精“裁”典范

（一）研究目的

（1）弥补现有切割机切割精度低、切割质量差的缺点

我国切割机产业由于缺乏统一标准规范，在产业链整合方面相对落后，导致加工精度差、操作难度大且切割长度受限等问题，难以满足切割行业的需求。因此一种基于 PLC 控制的小型切割机的研究迫在眉睫。本项目在国内原有切割机的基础上，对高精度定长控制进行创造性设计。

（2）提高切割过程中的安全性

切割过程中易产生切伤、撞伤等机械伤害，以及火灾、触电等隐患。本项目设计上料区与切割区分离，且自动上料系统减少了人工上料次数。PLC 控制系统实时监控切割过程，当切割过程中出现异常可自动断电，有效避免了危险的发生。

（3）提高切割质量和生产效率

目前我国人力资源成本较高，普通定长切割机需要大量劳动力高强度连续工作，易导致效率低下。本项目采用 PLC 面板控制系统，编程逻辑控制器操作简单方便，具有可靠性高的控制器，抗环境干扰的能力强。能在恶劣环境下持续高强度作业并有效减少工人手动切割工作量，保证切割的质量和效率，提高安全性。

（4）顺应我国中小型自动化机械发展潮流，填补市场空缺

工业化革命后，大型工业机械凭借其技术和自身优势发展迅速，但由于我国数控切割机行业发展比较晚，难以完全渗透到规模较小的中小型企业中。并且因为其基础薄弱，投入经费少，制造工艺落后，面临机械化程度低，切割质量下降等问题。因此，目前急需一种基于自动化控制的小型定长切割机来弥补中小型切割机市场的空缺。本项目采用功能性强、性价比高的设计，充分考虑系统各个动作间的逻辑关系，对于同类的自动化加工机械的生产与设计有着较高的参考价值，从侧面地推动了中小型自动化机械领域的发展。

5.积极响应机械工业“十三五”发展纲要及相关政策

积极响应国家号召，设计制造出更加高效可靠的自动化机械，全面落实《中国制造2025》提出的各项战略任务，以提高质量和效益为中心，以问题为导向，以创新为动力，充分发挥市场在资源配置中的决定性作用，突出创新驱动，优化产业结构，补齐行业短板，坚持质量为先，推动融合发展，推行绿色制造，加快人才培养，深化改革合作，确保全行业平稳增长的基础上实现机械工业企业创新有成果、结构调整有进展、质量效益有提高、产业升级有进步，为完成中国制造第一个十年目标打下坚实的基础。

（二）研究内容

本项目针对当前我国自动化切割机正处于空白阶段的现状，重点研制一种基于 PLC 定长控制的自动化高精度切割机。该自动化切割机满足中小型企业和个体商户的需求，能够高效率的对棒材、管材进行上料以及切割，降低切割材料的废品率，提高切割精度。

（1）PLC 控制系统的设计

本项目选用性价比较高的三菱 GS2107-WTBD 工业触摸屏作为控制面板，与 PLC 结合实现机器执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制机器定长切割过程。该设计能够实现：

① 自动切割和手动切割的切换。当面临特殊切割要求的棒材以及突发情况时，需转换自动切割模式为手动切割。只需在控制面板的打开状态转换开关，电锯控制气缸自动切换为手动控制档。

② PLC 采用高速计数器模块根据编码器对步进电机的高速脉冲进行计数，精确采集速度信号，控制夹紧和切割。

③ PLC 的输出诱发二极管能清楚地显示各个动作过程，并通过控制面板进行可视化处理，进而可判别系统动作是否正确，并作为故障判别的依据，实现设备的自我保护。当负载过大出现异常时，热继电器会因过电流而断开，有效避免危险的发生。

（2）定长传送系统的设计

为了防止材料切割时发生二次碰撞，本项目采用步进电机旋转固定圈数的方式行定长。步进电机接收一次脉冲后，带动送料齿轮旋转一定角度，经比例换算可确定材料可传送的长度，即切割长度与脉冲数成正比。根据控制面板的参数要求，将参数转换为 PLC 需要向步进电机驱动器发送的脉冲数，从而实现在步进电机带动下的定长传送。

