程控切纸刀的改造刘海霞论文.docx

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程控切纸刀的改造刘海霞论文

摘要

切纸机是当今应用较广泛的裁切机械，在一系列的纸类和非纸类加工领域都有着广泛的应用，是一种通用设备。

随着微电子技术和计算机技术的进步，可编程控制器有了突飞猛进的发展，在工业领域中的应用愈加广泛。

PLC作为控制器对电气控制系统的改造也越来越普及。

其主要部分是对切纸机的典型执行元件步进电机的控制。

在本设计中以可编程控制器为中心，取代原设计中的所有中间继电器，从而大大简化外围线路，使切纸机的精确度明显提高。

同时对切纸机的液压系统、气垫装置、红外光电保护做了简单介绍。

通过PLC改造，一方面简化了原有电气线路；另一方面使切纸机实现程序化控制，功能更加完善，自动化程度更高。

关键词　切纸机；可编程控制器；步进电机

Abstract

Thepapercuttingmachinenowappliesthemorewidespreaddinkingdiemachinery,itandthenon-paperclassprocessingdomainallhasthewidespreadapplicationinaseriesofpapersclass.Itisonekindofgeneralpurposeequipment.Alongwiththemicroelectrontechnologyandthecomputertechnologyprogress,theprogrammablecontrollerhadthedevelopmentwhichprogressesbyleapsandbounds,isevenmorewidespreadintheindustrydomainapplication.PLCtookthecontrollermoreandmoreisalsoprominenttotheelectricitycontrolsystemtransformation.Itsmainpartistoapapercuttingmachinemodelfunctionalelementsteppingmotorcontrol.Inthisdesigntaketheprogrammablecontrollerasthecenter,insubstitutionoriginaldesignallintermediaterelays,thusgreatlysimplifiestheperipheryline,causesthepapercuttingmachinetheprecisiondistinctenhancement.Meanwhiletothepapercuttingmachinehydraulicsystem,theaircushioninstallment,theinfraredphotoelectricityprotectionhasmadethesimpleintroduction.ThroughPLCtransformation,ontheonehandsimplifiedtheoriginalelectricalline;Ontheotherhandcausesthepapercuttingmachinerealizationsequencingtocontrol,functionmoreperfect,theautomaticityishigher.

Keywords　Papercuttingmachine;Programmablelogiccontroller;Steppingmotor

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目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1课题背景1

1.2价值意义与发展现状2

1.3本章小结4

2PLC改进切纸机的可行性5

2.1切纸机的工作原理5

2.2切纸机的优化裁切7

2.3本章小结11

3PLC的介绍及选型12

3.1可编程控制器简介12

3.1.1可编程控制器的特点12

3.1.2可编程控制器的基本结构配置13

3.2可编程控制器的选择及介绍16

3.2.1选择方法16

3.2.2PLC的选择17

3.2.3PLC模块的安装19

3.2.4电源的选择19

3.3本章小结20

4程控切纸机的硬（软）件设计21

4.1步进电机21

4.1.1驱动器特性及其选择22

4.1.2步进电机工作原理23

4.1.3步进电机的应用29

4.1.4PLC对步进电机的控制31

4.2液压系统32

4.2.1切纸机液压系统的组成及工作原理32

4.3压纸自动阀34

4.3.1气压传动的组成及工作原理34

4.4气垫装置36

4.4.1执行装置36

4.5光电对射式光电传感器的选择及介绍37

4.5.1光电保护装置37

4.6系统流程图38

4.7本章小结41

结论42

附录43

致谢49

参考文献50

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绪论

课题背景

在数字化网络化发展异常迅猛的今天，在纸业加工设备中切纸机械的发展格外引人注目。

切纸机是传统产品。

从机械式切纸机发展到磁带控制式切纸机，又发展到微机程控彩色显示全图像操作，引导可视化处理及计算机辅助裁切，外部编程和编辑生产数据的裁切系统，使生产准备时间更短裁切精度更高，劳动强度更低而操作更安全。

