PLC自动控制火焰切割机

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1、烟台大学毕业论文（设计）摘要： 利用欧姆龙CPM1A系列PLC控制螺旋焊管在生产过程中的切割，实现工业自动化。 螺旋焊管的生产过程中，其以螺旋线式前进的。当电源接通，按下启动开关后，切管机便在PLC控制下进行跟踪切割。接近开关发出定尺信号，通过电磁阀使随动轮与螺旋管接触，整体机构跟随螺旋管同步前进，PLC控制继电器发出点火信号，控制点火电路产生电火花点燃乙炔，产生预热火焰，点火完成。同时启动KC5型跟踪电机使预热火焰跟踪钢管同步旋转来预热，预热完毕，吹氧阀打开将预热的熔化点吹开，开始切割，并停止跟踪。切割完毕由轨道行程开关或手动停止按钮发出信号控制停止，关闭氧气阀，乙炔阀，气缸阀，然后跟踪返回

2、，小车返回。关键词：CAPMIA PLC,自动化，触发，整流，KC5跟踪电机。ABSTRACT： The design is using Programmable Logic Controller(PLC) , which is one of CPM1A series made by the Omron company ,to control the spiral welded pipes production.PLC controls the cutting machine to cut the spiral welded pipes automatically.During the pro

3、duction process of the spiral welded pipes , the pipe rotated itself and at the same time went along straight line ,and its movement trial was helical line. When the power is connected and the operator presses the start switch, the PLC will control the cutters and following motor to cut the pipes .T

4、he proximity switches detect the signal and then input them to the PLC, then the PLC sends out controlled signal.The following wheel will contact with the pipe under the magnetic valves control ,the following wheel will follow the pipe rotating synchronously.The spark coil will ignite the ethyne und

5、er the signal sended out by the PLC. While the KC5(the following motor) started to track the rotated pipe synchronously,the flame will preheat the pipe. When the preheating is over and then the oxygen valve is opened under the control signal, then began to cut the pipe open, and at the same time sto

6、p tracking.Signal is made by the travel switch or stop button to stop, then close the oxygen control valve, the ethyne control valve and the pneumatic cylinder, and then the following motor returns, the vehicle back.Key words：CAPMIA PLC, automation, trigger and rectification, KC5 track motors.第1章 绪

7、论1. 1课题背景可编程控制器（Programmable Logic Controller）是计算机家族的一员，是为工业控制应用而设计制造的通用控制器。它实现了传统继电器控制技术。并结合现代计算机技术和通信技术，提供了逻辑控制、定时控制、计数控制、PID控制和数据处理等多种功能。具有可靠性高、通用灵活、编程简单、使用方便等特点。螺旋钢管是以钢质卷板为原材料,经常温挤压成型,以自动双丝双面埋弧焊工艺焊接而成的螺旋缝钢管。具有中空截面、周边没有接缝的长条钢材。钢管具有中空截面大，大量用作输送流体的管道，如输送石油、天然气、煤气、水及某些固体物料的管道等。在现代化的生产中，产品是通过设备来生产和加工

8、的，为了保证产品的生产效率和加工精度，需要对设备进行控制，控制方式主要有机械控制，电气控制，液压控制，气动控制或上述几种方式的配合使用。 为了降低运输成本，在生产过程中经常将螺旋钢管切割成有一定长度的段管。这一工作需要工人师傅来手工完成，切割的质量也不是很高，且长短也不能控制很好。而本设计正是基于为减轻工人劳动量而设计的。可编程控制器(PLC) 用于螺旋钢管的切割，实质上是在微机控制的基础上，采用专用语言，使编程简单而且接近原来继电器控制电路的梯形图。切管机除送料为了调整方便采用手动外，其余工序可采用可编程序控制器( PLC) 作为核心控制组件的控制系统全部自动完成。PLC的应用可使系统的控制

9、和调整简单，运行可靠、这不仅避免了传统的继电器逻辑控制线路体积庞大、故障率高、维护困难的缺点，又克服了单片机控制系统成本高,接口处理及编程相对复杂等缺点。1. 2 PLC可编程控制器简介本设计采用PLC可编程控制，PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义： PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻

