全自动打捆机的开发应用时当务之急。棒料打捆机的先进性：自动棒料打捆机采用过程监视系统采用客户机/服务器多用户结构，过程监控系统实现实时的生产流程监控，设备运行监控，生产数据监控，

8、同时完成数据分析处理，参数管理机组状态设计，数据通讯处理功能为用户提供完整的生产数据。由于钢铁厂环境恶劣，生产连续，且打捆机的一个打捆周期由蓄丝、合臂、伸钳、送丝、拉紧、合钳、剪切、开臂、拧进、松钳、退钳、挤平12个动作组成，动作多，运动复杂，因此对控制系统的性能及可靠性提出了严格的要求。而作为钢铁年产量世界第一的我国，所使用的全自动钢材打捆机设备多数是从国外引进的，不仅耗费大量的外汇，而且设备维修困难。因此，从1997年起，在对国内外多种形式打捆机的深入分析研究，以及对首钢总公司2台棒材打捆机成功改制的基础上，结合我国国情，自主开发研制了棒材打捆机。该打捆机可利用函6 mm、函65 mm的热

9、轧盘条对垂10 mm垂40 mm的棒材按西100mm西400mm捆径自动打捆包装，捆结拧转720。，然后挤平。一个打捆周期为11 s，两台打捆机联合使用即可胜任年产200万t棒材厂家的精整包装工作PLC具有结构小巧。运行速度高，通用性好，可靠性高等特点，能适应工业现场的高温、振动、粉尘等恶劣环境，所以选用PLC作为控制系统的核心部件。钢材打捆机是钢铁企业实现钢材产品自动化包装的设备,其特点为连续工作。工作和检修环境恶劣,很多厂家还缺少冷却用水,这就要求打捆机液压系统必须连续工作,可靠性高,抗污染能力强。在产品检测过程中, 常常需要根据产品的形状、材料以及重量将其进行分类。传统的分类往往采用人工

10、的方法, 致使生产效率低、生产成高。为此, 本文介绍了一种利用PLC控制的自动分拣系统, 它不仅可以降低人工拣取、搬运的劳动强度, 提高劳动生产率, 降低作业成本, 还具有较高的可靠性和安全性。因此打捆机液压系统设计时采用了抗污染能力强、价格低廉的齿轮泵,但由于打捆机在两个工作循环之间有一个等待时间,这时液压系统的负载流量为零,泵的输出如果全部溢流必将产生巨大的热量,给系统的冷却,特别对采用风冷方式的冷却带来困难。1.1打捆机的发展趋势为了适应现代化钢材生产的需要，目前国际上打捆机的发展呈现了以下趋势：1）多品种、专业化、系列化为了满足各种不同钢材打捆的需要，根据不同钢材各自生产工艺和包装特点

11、，钢材打捆机已形成了多品种、系列化、专业化的趋势，研制出了适合不同钢材打捆的专用钢材打捆机，主要表现在各种新型捆扎材料的使用和捆扎锁紧方式的创新(目前国际上钢材打捆机的具体分类可见图2.1)。2）打捆机与钢材成形机配套使用为了提高钢材打捆的自动化程度，且打好捆的钢材具有整齐固定的形状，钢材打捆机与全自动钢材成形机配套使用，如钢管在成形工位被自动码放成正六角形、方矩形等稳固的形状，然后将码放好的钢材输送至打捆工位进行打捆，达到稳固整齐的包装效果。实现了钢材成形打捆的全自动化生产。3）具有塑料膜包覆机构，保护钢材表面质量 对于高质量的钢材，如不锈钢管、镀锌板材、卷材，为了防止在打捆的过程中将钢材表

12、面刮擦，破坏外表金属涂层和防锈漆，在打捆之前先在钢材捆表面卷绕薄膜对钢材进行表面质量保护。4）打捆速度不断提高为适应现代化钢材生产流水线高效率生产的要求，必须相应的提高打捆包装速度。目前国际上钢带打捆机平均每道的捆扎速度为20秒左右，退火或热轧盘条打捆机的打捆速度一般在1020秒左右。5）提高打捆机的自动化程度钢材生产流水线对钢材打捆机的自动化程度要求越来越高，先进的钢材打捆机普遍采用了微机控制和PLc控制技术，具备了全自动打捆、故障报警、自动计数的能力，在流水线生产中能实现自动送料、自动定位、自动转位等功能，可以进行远距离操纵控制，通过监视系统和报警系统，及时发现问题，排除故障。此外机器的操

