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胎面倒胎定长裁切伺服控制系统的设计与实现

一、选题简介、意义

本课题在研究中涉及到了西门子PLC、伺服电机、编码器以及一些平时上课所学到的东西，这可以说是对我所学知识的一种最好的检验方法，通过这个毕业设计的研究我可以对我之前所学的知识有个总体的检验，并且能清楚地知道我是否真正能了解并驾驭他们。

二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）

第一、PLC和伺服电机为控制核心的胎面倒胎定长裁切控制系统

第二、主要研究的内容有：

1、基于PLC和伺服电机的总体设计

2、编码器和伺服电机的选型

3、熟悉所采用的PLC的主要功能，以其为核心设计整个系统

第三、要解决的问题:

PLC和伺服电机的控制系统构成

第四、控制要求：

1、固定料车，手动把胎面放置在输送电机辊处；

2、按下自动开关，伺服电机开始往前输送，把料送至刺孔气缸处，等待刺孔气缸上下往复刺孔，直到把一胎面刺孔完成（至光电开关1位置），伺服电机反转把料退至输送位置。

3、通过编码器定长输送至所需胎面长度位置。 裁刀两侧裁刀压辊进行压料，裁刀进行裁切；

4、裁断后裁刀进行复位，两侧裁刀压辊抬起，通过自动定位伺服电机转动把胎面送至自动上胎面位置；

5、通过气缸定位至胎面鼓上，压合气缸压合，胎面鼓旋转，把胎面自动上料完成；

6、胎面模板返回起始位，依次循环工作。

第五、预期目标：

通过项目研究的实现PLC与编码器能够准确的定长，并把裁切好的料由胎面模板准确送出。

第六、研究步骤、方法及措施：

通过了解胎面倒胎定长裁断控制系统，系统分析，先把系统结构框图画出来，一步一步对应配上相应的电气原理图以及PLC程序图。选出适宜的电气设备，例如相应的编码器，伺服电机，最后整理出程序，链接各电器设备安装调试。

 

摘要：随着高新科技的不断进步，全国各地的汽车行业也在快速发展，本课题主要运用PLC对汽车轮胎胎面裁断生产线的控制系统进行研究。汽车轮胎的生产过程有炼焦、材料、成型、硫化等几个步骤。这几个步骤中比较重要的对轮胎的成型，成型是轮胎半成品的关键，直接影响了半成品的质量。因为精确的裁剪就会对轮胎的胎面造成直接的影响作用。为实现轮胎胎面定长剪切生产线的安全、高精度、可靠和高效的自动控制，全面分析了胎面定长剪切生产线的结构、工作原理及控制特点，提出了一种基于可编程控制器的胎面定长剪切生产线 PLC 控制系统。该系统以PLC（可编程控制器）为控制核心, 采用光电编码器测量胎面长度，光电编输出与转速成一定关系的脉冲信号，通过PLC高速计数器记录脉冲的个数用，间接测量出胎面的长度，待胎面长度达到在高速计数器中预先设定的数值时，主电动机制动且剪切机动作，即实现定长切割。

关键词:定长剪切；可编程控制器PLC；光电编码器 

 