10、辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。1. 2. 1 PLC的基本结构图1-11、中央处理单元 （CPU）：一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。 CPU的主要功能：(1)从存储器中读取指令 (2)执行指令 (3)顺序取指令 2、存储器 ：存储器用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息等。(1) 系统程序存储器：用以存放系统程序（包括系统管理程序、监控程序功能子程序及对用户程序做编译处理的编

11、译解释程序）此类程序一般在PLC出厂前已将其固化在ROM或PROM中，用户不可修改(2)用户程序存储器：主要用于存放用户程序及数据，可以修改。3、输入、输出接口：用于与外界进行信息传递 通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，也可由PLC内部提供。 图1-2为一种型号PLC的直流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。 图1-3为一种型号PLC的交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源图1-2 图1-31. 2. 2 PLC的工作原理 PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理。

12、PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。图1-4工作原理图1. 2. 3 PLC的基本功能1、 开关量的逻辑控制，用来取代继电接触器控制系统的逻辑控制和顺序控制。2、 定时控制3、 计数控制4、 步进控制5、 回路控制6、 数据处理，可以实现算术运算，逻辑运算，数据比较，数据传送，数据移位，数据转换等。7、 通信联网，有些PLC采用通信技术，实现远程输入输出控制，多台PLC之间的同位连接，可以把数十台PLC采用同级和分级的方式连成网络，使各台PLC的输入输出状态相互明朗。8、 监视，利用编程器或监视器，操作人员可以对PLC有关部分的

13、运动状态进行监视。9、 停电记忆10、故障诊断1. 2. 4 PLC的特点1、 可靠性高，抗干扰能力强。可靠性高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。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，

14、使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3、 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。4、 体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1. 2. 5 PLC 的编程语言常用1、 指令表（助记符）语言2、 梯形图语言3、 功能图块注明：助记符语言：类似于微机

15、中的汇编语言。 梯形图语言：沿袭了传统的控制图。直观明了，易于掌握1. 3 欧姆龙系列PLC介绍 本设计使用欧姆龙系列PLC。与所有小型机一样，CPM1A系列PLC采用整体式结构，内部由基本单元，电源、系统程序区、用户程序区、输入/输出接口、I/O扩展单元、编程器接口及其他外部设备组成。1. 3. 1 CPM1A系列PLC结构紧凑，功能强，较高的性价比，因此在小规模控制中获得广泛应用。本设计采用19路输入和13路输出控制端子，对整个的供电、跟踪、点火、返回、气缸启动、电磁阀通断过程进行控制，保证系统的正常工作，完成所需要完成的生产任务，提高生产效率，达到更高的经济效益。具体的控制方式在程序部分

16、将会进行详细的叙述。其控制原理图如图1-5所示： 接近开关行程开 关按 钮PLC输出量驱动电路执行机构输入量图1-5 PLC控制原理图1. 3. 2 CPM1A的性能规格性能规格表1.1 CPM1A性能规格表控制方式存储程序方式输入输出控制方式循环扫描方式和即时刷新方式并用编程语言梯形图方式指令长度1步/1指令、15步/1指令指令种类基本指令14种应用指令79种 139条处理速度基本指令(LD)0 7217.2应用指令MOV指令16.3程序容量2048字最大I/O点数10点、20点、30点、40点输入继电器0000000915输出继电器0100001915内部辅助继电器512点：2000023

17、115(200CH231CH)特殊辅助继电器384点：2320025515（232CH255CH）暂存继电器TR8点：TR08保持继电器HR320点：HR00001915（HR00HR19CH）辅助记忆继电器AR256点：AR00001515（AR0015CH）链接继电器LR256点：LR00001515（LR0015CH）定时器/计数器TIM/CNT128点：TIM/CNT000127100 m型：TIM000127（号数与10 m型共用）10 m型（高速定时器）：TIM000127减法计数器、可逆计数器数据存储器DM可读/写1002字（DM00000999、10221023）故障履历存入区

18、22字（DM10001021）只读456字（DM61446599）PC系统设定区56字（DM66006655）输入中断2点（10点）4点（20点及以上型）间隔定时中断1点（0.5319968 m、单触发模式或定时中断模式）停电保持功能保持继电器HR、辅助记忆继电器AR、计数器CNT、数据内存（DM）的内容保持内存后备快闪内存：用户程序、只读数据内存（无电池保持）超级电容：读/写数据内存、保持继电器、辅助记忆继电器、计数器（保持20天/环境温度25C）自诊断功能CPU异常（WDT）、内存检查、I/O总线检查程序检查无END指令、程序异常(运行时一直检查)高速计数器1点 单相5KHZAK 或两相2