13、作与维护更趋向方便，无须熟练的工人就可操作，一般的技术人员就能维修，大大提高了打捆机的推广。以下如图所示为钢丝打捆机的类型。2 打捆机的工作原理和组成本钢带打捆机是由如图2.1所示。2.1 钢带打捆机的组成部件概述钢带打捆机主要包含导带轮，送带单元，压紧轮，带有压紧轮的气动马，和控制送扣的送扣传感器1#，控制带头到达预定位置的的导带传感器2#，调整带能进入预定位置的压带传感器3#，控制气缸马达压紧带的压带传感器4#，控制锁扣的锁扣传感器5#，靠摩擦力传带的压紧气缸传感器6#。压紧气缸主要靠电磁阀控制。送带单元由送带轮、压轮、带有弹簧的承载臂、导向器、限位开关等组成，谓丝轮上装有两片摩擦盘，这两

14、片摩擦盘组成截面为V型的圆形导槽，送带轮由气动马达驱动，压轴轮由凸轮机构组成，靠扭簧来实现定位和预压缩。导带单元由导带槽、移动导带槽的气动缸、盖轮组等组成，导带槽截面为多边形，内径尺寸为650mm，中间隔板将其分成两条滑道，每条滑道均匀布着球轴承，在打捆机装置底部装有一套气压缸，用它可以移动导丝槽，以确定使用单个滑道或者两个滑道，从而可以打单捆或者双捆。导丝槽包含一个盖轮系统，分布着5个盖轮组，每个盖轮组上装有一个轴承滚轮，轴承滚轮由一个小液压缸驱动，可以在垂直与导丝槽所在平面向外翻转。打捆时，盖轮组依次翻转，打捆丝顺次释放，从而增大打捆丝的张紧力。打捆单元由扭转轴、带有切刃的拧结头、扭簧、夹

15、紧缸、松开缸、助切气压缸、夹丝臂、夹丝板、导向切刀等组成。扭转轴由扭转马达驱动，拧结头沿扭转轴轴向固定在其端部，扭转轴和扭簧构成圆柱凸轮机构，使扭转轴可以向一个方向旋转扭结，从而反向转动复位，夹丝板固定在夹丝臂上。导向切刀是联接导带单元、导带槽单元和打捆单元的重要部件。2.2 钢带打捆机的工作原理在一开始通过控制系统给打捆机一个脉冲信号，使打捆机的各个运动部件处于复位状态，这是进行下一个动作，即光电信号传感器接收信号，使控制送扣气缸往下压，把扣送到预定的位置。此时控制二级气缸中的一个气缸行程开关闭合，使钢带压板往下运动和另一摩擦轮控制的另一钢板处于压紧状态，光电传感器接受信号，开始送带。首先通

16、过送扣传感器接受信号，开始把扣往下送，送扣传感器由一块板和俩信号组组成，当扣送下时通过送扣传感器的另一头调整送扣位置。当位置调整好时，俩摩擦轮之间处于压紧状态，开始送带，通过压紧传感器控制气缸来调整带的位置，以促进带能顺利进入带槽，这时压紧气缸传感器开始通过摩擦盘间的摩擦力开始传带，当代进入一周时，刚好进入时，这时导带传感器接收到信号，开始调整带的活头，通过延时继电器，延时几秒，然后停止送带，送带马达停止转动。到这时送带结束，开始抽带，打捆机开始抽带，又通过一信号，使导带曹打开开始抽带，当带能捆上工件时，为使带能刚好紧扣工件，气压马达开始倒转，使带能紧扣工件，这是扣把工件锁扣，切断带，此时，摆

