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1 引言
發動機的氣門直接與高溫燃氣接觸，受熱嚴重而散熱困難，因此一般采用耐熱合金鋼制造，如奧氏體不銹鋼等。而這種鋼材的硬度相當大，使用普通的沖床等設備對原料進行剪切很難獲得滿意的精度。如果采用手工砂輪切割，不僅勞動強度大，單是切口損耗就是一個非常大的浪費。為解決這一問題，設計開發了一種新型的精密剪切設備，能夠在產品質量、勞動生產率、工作環境等各方面都能帶來可觀的改進。本文將主要其電氣控制方面的內容做一簡要介紹。
2 機床的基本構成
本機床為專用機械，特別為氣門生產中的奧氏體棒料剪切下料所設計制造。根據生產工藝的要求，可以實現自動上料，精確擋板定位剪切，完成從原料到位至成品分揀的全自動化運行。并且能夠實現前后棒料原料之間的無間隔銜接，提高工作效率。除機座等必備部件之外，機床還有布料機構、上料機構、進料機構、夾緊機構、剪切機構、分料機構等。其中布料機構和分料機構由氣缸帶動，上料機構和進料機構由輪軸帶動，采用摩擦輪傳動，傳送可靠。夾緊機構和剪切機構由油缸帶動，剪切主沖切頭高速運行，可保證剪切質量。整個機床結構堅固，安裝要求可靠固定，能夠抵抗剪切時產生的巨大沖擊作用力。
3 電氣控制系統概述
本電氣系統的設計制造，遵守國標《gb/t5226.1-96》的有關規定，以及其它的國標和機床行業特殊要求的有關說明，采用位置傳感器、壓力傳感器檢測，plc程序控制。電氣控制系統主要分兩部分構成，即動力部分和運動控制部分。
在動力部分中，因為電機容量并不很大，對啟動時的各參數要求也不很高，因此對除上料電機和進料電機以外的電機采用傳統的“星三角”啟動方式和直接啟動控制方式，主回路為空開、接觸器、熱繼電器方案。為保證工序的銜接良好，上料電機和進料電機采用變頻調速。
在系統的運行方式上，設有手動、半自動、自動三種工況，以分別適用于不同的操作條件。其中手動工況為設備調試以及特殊工況下使用；半自動工況下每次可以完成一整根棒料原料的加工；自動工況下可以自動續料，連續完成多根棒料原料的加工，為正常工作模式。
系統包括電氣控制柜1臺和操作臺1臺。電氣柜和操作臺的控制面板上裝有若干控制按鈕（旋鈕），并且在按鈕旁邊有相應的文字說明來解釋按鈕（旋鈕）的作用，如控制給電、停止、急停等。控制面板上還裝有指示燈，燈點亮時，其相應的文字說明表示主機當時的運行狀態，如電源有電、電機運行等。
啟動分為兩個按鈕，只要當兩個同時按下時才起作用，防止誤啟動。設“停止”按鈕，在系統運行時可以隨時按壓，此時plc停止輸出。
設“緊急停止”自鎖按鈕，按下時不僅停止輸出，并且整個控制系統斷電。在情況排除后，可旋轉該自鎖按鈕，使其解除工作狀態。
4 基于plc的控制系統
該控制系統結構如圖1所示，觸摸屏的工作參數設定、傳感器的實時工況監視、操作臺上的工況選擇按鈕組成plc的輸入部分，其中觸摸屏的參數輸入通過com口與plc的通訊實現。控制變頻電機轉速的變頻器、控制油缸氣缸動作的電磁閥以及實時工況指示燈組成了輸出部分。
圖1 控制系統結構示意圖
4.1 plc型號的選擇