19、.5KHZ(线性计数器方式) 当前值248（L）、249（H）CH递增模式:065535(16位)、增减模式：-3276732767（16位）1. 3. 3 CPM1A系列PLC内部资源分配 CPM1A系列PLC的继电器和数据分为内部继电器区（IR）、特殊辅助继电器区（SR）、暂存继电器区（HR）、辅助记忆继电器区（AR）、链接继电器区（LR）、定时器/计数器区（TC）和数据存储器区（DM） CPM1A系列PLC内部器件以通道形式进行编号，通道号用二位、三位或四位数表示。一个通道内有16个继电器，一个继电器对应通道中的一位，16个位的序号为0015。所以一个继电器由两部分组成，一部分通道号，另

20、一部分该继电器在通道中的为序号。1、 内部继电器区（IR） 分为两部分一部分为输入/输出继电器区，通道号为000019。另一部分供用户编写程序用的内部辅助继电器区，该区不能对外输出，通道编号200231的32个通道，每个通道16位（点）共512点。 在IR区，某个继电器编号用五位数表示，前三位为通道号，后二位为通道中的为序号。例如：某编号为00105继电器，其中001为通道号，05为位序号。输入继电器编号000009的十个通道。其中000、001用来对主机的输入通道编号。002009用来对主机连接的I/O扩展单元的输入通道编号。输出继电器编号为010019的十个通道。其中010、011为主机输

21、出通道号，012019对主机连接的I/O扩展单元的输出通道编号。注：另外输入输出单元未被利用的通道也可作为内部辅助继电器使用2、 辅助继电器区（SR） SR区有24个通道，主要供系统使用。SR前半部分232251通常以通道为单位使用，其中232249可以作为内部辅助继电器使用，250251只能按功能使用。SR后半部分252255用来存储PLC的工作状态标志。3、 暂存继电器区（HR） CPMIA有编号为TR0TR7共8个暂存继电器，在编写用户程序时，暂存继电器用于暂存复杂梯形图中分支点之前的ON/OFF状态。4、 保持继电器区（HR） 编号为HR00HR19的20个通道，每个通道16位，共32

22、0个继电器。 保持继电器有断电保持功能，使用方法： 1）当以通道为单位用为数据通道时，断电后在恢复供电时数据不会丢失 2）以位为单位与Keep指令配合使用时，或作为自保持电路时，断电后再恢复供电时，该位保持掉电前的状态。5、 辅助记忆继电器区（AR） 该区有AR00AR15的16个通道，具有断电保持功能，用于存储PLC的工作状态。6、 链接继电器区（LR） 共有编号为LR00LR15的16个通道。7、 定时器/计数器区（TC） 共128个定时/计数器，编号范围000127。定时器、计数器又分为两种：普通定时器（TIM）、高速定时器（TIMH）、普通计数器（CNT）和可逆计数器（CNTR）。8、

23、 存储区（DM） 该区共1536个通道，每个通道16位。通道编号用4位数且冠以DM字样，其编号为DM0000DM1023、DM6144DM6655。说明：1）数据存储区只能以通道为单位使用，不能以位为单位使用。 2）DM0000DM0999、DM1022DM1023为程序可读写区。 3）DM1000DM1021用于故障履历存储区，也可作普通数据存储器使用。 4)DM6144DM6599只读存储区。 5）DM6600DM6655称为系统设定区，用来设定各种系统参数。 6）数据存储区DM有掉电保持功能。1. 3. 4 输入输出规格1、 输入单元000009CH。输入阻抗：IN0000000002为

24、2K，其它为4.7 K。输入电压：DC24V+10%、-15%。ON电压：最小 DC14.4V。OFF电压:最大 DC5.0V。ON及OFF响应时间:1128m以下可选,缺省为8 m；IN0000000002作为高速计数器使用时响应时间：200左右的要求；IN0000300006作为中断输入时响应时间为0.3 m以下(从输入ON开始到执行中断处理子程序为止的时间) 输入单元是可以把外部输入设备的信号直接取到PLC内部的继电器，当CPU及输入单元装入时，方有输入继电器的动作。 输入继电器可以作为程序中的接点或通道数据使用。 在程序中继电器号的顺序及常开/常闭接点的使用次数是没有限制的但要注意：请