切纸机的这种飞速发展，令世人刮目相看。

切纸机是当今应用较广泛的裁切机械，它在一系列的纸类和非纸类加工领域都有着广泛的应用，是一种通用设备。

同时切纸机在印刷机械产品中也占有重要的地位，在印刷机械产品家族中，切纸机在印刷企业中是必备设备之一。

随着科技水平的提高，国外先进切纸机的自动化水平很高，它是集机、光、电、液、气于一体的技术密集型机械，它能存储极复杂的裁切程序，并具有广泛的编程性能，多层次的人机对话系统，还可配备完善的附加设备，极大的减轻了操作人员的劳动强度。

利用可编程控制器控制推纸器，使推纸器运行平稳、轻快，定位准确，噪声低，提高了裁切精度。

工作台全部镀铬并附带气垫，使工作台耐磨、不生锈，推纸轻快。

采用液压压纸，压力大而恒定，使系统压力的调节精度达到较满意的效果，提高了切纸机的裁切质量。

在安全防护方面，有双手连动保护按钮，红外线光电保护及内置式电子锁等安全防护装置，从而保障了操作人员和设备的安全。

彩色显示屏可显示各种数据具有故障诊断功能可进行人机对话，实现中英文选择。

随着我国进入WTO，国内切纸机市场将逐步开放，国产切纸机将不可避免的面临激烈的竞争。

目前国产切纸机无论是在机械、电气，还是在液压等方面，其可靠性、稳定性与国际上先进的切纸机相比，尚有一定的差距。

为了企业的生存发展，现迫切需要抓紧高档切纸机的研究开发，同时在提高普通切纸机的可靠性、稳定性上下功夫，以及研发切纸机的新功能，提高产品质量，使其更具有竞争力，从而大大提高国产切纸机在国际上的竞争力。

因此，为了改善原有的老式切纸机的性能，我们利用西门子S7-200系列可编程控制器控制步进电机改造出新型的切纸机。

使推纸器定位准确，精度可达0.01mm。

并利用PLC控制液压压纸、气垫装置，提高了裁切质量和生产率。

同时考虑了切纸机裁切的安全问题，设置了红外线光电保护等安全保护装置。

这些技术使国产切纸机的水平接近了国外产品的技术性能，以满足市场需求，提高了产品质量，使其更具有竞争力。

价值意义与发展现状

切纸机是一种纸张加工设备，主要用于造纸厂张纸的加工和印刷企业印刷品的整形加工，蜂窝包装纸板产生以后，也要用到切纸机切制纸蜂窝芯。

近年来，纸业发展强劲，切纸机在这个领域有广阔的市场。

另外，切纸机应用于非纸类加工，如PS版、皮革、硬塑料等材料的裁切。

切纸机是一种通用设备，应用范围极其广泛，在印刷业中，几乎每个印刷企业都要配置切纸机，因此切纸机在印刷机械产品中占有重要的地位。

在印刷机械产品家族中，年销售量最大的是小型平版印刷机，第二是切纸机，它在印刷企业中是必备设备之一。

切纸机是传统产品，从机械式切纸机发展到磁带控制式切纸机，又发展到微机程控、彩色显示全图像操作，引导可视化处理及计算机辅助裁切外部编程和编辑生产数据的裁切系统，使生产准备时间更短，裁切精度更高，劳动强度更低，而操作更安全。

切纸机的这种飞速发展，另世人刮目相看。

发展现状

1、国产切纸机的现状及发展

国内切纸机的需求量较大，生产厂家很多，其中上海申威达公司，长春印机厂和四川中江利通公司生产的切纸机代表了国产切纸机的发展水平。

总体来说，国产切纸机已形成了品种、规格齐全的系列产品：

即普通切纸机系列、数显切纸机系列和程控切纸机系列。

规格有650mm、760mm、920mm、1150mm、1300mm、1550mm。

基本可以满足各行业多层次的需求，特别是在造纸、印刷、包装等行业的裁纸需求。

国内制造切纸机的厂家约34家。

主要企业有上海申威达、长春印机、四川中江、甘肃平凉普业、山东荷泽生建、浙江嘉路等切纸机厂。

2001年十家切纸机厂统计共销售切纸机2703台，完成销售额2.84亿元；2002年七家企业统计，共销售切纸机2484台，完成销售额2.18亿元。

主要切纸机规格有420mm、580mm、650mm、760mm、780mm、920mm、1150mm、1250mm、I300mm、1370mm、1550mm、1660mm、1860mm、2200mm等14种规格。