17、臂大气缸往后运动控制机头往后拉伸，气缸复位。这一过程结束。其打捆工作流程图如下3 钢带打捆机的气动系统设计3.1 气动系统概述气动控制系统与电气和液压系统一样，都是实现生产过程机械自动化最有效的手段之一。采用气动系统的各种机器设备，在其总量中所占的比重为:包装机中达90%，焊接机和铸造机中达70%，自动操作机中达50%，锻压机中超过40%，采煤机中超过30%，洗衣设备中达40%，纺织机、制鞋机、木材加工机械和食品机械中占20%。气动系统有很多优点:系统机构简单，使用维护简便，成本低廉;能在温度变化范围宽、湿度高和有粉尘的环境下可靠的工作，无火灾、爆炸危险;工作寿命可长达10000一2O0o0h

18、(动作次数达10一50兆次);气动执行元件的输出速度高(直线运动速度达巧而，s转动速度达IO0000r/min);工作介质(压缩空气)的传输比较简单，且容易获取;能从一个压缩空气站供给大量的用气装置;有过载保护性能。气动系统的主要缺点是:大距离传递信号速度慢;在负载有波动时难以保证气动执行元件输出平稳等。然而对于自动化机械设备中的大多数对象来说，气动系统的参数是合适的。此外，还可采用气一电或气一液联动控制系统，将上述缺点部分或全部消除。在实际生产中，包装钢带的卷取规格须根据需方的要求而定。一般情况下均采用单卷卷取，也有的需方需要复合卷。设计中考虑两种卷取要求，设计了复卷横移机构。单卷生产时，复

19、卷横移电机归不动作，由主卷取电机旋转实现卷取。复合卷生产时，复卷横移电机迸给实现横向往复运动，同时主卷取电机实现卷取作业，两个电机由控制系统实现协调运行。为了保证钢带卷取的精度，在复合卷取的横移机构中采用了传动精度较高的滚动螺旋导轨副和水平运动导轨副。卷取工序是整个高强度包装钢带自动化生产线的最后一个环节，也是最关键的环节。在设计过程中综合考虑各方面因素，力求设备在结构外形和机械性能上达到和谐的统一，并以设计出结构简单、运行稳定、性能可靠的产品为目标。由于打捆机系统控制的对象多，参数较多，且要求系统担负一定的管理功能。根据系统的设计规则，为了提高系统的可靠性和可维护性，打捆机电气控制部分采用了

20、集成现场总线的模块化设计。我们确定的电气控制方案以一体机作为高层界面控制，以位传感器及智能编码器作为控制条件，以可编程控制器作物理层面的控制，协调好各模块的工作顺序，以达到工艺设计的要求。图41为打捆机电气控制系统初步设计框图。如图3.13.2 打捆机的气动系统组成在前面分别介绍了整个打捆机系统中气动元件的应用情况。其中包括环臂（包括导带通路和气缸压紧装置）以及打捆头的升降控制，打捆机头中的钢带驱动气马达、咬扣与切带单元动力传动二合一气缸、送扣以及导带通路的开合等一系列气动执行元件。下面将对一些重要的气动执行元件做重点介绍。3.2.1 气马达本打捆机的钢带的抽送采用气马达作为驱动源动力，因此这

21、里介绍一下气马达的一些性能和特点。气马达的功能相当于电动机，它能将压缩空气的能量转换为机械功，输出转矩，驱动机构做旋转运动。其按工作原理可分为容积式和涡轮式两大类。其中容积式气动马达又分为叶式,活塞式和齿轮式。在全自动打捆机上采用叶片式气马达。如图3.2所示为叶片式气动马达的工作原理和特性。3.2.2压紧钢带和咬扣与切带单元动力传动二合一气缸二合一气缸也即双行程气缸或二级气缸，其构造原理如图3.4所示，分为前后两个具有不同行程气缸并固结在一起，两个气缸具有独立的进出气口。两个气缸可以具有不通的缸径，以满足不同输出力的要求，但两者的行程关系必需满足l2l1条件。其一般的使用场合是机构具有分步动作