25、不要对输入继电器的号数使用输出命令。 2、 输出单元010019CH断电器输出型：最大开关能力AC250V/2A DC24V/2A 公共端4A 最小开关能力DC5V、10mA 继电器寿命：电气寿命：阻性负载30万次； 感性负载10万次；机械寿命：2000万次； ON响应时间：15mS以下； OFF响应时间：15 mS以下；晶体管输出型：最大开关能力：24VDC+10% -15% 300 mA； 最小开关能力：10 mA； ON响应时间：0.1 mS以下； OFF响应时间：1 mS以下；输出单元可以把PLC内部程序执行结果送到外部。输出点在程序中，可以作为继电器线圈接点及通道数据使用：在程序中输

26、出继电器的号数使用顺序、常开/常闭接点的使用次数均没有限制。在编程过程中注意不要对同一个输出继电器重复使用两次输出命令。1. 3. 5 CPM1A的基本指令表1.3 基本顺序输入指令指令符号助记符 操作数 功 能操作数、相关标志LDLD 继电器号表示逻辑起始继电器号00000019152000025507HR00001915AR00001515LR00001515TIM/CNT000127TR07（仅能使用于LD指令）LD NOTLD NOT 继电器号表示逻辑反相起始ANDAND 继电器号逻辑与操作AND NOTAND NOT 继电器号逻辑与非操作OROR 继电器号逻辑或操作OR NOTOR

27、NOT 继电器号逻辑或非操作AND LDAND LD 和前面的条件与OR LDOR LD和前面的条件或表1.4 顺序输出指令FUN NO指令符号助记符 操作数 功 能 操作数、相关标志-OUTOUT 继电器号把逻辑运算结果用继电器输出继电器号00000019152000025215HR00001915AR00001515LR00001515TR07（仅能使用于OUT指令）-OUTNOTOUT NOT 继电器号把逻辑运算结果反相用继电器输出-SETSET 继电器号使指定接点ON-RESETRSET 继电器号使指定接点OFF11KEEPKEEP（11） 继电器号使保持继电器动作13上升沿微分DIF

28、U（13） 继电器号在逻辑运算结果上升沿时继电器在一个扫描周期内ON 14下降沿微分DIFD（14） 继电器号在逻辑运算结果下降沿时继电器在一个扫描周期内ON说明：当输入继电器号0000000915在实际中未被使用时，方可在基本输出指令中作为内部继电器使用。特殊辅助继电器232CH249CH只有当其不作为特殊辅助继电器使用时，方可作为内部继电器使用。1、 输出继电器的使用继电器的线圈，使用OUT指令。输出线圈不能直接与母线相连，确有此必要时，请把不用的内部辅助继电器的常闭接点或者特殊辅助继电器25313（常ON接点）作为虚拟接点插入。输出继电器的接点，除了输出驱动实际负载的信号之外，还可在电路

29、上使用它的辅助接点，且这个接点的使用次数没有限制。输出继电器的线圈的后面不能插入接点，接点必须在线圈前面插入。输出线圈可以2个以上并联。表1.5 基本顺序控制指令FUN NO指令符号助记符 操作数 功 能 操作码相关的标志00空操作NOP（00）01结束ENDEND（01）程序结束02联锁ILIL（02）至ILC指令为止的继电器线圈，定时器根据本指令前面的条件OFF的时候OFF03解锁ILCILC（03）表示IL指令范围的结束04跳转JMPJMP（04） 号至JME指令为止的程序由本指令前面的条件决定时否执行号：004905跳转结束JMEJME（05） 号解除跳转指令表1.6 定时器/计数器指

30、令FUN NO 指令符号助记符 操作数功能操作码相关标志定时器TIM 计时器号 设定值接能延时定时器（减算）设定时间0999.9秒（0.1秒为单位）1定时器号、计数器号NOTIM/CNT000127在使用高速定时器指令中作中断处理的定时器请指定TIMH0000032、设定值 000019、200255CHHR0019、LR0015DM00001023.61446655*DM00001023、61446655#00009999（BCD码）计数器CNT 计数器号 设定值减法计数器，设定值099999次12可逆计数器CNTR（12）计时器号 设定值执行加、减算计数，设定值09999次15高速定时器T