（3）自动上料系统的设计

自动上料系统主要由堆料槽、内外分料辊以及推料板组成。针对分料辊，设计成每个内辊都能够在外辊一侧挡板的限制作用下，自由地旋转 120^∘ °。根据待切割材料的尺寸大小去控制内辊旋转一个特定的角度，从而让旋转角度精准地满足单一上料的相关要求；针对上料角度建立数学模型分析不同待切割材料上料时内辊应旋转的角度，以实现精确上料；针对推料板为避免待切割材料在推料板返回原位的过程中上料，对切割进程造成影响，对送料辊的旋转速度进行设定。

（三）国、内外研究现状和发展动态

（1）国内切割机研究现状

切割机行业作为我国机械行业的重要组成部分，近年来市场规模持续扩张，企业间的差异化竞争日益明显，优胜劣汰的趋势愈发明显。不断向高精度、高自动化、高科技方向转变。但是，目前我国切割机仍面临体型大、切割效率低、切割质量差等问题。

（2）国外切割机研究现状

国外大部分切割机体积都比较大且价格较昂贵。切割机床尽管具备诸多优势，例如拥有高精度和多功能性等特性。然而，它也存在部分局限性，具体表现为：该设备的成本颇高，致使初期投资规模较大；其对切割平台存在特定要求，并且在进行切割作业时会产生水雾，对工作环境产生一定的影响。

（四）创新点技术路线及拟解决的问题

·项目创新点：

1）本项目在切割范围内可任意设定切割长度，使用红外测距传感器测量，保证相对误差 <±50μm 。

2）控制面板实时显示切割长度的设定值和实际值，可根据误差及时调整参数。

3）本项目采用直线切割方式，保证切割端面垂直度和光洁度。

4）本项目有自动切割与手动切割两种模式，更好地应对特殊切割要求。

5）本项目采用可编程逻辑控制器 PLC 实现全程控制，操作简单，抗干扰能力强，可靠性高，弥补了传统切割机的不足，具有推广价值。

6）本项目运作过程简单高效，切割材料自动打包收集，提高了生产效率。

7）本项目设计分料辊，保证待切割原料的单一上料。

8）本项目设计可拆卸的堆料槽，同时满足长、短材料的切割要求，适用范围

9）本项目巧妙地运用新型机械结构，纯物理的机械内部运作区与人工作业区隔断，保证安全的同时增强设备的可靠性。

·项目特色：

本项目采用新型定长控制系统，以数控定长切割代替了传统的机械式定长切割机构，重点完成整个切割机定长切断系统的机械控制和相关信号控制，在保证安全的基础上，完成棒材、管材的送料、切断、落料以及收集打包。综合运用自锁、互锁和定时的程序设计思想，充分考虑系统各个动作之间的逻辑关系。本项目的设计有效的解决了切割精度低下及传统定长切割易连切等问题，并且能减少人力资源的使用，减少生产成本。

·技术路线：

1）依据市场调研结果和查阅的国内外文献，对切割机进行基础理论分析，提出大致的研究方向和方案，主要包括：定长切割的设计，切割过程的整体控制，上料系统的设计。

2）明确研究方向，提出确切的研究方案，进行切割机图纸的设计与绘制

3）对切割机的设计方案进行总结，根据实用性和易操作性，选取 PLC 控制整个上料切割系统，并设计步进电机定长上料。

4）对定长切割机进行Solidworks 三维实体建模和仿真分析。

5）依据图纸和三维模型进行样机制备。

6）对样机进行试验并在样机试验的基础上改进完善。

·拟解决的问题：

1）为降低数控切割中对工人的技术要求，本项目设计 PLC 控制棒材、管材的定长传动和精确切割，减少工人的技术水平对切割质量的影响。

2）为实现任意长度的精确切割，本项目设计步进电机在 PLC 脉冲的驱动下带动送料轮前进，只需在控制面板输入切割参数。

3）为保证切割的安全性，本项目运用自锁、互锁等设计以及红外测距传感器实时监控。

4）为满足特殊的切割需求，本项目设计自动切割、手动切割两种模式。

5）为改变第一代切割机体型大、购入成本高的问题，对设备进行改良，改进为一种基于智能 PLC 控制的小型定长切割机。