上海申威达的部分产品裁纸速度达到40次／分，并且配备了送纸机、卸纸机、气垫工作台、升降机，形成自动切纸生产线，该企业在国内，产品品种最全、规格范围最广、出口也最多。

四川中江的切纸机有九项国家专利，采用滚动丝杠和线性导轨，使堆纸器动作准确，提高了切纸机速度。

这两家企业和长春印机厂经过“九五”期间产品结构调整，已经不再生产落后的机械式切纸机，将被液压式切纸机、程控切纸机、微机程控切纸机取代。

切纸机裁切的安全装置也由一层保护到多层保护，如压纸器的防坠落装置，双手连动保护控纽、红外线光电保护和内置式电子锁等安全保护装置。

这些技术使国产切纸机的水平接近了国外产品的技术性能。

要说差距主要表现在设备的稳定性、可靠性、成套性方面和自动化程度相对比较低，切纸精度也是主要差距之一。

另外，机械式切纸机的市场还有相当规模。

为此，需要在抓紧高档切纸机生产设计的同时，提高普通切纸机自身设计的。

在提高普通切纸机质量上下工夫，使之可靠性，稳定性好转。

以适应日益增长的市场需求，从而牢牢占领国内这个巨大市场。

2、国外切纸机的现状及发展

国际上以程控切纸机的开发研究作为设备计算机化的标志，而波拉公司的切纸机被公认为是当今切纸机最高水平的代表。

下面以波拉切纸机为例来介绍国外切纸机的现状及发展。

波拉公司是CIP3的创始人之一。

他开发了COMPUCUT软件系统。

可将切纸的规格数据传送至计算机，COMPUCUT可编程，而且可以自动优化切纸程序，这一系统由模块化组成，在WINDOWS下工作，可用于普通PC机。

PolarED切纸机是根据人体工程学原理设计的，所有机型均为模块设计，具有高分辨率的彩色显示屏。

29种文字的操作信息，有自我诊断功能。

裁切尺寸补偿修正功能。

由于采用了频控传动电机，滚珠轴承主轴和无间隙的线形导轨，既保证了推纸器的高速运行（可达30m/min），又保证了很高的定位精度（可达0.01mm）。

波拉高速切纸机安装了多种安全装置，不仅标准设计的功能十分卓越，而且还可选配众多设备以扩充其功能，符合欧洲CE安全标准，通过了德国GS安全认证，并获得美国、加拿大ETL安全证书，从而为其走向世界奠定了基础。

本章小结

综上所述，国产高档切纸机与国际知名切纸机的质量水平已经相当接近，但也不可否认，仍存在一定的差距，其主要表现在机器的性能、稳定性、可靠性、集成性和成套性方面。

加入WTO后，我国的经济发展必然融入全球经济一体化之中。

为此，不断推出与国际市场接轨的先进切纸机以满足国内外用户多方面的需求就显得十分重要。

由于国情所致，机械式切纸机在我国还占主要地位，在国内市场上，程控切纸机不可能取代机械式切纸机，因此，我们在这里提出了利用可编程控制器改造机械式切纸机，使之性能水平达到市场同类产品水平。