31、IMH（15）计时器号 设定值执行高速减算定时，设定时间：099.99秒（0.01秒为单位）1、在同一程序中以上四种指令所使用的计时器号、计数器号000127不能重复。1、 设定值可以是常数，也可以是通道号。当是常数时，必须是BCD码，前面要加#；是通道号时，该通道内的数字也须是BCD码。2、 当计数器、高速计时器、计时器工作（复位时）前，先将设定值送入相应的计数器/计时器内（由程序中的计时器号/计数器号指定）（可逆计数器例外，当可逆计数器复位时，其内的当前值复位为0000），然后根据指令要求进行计数/计时，因而，在复位时，相应的计数器/计时器内有它的当前值，计数器/计时器可作为其它指令的操作

32、数（如LD TIM000等）。3、 当设定值为*DM时，在该DM区域中存放的是设定值的DM地址而非设定值。4、 出错标志位25503， 当设定值不是BCD码时、*DM间接寻址的DM通道不存在时为ON。第 2 章 切 割 系 统 设 计 本章主要介绍基于PLC控制的螺旋焊管切割主体的设计方案。可编程控制器是计算机家族的一员，硬件与软件是计算机组成的两大部分。硬件可比如成躯体，而软件则是灵魂，两者缺一不可。本章主要包含两大节：一、硬件设计：本节中主要介绍硬件电路设计，包含电源控制回路设计，自动点火机构设计，导轨跟踪预热机构设计，行走机构设计，电机励磁电路设计，电磁阀控制设计；二、软件设计：本节主要

33、控制的全过程，包含程序流程图，地址分配，程序。2. 1 系统的整体方案选择 该切管机是采用随动辊刀带动小车跟随钢管同步前进，采用可控硅调速电机带动割炬沿弧形齿条与钢管同步旋转来跟踪预热，然后吹氧切割，采用电子自动点火和定尺开关启动。整机的切割工艺过程主要分为：点火小车前进跟踪预热吹氧切割跟踪返回小车返回六个工步。即由点开关或手动启动按钮发来信号，控制气动点火电路产生电火花，同时打开点火焊炬的氧，乙炔阀产生预热火焰，之后点火火焰熄灭，完成点火工步。接着电磁阀失电使随动靠轮顶上，使小车跟随钢管同步前进，并同时启动调速电机使预热火焰跟踪钢管同步旋转来预热。预热时间到，各级的吹氧阀打开将预热的熔化点吹

34、开，开始切割，并停止跟踪。切割完毕由轨道行程开关或手动停止按钮发出信号控制停止，关闭氧乙炔阀，气缸阀，然后跟踪返回，小车返回。2. 2硬件电路设计 硬件设计包括PLC电源控制回路设计、自动点火机构设计、跟踪预热机构的设计、轨道行走机构的设计、电机励磁机构设计以及电磁阀设计。2. 2. 1电源控制回路设计PLC一般使用220V交流电源供电，也有PLC控制系统使用220V直流电源供电，而本次设计使用交流电。PLC控制系统中，电源回路是电磁干扰最容易进入的通道。因此在设计电源回路时应注意： 1、抗干扰能力强； 2、实现可靠的通断电，保证安全性 3、给下级电路提供合适的电压，保证下级电路以及后面的电路

35、能正常工作，满足正常工作所需要的合理电压，即保证整个系统能工作在正常状态。 其中抗干扰是电源设计应优先考虑的问题，也是整个系统正常工作的前提。各种大功率用电器产生的交流磁场及开关操作产生的浪涌等都是影响PLC正常工作的因素。因此为避免干扰，本次设计中采用分相供电的方式，即PLC供电与用电设备供电分开。原理图如2-1所示： 当总开关Q接通时，当需要供电的时候，按下SON开关（常开开关），线圈K得电，继电器开关K闭合，电路接通，电路得电，打开二级开关，电路就可以输出稳定的电压，电压值大约控制在127V左右，这个值是为以后给直流电机供电预设的值。当需要断电的时候，只需要断开常闭开关SOFF即可。继电