22、的情况。对于打捆机系统的抓紧带头和咬扣与切带单元，由于要求咬扣单元的咬爪在打捆的过程中具有两个动作:钢扣咬合成型与切带。咬扣单元的分步动作即由二级气缸来实现。如下图所示，当钢带送达到位后，需要马达反转抽带从而拉紧钢带，拉紧钢带，此时需要将钢带一头压紧，气缸1的A口进气，B口出气，同时气缸2的C口和D口保持与大气的连通，使其不具有压力，气缸1的活塞杆推动气缸2的活塞杆向前运动，气缸1的活塞走完满行程后停止动作，第一步动作完成。当要对钢带切断时，气缸2的C口进气，D口出气，推动气缸2的活塞杆走完气缸2的剩余行程，使咬扣单元完成咬扣切带动作。二级气缸复位时，气缸1的B口和气缸2的D口同时通入压缩空气

23、，而A口和C口则分别保持和大气接通，气缸活塞杆回复原位。如图4.3所示，缸1长度为L1，缸2长度为L2，L1L2。ABCD分别为两个气缸的进出气口。3.2.3气动控制元件气动控制元件包括控制各个动作执行元件的换向阀、减压阀、单向节流阀、消声器、过滤器、储能器等。电磁换向阀，如图3.4所示 利用电磁铁的通、断电而直接推动阀芯来控制气口的连通状态。如图所示为三位五通换向阀, 三位五通电磁阀是有三种工作状态：开状态、关状态、中间保持状态（取决于阀芯的位置），中间保持状态又分为中封、中排、中加压式，中封，代表阀芯到达中间位置时，阀门处于关闭状态，中排代表阀芯到达中间位置，阀门处于排气状态，中间加压代表

24、阀芯到达中间位置时阀门处于开状态给执行机构通气单向节流阀，如图3.5所示 节流阀是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀门。将节流阀和单向阀并联则可组合成单向节流阀。节流阀和单向节流阀是简易的流量控制阀。减压阀，如图3.6所示，是通过调节压力，将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定的阀阀门。从流体力学的观点看，减压阀是一个局部阻力可以变化的节流元件，即通过改变节流面积，使流速及流体的动能改变，造成不同的压力损失，从而达到减压的目的。然后依靠控制与调节系统的调节，使阀后压力的波动与弹簧力相平衡，使阀后压力在一定的误差范围内保持恒定。过滤器，如图3.

25、7所示，是输送介质管道上不可缺少的一种装置,通常安装在减压阀、泄压阀、定水位阀或其它设备的进口端，用来消除介质中的杂质，以保护阀门及设备的正常使用。当流体进入置有一定规格滤网的滤筒后，其杂质被阻挡，而清洁的滤液则由过滤器出口排出，当需要清洗时，只要将可拆卸的滤筒取出，处理后重新装入即可，因此，使用维护极为方便。蓄能器，如图3.8，的作用是将气压系统中的气体储存起来，在需要时又重新放出。其主要作用表现在以下几个方面。（a）作辅助动力源（b）系统保压或作紧急动力源（c）吸收系统脉动，缓和液压冲击。3.2.4信号接收传递元件传感器： 1：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装

26、置传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。本次设计用到的传感器有红外传感器，压力传感器等红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类, 按探测机理可分成为光子探测器和热探测器. 红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用本次打捆机的设计，选用了日本夏普公司生产的GP2Y3A003K0F型号红外传感器，其工作有效长度在400mm-3000mm之间。产品如图3.9所示。行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞

27、使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。3.3 打捆机的气动系统设计气动系统可以看作按一定方式将气动元件联接而成的组合体，依照控制对象情况与外加控制作用以保证输出信号的顺序和(或)数值。信息的载体通常是压缩空气。实现机械自动化的气动控制系统一般有两类，即伺服控制与程序(过程)控制。由于钢管打捆机并不需要精确的位置控制，故无须伺服控制，而只需过程控制即可。程序控制是自动控制系统中的重要控制方式之一。它根据生产过程的物理参量:位置、压力等的变化，使控制对象的各执行