由于三菱fx系列plc兼有整體式和模塊式可編程控制器的優點，其功能強，響應速度快，因此選取該系列產品。plc的輸入點和輸出點各需要30多個，參照其標準配置點數，選用fx2n-64mr。該型號共有輸入點32個，輸出點32個。為節約點數，也為了留出必要的空點以方便將來設備升級，將若干邏輯關系簡單的輸入輸出改為繼電器控制。這樣以來，實際使用的點數大約為58個（其中輸入點30個，輸出點28個）。控制上料和進料的變頻器采用三菱fr-s500系列產品,觸摸屏采用f940產品。
4.2 工序控制
每一根棒料原料所經過的工序如圖2所示，各工序之間的銜接信號由行程開關、壓力傳感器和光電編碼器等提供，前一工序的結束信號一般同時用作后一工序的起始信號，在必要時做相應的延時處理。如壓料工序，由光電編碼器結合行程開關對棒料是否到達，以及是否離開壓料位置進行判斷；夾緊、剪切和松開工序由壓力傳感器和行程開關判斷，在夾緊壓力達到額定值時壓力傳感器發訊，開始剪切。剪切完畢后刀頭對應的行程開關發訊，夾緊油缸泄壓松開。
圖2 單件棒料加工工序
由于棒料原料的料頭一般會存在一定的缺陷，不能直接用于后續加工。所以對料頭做特殊的處理上，即將盡可能少的料頭剪掉。因此設備要對馬上要剪切的部位做出判斷，以確定是否為料頭部分，如果是料頭部分，同時又在旋鈕中選擇了“剪料頭”，則對料頭進行“剪料頭”工序。對原料的尾料部分也要做相應的處理，在出料時增加“分料頭”工序。如果是開機后的第一根原料，這一功能可以比較容易實現，對于連續生產中的后續原料，則有賴于參數的設定，通過對觸摸屏所設定的原料長度和下料長度的計算，可以預先知道每一根原料可以下料的根數，在完成這些根數之后的余料可以判定為料尾，而次料則可以認定為下一個料頭。需要注意的是，在計算時必須考慮必要的夾持長度。
系統具有自動計數功能，每一次有效剪切都將做一數值上的累加，保存在plc上可斷電保持的數據寄存器中。當累加到觸摸屏所設定的生產計劃數時，系統會暫停運行，提示操作者是否繼續生產加工。
考慮到液壓系統的特點，在電磁閥的動作上增加限制條件，即其只有在液壓泵電動機正常后才能動作，可通過電動機啟動延時來實現。
4.3 速度控制
根據生產工藝的要求，下料長度一般在60mm～280mm之間，又由于機床在運轉效率及穩定性方面都有要求，因此系統設計運轉速度隨下料長度的增加而增加。當下料長度較短時，上料電機及進料電機以慢速運行；反之則以快速運行。上料工序分為兩段，由變頻器控制上料電機的速度，前段較快，后段較慢且與進料電機同速。變頻器一般都會支持多段速調速，在此上料電機實際使用7段速而進料電機使用6段速。具體速度搭配如表1所示，從速度1至速度7依次加快。
當開機時或參數改變時，觸摸屏確定的下料長度傳至plc，程序判斷下料尺寸所處范圍，然后在合適工序期間觸發相應的變頻器通路，調出相應的速度。
該plc電氣控制系統是強弱電混合系統，因此在控制柜的元件布置和走線上應有相應的考慮。，接觸器、空氣開關和變頻器等原件放置于電器柜中，而plc等放置于操作臺中，以減少電磁干擾。在plc的輸出點連接電磁閥時，并聯rc吸收裝置，以消除電磁噪聲。該機床實際應用于大批量生產中，由于線路簡化，操作方便，自動化程度高，可在類似場合推廣使用。
5 結束語
該機床設計先進，屬國內領先的產品，可完全替代昂貴的進口產品。加工的成品端口質量好精度高，端面傾斜度≤1°，端面圓度≤0.04d，塌邊長度≤0.2d，下料長度誤差±0.15mm。加工效率在20支/分鐘以上，可大大提高勞動效率。另外在節能降耗方面也有很大的提高。據保守估計，使用該產品，僅計算降低刀口損耗方面的收益，一年就可以收回成本。