36、器K作用：1）自锁功能，2）控制电源回路功能。图2-1电源回路电气控制原理图2. 2. 2 自动点火机构设计 自动点火机构是利用小号焊炬改制而成,自动点火机构是切管机的重要组成部分。采用火花塞在高压电的作用下产生火花，去点燃小号焊炬的混合气，再用焊炬的长火焰去点燃割炬的混合气，以达到点燃割炬的目的，点燃割炬后，点火机构的火焰熄灭。 要求：点火器能否可靠定时地给火花塞输出高电压，使之产生火花。 电子点火机构的电路图（图2-2）可以可靠的持续的产生高压电火花，当需要点火时，PLC控制输出点火信号，K12闭合，电路通以220V的交流电，交流电通过V24后给储能电容C1充电。触发信号由触发线圈通过R4

37、耦合给V27，以控制V27的导通。导通后电容C1通过V27-地-T3的初级线圈-C1形成回路，开始放电。这一电流在T3的次级线圈中感应出万伏高压脉冲，高压脉冲在火花塞上产生大于击穿电压几倍的高压，其峰值高达几万伏。触发脉冲过后，可控硅截止，完成一个工作过程。其中电路中的V25和V28是正向电流形成元件，去掉负向电流；V24为隔离元件，即防止电容C1放电时电流通过充电线圈而设置的；R3、R5为取样电路，触发脉冲通过R3、R5分压电路，在R5上形成一个脉冲电压信号，这一电压通过耦合电阻R4送给可控硅V27的控制极，控制点火时。 说明：在电压的负半周期里，由于电路中并联了一个单向导通二极管V24，所

38、以在负半周期，电流经过V25回路，而不经过后面的触发电路，所以该电路的打火频率是50HZ，而不是100HZ。图2-2电子点火电路电路图2. 2. 3 导轨跟踪预热机构与设计 在钢管生产过程中，钢管绕自身中心线旋转，因此可以在钢管的某个截面圆以外找到无数个该截面圆的同心圆，如果能保证某个同心圆上的一点与钢管截面原上的一点以同样的角速度旋转，则这两点的相对位置保持不变。 将同心圆固定在随动机构的小车上，则该两点的相对位置在X轴方向上也保持不变。根据同心圆原理，我们设计跟踪机构。该机构以钢管的同心圆为导轨，以与钢管相同的角速度在导轨上行走，即绕钢管中心线旋转。当把该机构座落随动小车上时，则该机构也要

39、与钢管同步前进。从而该机构上的任一点的轨迹都是螺旋线，螺旋线与钢管外圆的任一条螺旋线的导程、升角都相等。 根据以上的假设和原理，我们设计一个圆形导轨，圆的半径为最大钢管的半径。在导轨上设计一个滑架，通过齿轮、齿条传动，在调速电机的驱动下，滑架在导轨上行走。调整电机的转速使滑架与所切的钢管保持等角速度旋转，导轨和滑架通过立柱安装在随动小车上，随小车一起与钢管保持同步前进，由于钢管保持同步旋转。故装在滑架上的割炬就能保持与钢管上的某一点同步，从而达到定点跟踪予热的目的。 如图2-3示，该跟踪预热机构的电路图共包含两部分：一、由V6单结晶体管、电容C3、T3脉冲变压器组成触发电路；二、由晶闸管V14

40、、V15及晶体管V12、V13。220V交流电经过多抽头变压器，其中一个抽头输出24V交流电经整流桥整流后，经电阻R6分压，1N5245稳压管将电压稳定在+15V，这一电压用于对触发电路供电。另外稳压二极管两端的电压则是一个梯形周期波形，可近似看成是对全波整流波形进行了削波，并且稳压管在交流电压的每一个半周期内，使晶闸管接受的第一个触发脉冲也是在同一相位角（即移相角）处出现，即触发脉冲与主电路的交流电压同步，这个同步性是由触发电路的交流侧与主电路的交流侧共用同一电源来保证的。在触发电路部分，虽然在每一个梯形波之内可能有多个脉冲出现，但是只有第一个脉冲才可能对晶闸管起到触发导通的作用，其后的脉冲