28、元件按一定的程序协调的工作。程序控制一般可分为:行程程序控制、时间程序控制、行程时间混和控制和数字程序控制等几种。行程程序控制系统是最普通、应用最广泛的一种程序控制系统，在本钢卷打捆机的气动控制系统中就采用这种控制方式。行程程序控制一般是一个闭环程序控制系统，它是以气缸活塞(或气马达)在运动行程中，位置传感器感应气缸活塞(或气马达驱动对象)位置，发出信号，输入逻辑控制器，转而去控制其它气缸(或气马达)运动的一种控制方式。行程程序控制系统包括行程发信器(即气缸等的位置传感器)，执行机构、逻辑控制器和动力源等部分。3.3.1打捆机的行程程序回路设计行程程序回路的设计是气动系统设计的一个最主要的内容

29、，其主要是为了解决信号和执行元件之间的协调和连接问题。没有一个合理而有效的回路，就不能很好的完成气动系统所承担的任务。下面是送带各机构的工作流程图，本钢带打捆机的一个总的流程图如图3.10所示；（1）送带机构控制由送带传感器控制和送扣传感器联合控制，分为送带控制，送带对齐控制和送扣对齐控制。如图3.11所示，根据工艺流程的要求，用2个电磁感应式传感器直接检测送扣到位与否，当到位后，压紧钢板向下移动，促使俩个摩擦轮刚好接触，对1个步进马达的档块位置进行检测。当信号传给PLC时，PLC开始实行程序，开始动作。1）当初始信号发给PLC时，接收信号，检测卡扣是否到位，送扣马达转动，把卡扣送到指定位置，

30、卡扣调整传感器检测。2）当卡扣到达指定位置时，送带传感器接收信号开始送带。3）送带进入槽时，送带调整传感器检测带是否正好进入槽中，进行位置检测，一次送带完成。（2）压带机构的气动控制如图3.12所示，根据压紧带的工艺要求，采用电器红外线感应式传感器对压带到位与否进行控制，压带机构控制主要由压带传感器和触头传感器(其主要是红外线传感器)控制，其中涉及到压带大气缸，倒带气缸起拉紧作用。当压带带头被抓紧时,此时传感器感应到位,传送给可编程控制器，PLC接受信号，输出程序，控制摆臂大气缸伸出此时压带。1）当带的起始段靠近结尾时，触头传感器开始工作，当接触到信号时，压紧传感器工作，压紧马达工作，压紧带的

31、起始部位。当压紧传感器工作时，带被压紧以后，倒带传感器接受信号，倒带马达工作，开始抽带，此时，把带紧紧地套在工件上。（3）钢带打捆机的最后过程如图3.13所示，当带被压紧后，此时卡扣传感器接收信号，开始打捆，1） 卡扣接收到信号时，开始把带扣紧，进行下一次的工作由打捆机工作流程回路以及对执行装置的工作状态分析的基础上，再对其进行系统的完善，设计出较为完整的打捆机气动。系统下图为气动系统原理图图3.143.3.2打捆机的气动系统的分析全自动打捆机是以压缩空气作为主要动力源，其动作的执行大部分是经过气缸与气马达来完成，气动控制原理如图3.7所示。按控制不同的执行元件来分，该气动控制原理可划分为六个

32、相对独立的控制回路。（1）环臂升降运动控制回路。该控制回路实现环臂在工作时下降到达至钢卷捆中部或者在打捆完成后上升离开钢带卷。该运动控制回路的组成包括:大型气缸、三位五通双电控电磁换向阀、单向节流阀等。运动平稳性控制：由于该回路中执行运动的气缸承受整个环臂重量，且沿直线导轨做垂直升降运动，跟水平运动相比垂直运动平稳性较差。当气缸带动打捆头及导带通路上升时，由于承受较大重力运动较慢;而当气缸带动打捆头及导带通路下降时速度较快，如速度不加控制，会对机构本身造成较大的冲击，对机器产生破坏。要实现该控制回路气缸的平稳运动，应该使气动回路本身必须具有一定的调速功能，即气设计成速度控制回路，因此安装了单向节流阀。（2） 打捆机头升降运动控制回路该控制回路实现打捆机头在工作时下降接近至钢管捆或者在打捆完成后上升离开钢卷捆。该运动控制回路的组成包括:大型气缸、三位五通双电控电磁换向阀、单向节流阀，顺序阀和消声器等。（3）钢卷压紧控制回路该控制回路实现环臂中两个压紧装置对钢