一种断丝保护装置在拉丝机工艺系统中的设计研究

袁有明 黄晶 庞杰林 肖再敏

摘要：电工合金材料的冷拉拔工艺是使用拉丝机来实现的。本文简要介绍了一款由编码器、触摸屏、变频器、测距传感器、PLC等构成的拉丝机断丝保护装置，通过增加编码器及测距传感器的应用，可实现设备的断丝停机、缺料停机及卡盘停机等功能，确保设备在自动运行的情况下稳定可靠。保证生产的线材成品的外观，抗拉强度、延伸率等力学性能合格、稳定，以实现拉丝工艺的稳定性。

关键词：拉丝机 编码器 电工合金 PLC

1引言

拉丝机是一种高速旋转的机械设备[1]，主要应用在铜合金、不锈钢及银基合金材料的拉拔加工，因其良好的实用性、经济性而广泛应用于各种金属加工领域[3]。然而，传统的拉丝机设备结构简单，设备在自动控制方面较为缺乏，除了必备的启动、停止及急停操作外，无其他电气控制功能。在设备的电气系统构造方面，传统拉丝机配备了三相异步电动机、变频器、空气开关、交流接触器及一些用于启保停电路的启停按钮等，在产品加工工艺上存在一些不可避免的缺陷，比如：①拉丝过程中线材拉断后设备无法自动停机，造成线材排线错乱，从而导致线材表面刮花;②在线材绞丝、卡盘的情况下，设备无法自动停机，造成线材的抗拉强度、延伸率等力学性能不合格;③拉丝结束时设备无法自动停机，需要人为干预，降低了生产效率，增加了劳动成本等。针对这些缺陷，如何改进设备功能，提高设备工艺稳定性，节约成本一直是各个企业重点研究的课题。因此，需设计一种自动控制装置，既能实现拉丝机的平稳运行，又能改善拉丝机的拉拔工艺，使企业降本增效、扩大收益。

针对上述问题，本文设计了一种利用编码器、变频器、测距传感器及基于三菱FX系列PLC的拉丝机断丝保护装置，利用PLC的各种逻辑控制功能，通过硬件系统及软件系统的设计，解决传统拉丝机的控制及工艺缺陷。

2装置构成原理

拉丝机断丝保护装置由编码器、触摸屏、变频器、测距传感器、PLC等构成。PLC作为装置的核心，接受各种传感器信号，控制设备上的各个电气部件稳定运行，构成原理图如下：

2.1 变频器工艺设计

合金线材的加工性能不稳定大多数是由拉丝速度不稳定造成的，因此线材拉拔时需对拉丝速度严格控制，拉丝机的转速必须保持稳定。变频器的控制方式为无速度传感器矢量控制，能够实现紧急停机。通过触摸屏设定参数，由PLC模拟输出模块提供给变频器的模拟信号输入，准确的控制电机转速[3]。在拉丝开始时为预拉阶段，该阶段线材缓慢提速避免拉断，则控制电机以极低的转速运转，并在预拉的过程中逐渐提高转速，直至速度恒定;变频器的耐波动性可保证转速稳定;拉丝结束的尾段均匀降低转速直至停止，确保线材拉丝工艺稳定，同时变频器的急停功能可以保证设备在出现故障或者事故时紧急停止[3]。

2.2 卡盘停机功能设计

线材卡盘在生产过程中发生的频率很高，其原因主要是线材加工过程中进行退火时发生材料粘连，在放料盘中无法自动排料。当发生卡盘时，放料盘随线材被拉动至校直器处。如果设备不能识别卡盘，线材就会被拉断，进而影响线材的外观、力学性能。为此在校直器下方设计安装测距传感器，当发生卡盘时，料盘与校直器的距离减小，当距离小于在触摸屏上设置的传感器的检测阀值时，由PLC控制變频器紧急停止，避免线材拉断，改善产品质量。

2.3 断丝检测功能设计

拉丝模具与拉丝筒之间发生线材断裂时，放料盘停止放料，加入编码器可实现断丝检测。具体的工作原理为：在拉丝模具前端放置一个带有圆形滚轮的编码器，滚轮压在线材上，用于判断滚轮是否旋转，在现实的使用环境中，当线材断裂后，滚轮停止旋转，PLC程序中设置了运行时滚轮的监控情况，一旦发现滚轮停止，编码器立即把信号传给PLC装置，由PLC控制变频器紧急停止，避免了断丝后设备无法自动停机引起的产品缺陷，保证线材质量达到要求。同时，该设计也实现了产品拉丝结束后设备缺料停机功能。

3 拉丝机电气系统设计

系统控制硬件主要由编码器、PLC、触摸屏、变频器、测距传感器组成。PLC采用三菱FX系列，带14入/10出的数字信号接口，1路八位模拟输入及1路八位模拟输出信号，为解决PLC与变频器的速度调节问题，将PLC自带的模拟量输出信号直接传输给变频器，再通过变频器控制拉丝电机转速，达到对速度稳定控制的要求。编码器使用增量型编码器，AB相信号输出。触摸屏使用步科MT系列，RS485通讯接口与PLC结合。变频器功率选用2.2KW[2]，其模拟输入信号4～20ma来自PLC模拟输出接口。系统控制图如图2所示。

控制系统的软件设计分为PLC程序设计和触摸屏页面程序设计。PLC主程序主要包括系统参数初始化，测距传感器输出信号采集中断设计、编码器定时计数设计、接受触摸屏参数设置及输出控制变频器信号设计。触摸屏的程序设计就是人机交互的界面设计，通过触摸屏上按钮可以控制测距系统、拉丝机的运行及停止。并提供了自动拉丝模式和手动控制模式。

4 结语

4.1、本文设计了拉丝机断丝保护装置，并通过PLC、编码器、传感器和变频器的运用，实现了对拉丝机的自动控制，满足了银基合金线材自动拉拔的生产工艺需求，保证线材的外观、力学性能达到技术要求。

4.2、通过实现断丝停机、缺料停机及卡盘停机等功能，减少人员参与数量，实现一人操作多台设备，有利于公司人力成本控制，为企业降本增效。

参考文献

[1]凌松，赵海彬，张亮，冯宝林.基于PLC的银导爆索自动拉丝机控制系统设计[J].制造业自动化，2015（12）

[2]繆盘铭.关于拉丝机拉拔力和功率计算的回答[J]。金属制品，1999（10）

[3]李亚南，蒋周忠，熊经先，袁有明.一种光栅保护器在拉丝机工艺系统中的设计研究[J]。科研，2017（3）

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