41、有也无妨，既不影响导通，也不影响关断。该单结晶体管触发电路是开环控制的，所谓开环控制，是指电路中没有关于负载方面的电压（或电流、速度、温度）等物理量的反馈环节，不能实现对负载方面进行自动稳压（或稳流、稳速、恒温）等控制。 驱动电路部分，110V交流电不能直接使用，因为我们要控制的是直流电机的工作，所以要经过整流得到直流电。本设计中使用的是单相半控整流桥，在整流以后，电压变成直流电压。在触发电路部分，+15V电压通过电阻R7和RP给电容充电，当电压升高到晶体管正向导通电压的时候，晶体管导通，电容瞬间放电，T3为脉冲变压器，为下面的晶闸管提供触发电压，同时起到控制回路和主回路的隔离作用。T3的感应

42、电动势方向突然改变，产生一个很大的感生电动势，通过整流桥加到晶闸管的门极上，门极受到一个较大的触发电压的作用，瞬间导通，晶闸管导通后，通过PLC对继电器开关K6和K8的控制，实现电机的正转和反转，从而达到跟踪电机跟踪和返回的目的。图中滑动变阻器RP可调节锯齿波的斜率，当增大RP时电容的充电时间增大，锯齿波的斜率降低，触发角增大。输出脉冲是通过脉冲变压器T3输出的。在变压器原边并联的二极管V7起续流作用，以防止在单结晶体管截止时，变压器绕组产生的自感电动势对管子的危害。由于晶闸管的控制极与阴极间允许施加的反向电压值很小，所以在变压器副边串联二极管V8、V10，它只将正脉冲电压引至晶闸管的控制极。

43、如果变压器副边绕组输出负脉冲电压时，V8、V10截止，而并联的二极管V9、V11却可以使控制极与阴极短路，防止晶闸管的控制极与阴极反向击穿。图2-3跟踪电机及其触发电路电器控制原理图2. 2. 4 轨道行走电机设计 行走机构是用来使切管机在切断一根钢管后自动返回原地待命的机构，它的结构特点是：在小车走上安装带有电磁离合器的减速机，在每切完一根钢管后，装载随动小车上的电机启动，经过减速机，离合器使小车轴旋转，带动这个设备返回原始位置，等待下次切割。该机构的特点是体积小，重量轻，结构简单，动作可靠，维护方便，是该机实现自动化不可缺少的部分。电机电气设计如图2-4，由于轨道电机只要求其进行单向运动，

44、所以轨道电机的电路控制相对比较简单。110V交流电压经过整流桥整流后变为直流电,同时C4起到滤波作用，直流电机M2为串电阻启动，当电路接通后线圈得电，延时常开触点延时到直流电机启动后闭合，电阻R6被短路，从而电机启动，时间继电器型号为：JS-10，额定电流交流110V，延时为10s，延时闭合触点参数：电压交流220V，持续接通电流为1A。 图2-4 轨道电机电源2. 2. 5 电机励磁电路设计 直流电机在工作时候需要进行励磁才可以启动，本设计选用的是他励直流电动机，所以设计以上的励磁电路对电动机进行励磁，本电路经过一个整流桥对电路进行整流后对线圈进行通电，然后对电动机的线圈进行励磁，提供励磁使

45、电动机能进行正常的启动。励磁电路如图2-5，图2-5 电机励磁电路2. 2. 6 电磁阀控制设计 电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。 电磁阀的工作原理：电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控

46、制了机械运动。实际上，根据流过介质的温度，压力等情况，比如管道有压力和自流状态无压力，电磁阀的工作原理是不同的。 比如在自流状态下需要零压启动的，就是通电后，线圈整个把闸体吸起来。 而有压力状态的电磁阀，则是线圈通电后吸出插在闸体上的一个销子，用流体自身的压力把闸体顶起来。 这两种方式的不同之处是，自流状态的电磁阀，因为线圈要吸起整个闸体，所以体积较大，而带压状态的电磁阀，只需要吸起销子，所以体积可以做的比较小。电磁阀在跟踪电机与钢管同步的过程中起到了重要的作用，气缸的驱动方式有液压、气压等多种控制方式，但是液压控制是比较慢的，在本设计中，要求气缸的动作迅速而准确，因此气压控制的方式在本设计中