目 录

一、引言 1

1.1课题来源及研究意义 1

1.2胎面定长裁剪系统的研究和应用情况 1

1.3系统的主要内容 2

二、控制系统总体设计 4

2.1胎面定长裁剪过程 4

2.2系统结构及工作原理 4

2.2.1 定长裁剪总体结构 4

2.2.2裁刀装置 5

2.2.3胎面传送及定长装置 5

2.3系统的速度测量和同步跟踪 6

三、系统硬设计 7

3.1 PLC可编程控制器部分 7

3.1.1 PLC的选型和硬件组成部分 7

3.1.2 PLC的运行原理过程 8

3.1.3 PLC I/O部分 9

3.2  光电编码器 9

3.2.1　光电编码器的原理 9

3.2.2　系统中光电编码器的选型 10

3.2.3　光电编码器脉冲数计算 12

3.3伺服电机与伺服驱动器 12

3.3.1伺服电机工作原理 12

3.3.2带有抱闸装置的伺服电机 13

3.3.3伺服驱动器简介 14

3.4 PLC与编码器的连接方式 15

四、电气原理及软件设计 16

4.1电气原理设计 16

4.2 PLC I/O分配表 16

4.3 PLC硬件接线图 19

4.3.1 PLC外部拓展接口输入接线图 19

4.3.2 PLC外部拓展接口输出接线图 24

4.4程序流程图 27

五、小结与致谢 28

参考文献 30

附录 31

 

一、引言

1.1课题来源及研究意义

从上个世纪60年代的时候，我们国家的轮胎成型机就开始自己设计制造压辊包边成型机，并且为了提高轮胎成型机的高效率和高质量的生产，在生产过程中采用自动化程序高的编程方式进行机械的控制。无论是普通的小轿车的车胎的生产制作，还是大型工程专用轮胎生产的流水线的制造，它们这些轮胎的压辊包边成型机以及胎面定长切割系统都已经初具规模并已经形成一种体系。最近十年我国的轮胎生产技术水平有了很大的提高，并且已经成功的研究出一系列高水平的轮胎生产设备，其中最著名的轮胎生产成型机是子午钢线轮胎成型机，它是我国完全自行研发和设计并生产出来的新一代机型，不仅满足了高速发展轮胎工业的需要，同时也将轮胎生产过程中的胎面定长裁剪的精度提高了一大步，加快了轮胎胎面定长裁剪的自动化水平。

本课题在研究胎面定长裁剪系统中涉及到了西门子PLC、伺服电机、编码器以及一些平时上课所学到的东西，这可以说是对我所学知识的一种最好的检验方法，通过这个毕业设计的研究我可以对我之前所学的知识有个总体的检验，并且能清楚地知道我是否真正能了解并好好使用它们。

1.2胎面定长裁剪系统的研究和应用情况

随着我国经济的持续高速增长，我国的汽车行业发展迅速，导致轮胎的需求量日益增加，因此轮胎厂家在产量的效率上提出了更快的要求，生产厂家希望在胎面切割的时候可以实现精确的对胎面进行定长切割。国外的很多公司早在上个世纪四十年代就开始研究对轮胎裁剪设备的设计，并且取得了一定的技术成果，由于国外在工业技术技术和自动控制领域远高于中国，所以国外的轮胎裁剪设备的精度和效率都非常的高，国外的先进机床设备为整个切割流程设备提供了技术支持。在国外的轮胎生产企业中很多都是采用德国公司Fischer生产的胎面裁剪机，此类裁剪机配备德国先进的刀头以及使用西门子系列PLC作为其主控核心模块，因此整个系统的自动化程度非常高。我国目前在轮胎生产设备方面主要是从上个世纪的八十年代开始引进国外的相关技术，并通过买进来再学习消化其中的技术，到目前为止我国已经有很多相关企业都可以自主生产和设计自动定长裁剪系统。但是与国外的一些发达国家相比我国的设备水平和实际生产中的精确度稍微落后一些，因此我国的很多轮胎生产厂家会引进国外的先进生产设备。  

 我国虽然已经有了自主设计的胎面定长裁剪设备，但目前很多企业还是使用半自动人工裁剪设备，而这类普通胎面定长剪切机存在诸多不足正是目前很多企业所面临的问题。

 (1) 加工精度不高

半自动化机械加工有很多不确定因素在里面，首先每个环节都必须要有人进行操作，虽然并不是人工进行加工胎面的一系列手续，但是还是有一部分环节需要人工的直接参与，一些厂家在胎面的测量过程中通过工人用钢尺进行测量然后再通过机器的裁剪。另一面胎面在整个系统的传动过程中使用传统的链条传送方式，这样的无疑造成胎面在定位的时候精度不够，切割的时候会造成机械偏差并对胎面的长度裁剪有大小的影响。