PLC改进切纸机的可行性

切纸机的工作原理

1.启动把转换开关2从“0”转到“1”位置使电源接通，向右转到钥匙开关8使控制线路接通。

接下按钮4主电机开始转动，这时指示灯5发光，踩下脚踏板观察压纸器运动情况。

如果一切运转正常。

即可按下工作台前端的两个方向按钮1和3（见图2-1）进行裁切。

按下按钮3（见图2-1）主电机即停止转动。

图2-1：

启动图

1，3，7：

方向按钮2，6：

转换开关4：

主电机按钮5：

指示灯8：

钥匙开关

图2-2：

方向按钮图

1，2，3：

方向按钮

2.光电保护装置机器正常工作时，位于前机架两侧的红外光电保护装置发出五束红外线，如果操作者不慎把手伸进裁切区，遮挡了任意一束光，机器会立即停止运动。

以保护操作者的安全。

3.推纸器的移动推纸器由步进电机M2控制。

按下微机面板（如图2-3所示：

）上的A键，推纸器将以1米/分的慢速向前移动，按下B键。

推纸器将以7.5米/分的快速向前移动。

按下C键，推纸器将以1米/分的慢速向后移动，按下D键，推纸器将以7.5米/分的快速向后移动。

按下按钮2（见图2-2）移动工作台前的手轮，可实现推纸器位置的手动微调。

图2-3：

面板

4．气垫装置按下按钮7（见图2-1），风泵开始向工作台上的各风嘴充气。

当被裁切纸张放在工作台上时，气流从风嘴中喷出，在工作台于纸张之间形成一层气垫，操作者可以轻松地在工作台上移动纸张。

按下按钮6，风泵停止向工作台的风嘴充气。

在裁切过程中，压纸器向下运动，风泵自动停止送风；压纸器向上运动，风泵自动送风。

5.压纸与裁切同时按下工作台前端的两个按钮。

压纸器与刀床先后落下。

裁切运动完毕后，刀床与压纸器先后升起。

压纸力可以用机器右下端的手柄无级调整，调整范围是1.96千牛（200公斤）至39.2千牛（400公斤）（见图2-4）。

　本机的最大裁切高度是指压纸器的最大升起高度。

操作中应根据裁切纸张或其它材料的性质及裁切宽度来确定实际上的最大裁切高度。

图2-4：

手柄无级调整图

切纸机的优化裁切

在保证切纸机操作安全及裁切质量的前提下，进一步提高切纸机生产效率，始终是切纸机制造厂孜孜不倦地追求的目标。

除了已经采取的提高送纸器的送纸速度、采用自吸式快速油缸压纸、提高裁切速度等措施以外，降低非裁切动作的辅助时间也是提高切纸机生产效率的一个有效途径。

针对这一点我们对切纸机所做的改进如下：

程控切纸机一个完整的裁切循环基本上是由以下六个步骤组成:

降低纸堆直接进行裁切，其它五个动作可以视作为非直接裁切动作。

若能将非直接裁切动作中的某些动作提前执行或交错执行，即在一个时间里同时执行两个或两个以上动作，来缩短一个裁切循环中的非直接裁切动作所占用的辅助时间，就能达到提高切纸机生产效率的目的。

切纸机优化裁切（cutoptimization）就是基于这一原理设计而出来的。

优化裁切的概念是:

在确保操作者安全及裁切质量的前提下，实施对整个裁切循环中某些动作提早执行或与其他动作同时执行，最大限度地降低非直接裁切动作所占用的时间，达到进一步提高切纸机送纸器送纸，压纸器压纸，压纸器增压，切刀下降裁切，切刀回升，压纸器回升。

在这六个步骤中，只有改变切刀下降时间来达到提高生产效率的目的。

目前微机程控切纸机可采用两种优化方法:

（1）实现压纸器与切刀同步回升（刀床优化裁切）;

（2）缩短压纸器空行程距离（压纸器优化裁切）。

1.实现压纸器与刀床同步回升

（1）压纸器与刀床同步回升的原理

传统的概念是切纸机在裁切后，必须待刀床回升到最高点，压纸器才开始回升。

从安全角度来看，这是保证裁切前及裁切后，刀刃始终被压纸器下表面遮挡，可避免发生刀刃外露划伤操作者手或损坏裁切物之虞，保证做到刀刃不露出压纸器下表面，但没有必要一定等到刀床回升到最高点，压纸器才开始回升。

实际上只要通过采用压纸器与刀床同步回升或缩短压纸器空行程距离措施，或同时使用这两个优化措施，缩短非裁切动作的辅助时间（即刀床回升）超过压纸器下表面10--15mm后，压纸器开始随同刀床同步回升。