47、是合理的，起工作方式是，当控制信号即电流通过线圈时，线圈得电，然后继电器开关在磁力的作用下吸合通电导通，然后电磁阀打开，高压气体漏出，推动气缸把跟踪刀具顶到钢管上，达到同步跟踪的目的，实现跟踪预热。图2-6 电磁阀电路 2. 3 软件设计 PLC作为计算机家族中的一员，除具备一定的硬件基础外，还应软件给它提供支持。在PLC出厂之前，厂方已经在PLC内部固化好了必要程序，即系统程序。它主要用于PLC的监测与编译。而本节要介绍的是由用户根据需要所编写的程序，即应用程序。本节主要包含编写程序所必要的流程，程序流程图、地址分配及主程序。2. 3. 1 程序流程图开机复位有无定尺信号预热点火起动气缸起动

48、跟踪起动跟踪返回小车返回图2.7程序设计流程图2. 3. 2 PLC输入输出图及地址分配欧姆龙公司生产的CPM1A系列PLC是欧姆龙生产的一类小型整体式PLC。它具有结构紧凑，功能强，较高的性价比，因此在小规模控制中获得广泛应用。本设计采用19路输入和13路输出控制端子，对整个的供电、跟踪、点火、返回、气缸启动、电磁阀通断过程进行控制，保证系统的正常工作，完成所需要完成的生产任务，提高生产效率，达到更高的经济效益。其输入、输出如图2-8所示。 图2-8 PLC输入输出图19路输入即PLC入口地址分配如下：00000 SA1 自动00001SA1 手动00002 SB1 点火手动按钮00003S

49、B2 气缸手动按钮00004SB3 跟踪启动按钮00005SB4 吹氧启动按钮00006SB5 跟踪返回按钮00007 SB6 小车返回按钮00008K7 定尺信号00009SQ3 跟踪限位开关00100SA4 小车返回信号00101SQ4 小车返回限位开关00102STP 停止按钮00103SB7 备用00104 SA3 备用00107SA2 励磁开关00108SQ2 跟踪返回限位开关13路输出量即PLC出口地址分配如下：01000K1 点火氧、乙炔阀继电器01001K2 予热乙炔阀继电器01002K3 气缸阀继电器01003K4 吹氧阀继电器01004K5 予热氧气阀继电器01007K8

50、跟踪返回继电器01008K9 跟踪电机给定继电器01009K10 小车返回继电器01010K11 励磁继电器01011K12 点火线圈继电器01012 HR1 定尺信号指示2. 3. 3 程序跟踪复位LD 00000 AND 00107 ；励磁开关 SA2 AND 00108 ；跟踪返回限位开关 SQ2AND NOT 00302 ；自动复位信号OUT 00300 ；跟踪复位信号小车复位LD 00000 AND 00107 ；励磁线圈AND NOT 00108 ；跟踪返回限位开关 SQ2AND 00101 ；小车返回限位开关 SQ3AND NOT 00302 ；自动复位信号OUT 00301 ；

51、小车复位信号自动复位LD 00000 AND NOT 00108 ；跟踪返回限位开关 SQ2AND NOT 00101 ；小车返回限位开关 SQ3 OR 00302 ；自动复位信号OUT 00302自动停复位LD 00000 AND NOT 00102OR 00303 ；自动停复位信号LD 00108 ；跟踪返回限位开关 SQ2AND LD OUT 00303LD 00303TIM 000 # 0005定尺信号指示LD 00008 ；定尺信号OR 00201 ；点火启动信号OR 00202 ；预热启动信号OUT 01012 ；定尺指示 HR1定尺信号防抖延时LD 00207 ；小车返回信号 O

52、R NOT 00101 ；小车返回限位开关 SQ3TIM 001 # 0990LD TIM001TIM 002 # 0990LD TIM002TIM 003 # 0990点火启动LD 00102 ； 停止按钮 STPAND 00002 ；点火手动按钮 SB1AND 00000OR 00002AND 00001OR 00302 ；自动复位信号OR NOT 00008 ；定尺信号OR 00302OR 00201 ；点火启动AND NOT 00206 ；定尺返回信号OUT 00201点火阀开启LD 00201 ；定尺返回信号OUT 01000 ；点火氧、乙炔阀继电器 K1LD 00201 ；点火阀开启时间TIM 004 # 0010点火线圈 LD TIM004OUT 01011 ；点火线圈继电器 K12预热启动LD 00102 ；停止按钮 STPAND TIM004 ；点火阀开启时间OR 00202 ；预热启动信号AND NOT 00206