 (2) 操作繁琐，容易出错

在半自动化的行业中，不仅胎面的长度需要人工的测量，甚至裁剪机也需要人工辅助才可以精确定位在需要裁剪的胎面水平直线上，锁着这类的操作方式极大的消耗人力资源降低了整个生产的效率。

 (3) 能耗大，效率低

半自动化行业中除了占用大量的人员外，还不同实现整个系统的相互配合使用，运输电机、刺孔电机、压辊电机甚至裁剪电机同时通电工作，没有一定的逻辑顺序性，因此这类方式能耗巨大，效率反而低下。

从上面研究的情况不难看出，我国现有的轮胎胎面定长裁剪系统在实际生产过程中仍然会有很多问题，因此现在生产出一台高精度、高速率的胎面定长切割机械设备是当务之急，另外如果对现在市场上面普通定长剪切机或传统自动剪切机进行计数升级，这样也可以增加生产效率，也可以提高胎面裁剪的精度。

在现代自动化行业中，如果想提高一台设备的效率和精度，主要的方法是通过PLC进行控制机械装置进行加工生产，另外为了保障精度的产品，在自动化行业中伺服电机和光电编码器的配合使用也是非常具有良好的效用，因此前我国已经研究出以PLC和伺服电机为控制中心子午胎三股一次成型机，在整个系统的生产过程中，胎面定长裁剪是整个系统最重要的一个环节，在本课题中我将对胎面定长系统进行一个详细的研究。

1.3系统的主要内容

根据生产的实际需求，第一步是固定料车，并且通过人工将原料胎面铺平放在输送电机辊轴上，此时手动按下自动运行开关，通过PLC传送信号给伺服电机，电机拖动辊轴转动将平面的原料胎面向前输送，当胎面送达到刺孔气缸处时停止，然后等待一秒，此时刺孔气缸开始动作，对胎面进行上下往复刺孔，第二步直到刺孔接触到光电开关处，说明一个完整胎面刺孔工作完成。伺服电机再次通电并带动辊轴反转将刺孔完毕的胎面输送到起始位置。第三步胎面输送到起始位置的时候通过编码器测定固定胎面长度位置并停止伺服电机的转动，同时裁刀开始动作，并且裁刀的两侧压辊进行压料，然后裁刀开始进行裁剪胎面。第四步当裁刀将胎面裁剪完毕后，此时裁刀自动进行复位到原始位置，然后裁刀压辊自动抬起，同时伺服电机转动把胎面送至自动上胎面位置。第五步通过气缸定位到胎面鼓上，压合气缸进行压合，胎面股旋转，把胎面自动上料完成。第六步胎面模板返回起始位置，依次进行循环工作。

 

参考文献

【1】王廷慧.王海涛.洪伟民.《轮胎胎面挤出联动机组切割控制系统的设》.轮胎工业.2000

【2】杜东.黄尚先.《PLC在准确定位系统中的应用电气传动》.2000

【3】胡学军.《单片机在轮胎胎面一次定长裁断系统中的应用》.电子技术.1997

【4】赵成军.《胎面裁断机的设计》.橡胶技术与装备.1997

【5】陈绍文.《PLC和变频器在胎面自动裁断系统中的应用》.微机应用于自动控制2003

【6】张燕.《电气控制与PLC技术》.科学出版社.2014

【7】王永华.《现代电气控制及PLC应用技术》.北京航空航天大学出版社.2014

【8】郭爱芳，王恒迪.传感器原理及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2007.

【9】侯崇开. 光电编码器在剪切长度测量中的应用[A]. 传感器技术，2005，24(7)

【10】陈建明，等．电气控制与PLC应用［M］．北京：电子工业出版社，2006