压纸器回升到距纸堆上表面10mm左右距离，压纸器停止回升，送纸器就可以开始送纸，进入下一个裁切循环。

通过这个功能，来达到缩短非裁切动作时间的目的。

（2）同步回升的实施方法

程控切纸机可以通过两种方法来检测、判别刀刃是否已高于压纸器下表面，从而实施压纸器与刀床同步回升的功能。

a.光电传感式（图4--5）

在压纸器左侧一齿脚上装一光电传感器。

裁切时，刀床将光电管发出的光束遮挡，由此，控制系统判别出该机正处于裁切状态，压纸器不准释压回升。

裁切后刀床开始回升。

当刀刃回升高过压纸器下表面，露出压纸器齿脚上的光电传感器，使光束不被遮挡，由此判断出刀刃回升己高过压纸器下表面，压纸器可以随同刀床同步回升。

b.接近开关式

原理与光电传感式基本相同，传感器改为接近开关。

在刀床回升到显露出接近开关后，系统即判别出并控制压纸器随同刀床同步回升。

2.缩短压纸器空行程距离

（1）缩短压纸器空行程距离的原理

空行程是指压纸器从原始停留位置到待切纸堆上表而间的运动距离。

以裁切高度为165mm的程控切纸机为例，当双手同时操作裁切按钮后，压纸器下降压向待切纸堆。

假设纸堆高度为10mm，压纸器至少向下运动155mm，方才压到纸堆;待一刀裁切完毕，压纸器释压向上回升相同距离，回复到原始最高点后，送纸器才开始按原来输入的程序送纸。

实际上，当压纸器释压向上一离开纸堆，送纸器就可以送纸，完全不必等压纸器回升到最高点，而这155mm的行程完全可以作为空行程处理。

为了保险起见，若将压纸器锁定在离原假设纸堆上表面lOmm左右距离后，可以省却145mm的回升时间。

另外压纸器的这一锁定不仅节省了压纸器回升时间，而且也使第二次裁切循环时间减少，同时压纸器又缩短了压纸器下降时间。

理论计算，裁切纸堆为10mm时，压纸器升降时间可节省87%。

裁切纸堆高度越低，这一措施的优点就越显著。

（2）缩短压纸器空行程距离的方法

要检测压纸器是否已对纸堆释压回升到锁定高度处，可以凭借传感器进行检测。

目前有两种方法:

a.红外光电传感式（图2-6）

在压纸器左侧装有光电发射管，右侧装有光电接收管。

控制电路通电后，继电器线圈1得电吸合,动触点1吸合.光电无遮挡物,另一个控制的继电器2吸合,相应的动触点吸合.当需要下刀裁切时,必须同时按下双手连动按钮A、B,相应的继电器吸合，使安全锁得电吸合，控制液压阀的线圈得电，当压纸器回升到离纸堆上表面一定的距离后，在压纸器与纸堆之间形成空隙，使红外光导通，从而判别出压纸器已回升到设定高度处，并将压纸器锁定在原已设定的高度处。

送纸器根据这一传感信号，按原编制的裁切程序开始向前送纸，然后开始下刀裁切。

未采用优化裁切时，压纸器从最高点下降压纸到压纸器回升到最高点，时间为2.385秒。

刀床与压纸器同时使用优化措施时，只需1.052秒，仅是原来的一半。

优化裁切大大地提高了切纸机的生产效率，受到操作者欢迎。

图2-5：

光电传感式刀床优化裁切

图2-6：

优化裁切

本章小结

由本章可知机械式切纸机系统结构复杂，自动化水平低，如果针对机械式切纸机的缺点，而购买新型的程控切纸机，对于规模较小的用户来说是不经济实惠的。

如果只针对其控制系统进行改进，使用可编程控制器就显得小题大做了。

但若与其它控制系统联合使用，不仅会降低成本，而且会协调控制系统的工作，实现整个切纸机控制的智能化控制。

随着PLC功能的不断完善，性能价格比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。

PLC具有良好的接口性能，可以通过开关量输出组件，输出电平信号直接驱动电磁阀、电磁继电器和电磁开关等。

PLC编程容易，接口简单，今日PLC最广泛应用的领域，既它取代了传统的继电器顺序控制，提高了生产效率。

应用PLC还可以大量节省外围驱动电路，使得电器控制系统变得简洁。

因此利用其来改进机械式切纸机，对其进行优化裁切具有可行性，从而使切纸机在原有的水平上更进一步。

从而大大提高了切纸机在同类产品中的竞争力。

PLC的介绍及选型

可编程控制器简介

随着计算机技术的发展，存储逻辑开始进入工业控制领域。

可编程控制器作为通用的工业控制计算机，是存储逻辑在工业领域应用中的代表性成果。

近30年来，PLC不断发展更新，其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。

1、可编程控制器的定义

可编程控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER，简称PC）。

与个人计算机的PC相区别，用PLC（ProgrammablelogicController）表示的。

PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器，执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。

在1987年国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

可编程控制器的特点

1．可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

2.配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

3.易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计