锯石机控制系统设计

摘　要：

摘　要：本文根据锯石机的生产实践要求，将可编程控制器与变频器进行组合，以期提高锯石机自动化工作水平，从而促进石材加工企业尤其是锯石机生产企业的生产效益。经过在石材加工企业安装并运行一段时间后发现该企业的生产能力，石材的加工质量都得到了很大水平的提高。笔者对该设计系统的研发背景、基本原理，以及应用过程中需要注意的问题进行了简要的介绍，希望能帮助各石材加工企业进行设备的进一步的改造与升级。

关键词：

关键词：锯石机　可编程控制器　控制系统

 1　研究背景

　　随着我国城市化建设的不断推进，石材在城镇化建设中的使用比例越来越高。特别是消费者审美标准的日益提高，现行的石材加工设备的加工质量差强人意。从宏观来看，国家环保部门对石材加工企业的制造污染指标方面提出了更高的执行标准，从而应对雾霾，节能减排实现可持续发展。所以石材加工企业，需要具有一定自动化水平的石材加工器材，特别是对锯石机的市场需求极为强烈。

　　锯石机的研发有着很长的一段历程，在新中国建立初期，我们的科研人员通过不懈的努力，终于研发出我国的第一颗人造钻石，为石材加工奠定了基础。由于当时的政治、经济、环境等原因，这一发现并没有得到大范围的推广和利用。直到改革开放以后，我国坚持以经济建设为中心，大力重视对能源和矿产的开发，，大力推进城市化进程，造成了天然石材的需求量不断升高。为了缓解这一技术方面的难点，石材加工企业起初成套进购西方发达国家的石材加工设备。这在一定程度上，缓解了石材加工企业的设备压力，但并未从根源上解决这一问题。后期我国派出大量的技术人员赴国外的发达国家进行学习，经过一段时间的培育，我国石材加工设备的生产企业能够自主研发出大量的具有国际领先水平的石材加工设备在满足国内需求的同时，还可以出口创汇。

　　传统的石材加工设备多采用国产的锯石机，但由于研发水平的限制，该设备依然采用的是机械行程开关设计，可靠性比较低，后期的维护成本比较高，生产效率无法满足人们对石材的数量和质量要求。因此，大力提高锯石机的自动化水平并设计一套自动化控制系统，从而提高石材加工的精度与效率并减少一系列的污染显得极为紧迫尤其是随着中国进入老龄化社会步伐的加快，企业每年都会出现“用工荒”的现实问题，招工难度有增无减，加之工人尤其是具有一定专业水平的技术工人的工资年年升高，不断增大石材加工企业的用工成本。然而，20世纪80年代以来，计算机的普及与应用掀起了人类历史上的第三次科技革命。如何将先进的计算机的自动化水平应用到石材加工企业中，特别是石材加工的主要设备，锯石机是一个具有时代意义的研发课题。

　　2　国内锯石机发展现状

　　伴随着我国石材行业的快速发展, 石材生产企业对石材加工机械提出了更高的要求, 在充分借鉴和吸收国内外同类产品优点的基础上, 许多石材机械生产企业，自主研制了一种全自动大径圆盘锯石机, 根据实用比对，这种全自动的大径圆盘锯石机具有可加工荒料规格较大、自动化程度比较高、生产效率比较高、切割板材质比较好等优点。美中不足的是，国产圆盘锯的锯片直径一般比较小, 所以不能切割大规格板材,而且自动化程度目前来看还处于一个比较低的水平。虽然在切割质量方面，进口圆盘式锯石机质量比较高一些, 但锯石机的销售价格普遍比较昂贵，根据目前国内市场上圆盘锯石机的销售调查，可大致将其分为多片式圆盘锯石机和单片式圆锯石机。

　　多片式圆盘锯石机是目前来说，生产效率比较高的一种锯石机。它的最大安装直径可以达到1200mm的金刚石圆锯片, 这种多片式的圆盘锯石机主要用于生产400mm石材板材。这种多片式圆盘锯石机可安装锯片一般设计为30多片, 为了实际加工生产的需要，最多安装的刀片数可以达到50片。这种多片式圆盘锯石机在生产小规格板材中发挥了优势,由于锯片直径比较小的缘故，该锯石机型在大石板生产过程中在却受到了限制, 严重的影响了它的推广与使用速度，所以发展略显缓慢。与多片式圆盘锯石机相比较，单片式圆盘锯石机是目前国内各家板材加工厂家普遍采用一种锯石机, 这种单片式锯石机大致可分为单臂式圆盘锯石机以及双柱圆盘锯石机和四柱圆盘锯石机。另外，还有一些国内比较大的锯石机生产企业，通过技术研发与技术创新设计出了双型导轨与双燕尾导轨结合的高精密大圆锯石机，这种锯石机主要由横梁系统、内框架结构、外框架结构及主轴系统、台车系统和电控柜组成，具有很大的切割灵活性而且结构布局比较合理，强度较高，抗压能力比较强，不易变形，尤其是这种型号的锯石机从内到外，其框架都直接采取了刚性的连接方式，所以在实际运行过程中，具有了非常好的稳定性能。

　　但从目前的调查发现，国内的锯石机发展和西方发达国家相比，还有很大的一段距离。主要表现在锯石机的操作还停留在人工操作，产品无法借助先进的计算机操作平台来实现自动化的生产。因此，通过从市场的实际需求出发，结合目前的国内锯石机的操作流程与操作特点，设计一套操作系统对于提高锯石机工作效率与锯石机生产企业的市场竞争力具有非常重要的意义。 

　　3　锯石机控制系统介绍

3.1　锯石机控制系统的硬件组成    

　　该控制系统主要是由人机界面、电气控制装置、动力执行装置和状态检测装置等四大部分组成，其中人机界面有两个基本元件：文本显示器和按钮；电气控制装置由交流接触器和变频器组成；动力执行装置由刀盘电动机、左右走刀电动机、上下升降电动机、台车电动机组成；状态检测装置由限位开关和测速传感器组成。具体来说，刀盘电动机的功能是驱动刀盘来进行旋转，由于它需要消耗的功率比较大，所以，在该控制系统中我们选用的是30kW的电动机；其它电动机根据工作职能的不同，搭配了不同功率的电动机。例如，走刀电动机我们选用了1.5kW，从而使刀盘可以左右运动，实现水平方向的切割；升降电动机我们选用了1.5kW，通过减速机驱动刀盘来进行上下运动，实现吃刀量进给；台车电动机我们选用了1.5kW，来进行驱动石料前后运动。实现自动定尺，完成换页切割。

　　3.2　锯石机控制系统的控制要求 

　　3.2.1　该锯石机控制系统要有两种控制方式

　　根据具体需求不同，启用不同的控制方式。例如，在需要对锯石机进行设备的调试和检修时，需要启动手动控制模式；在需要自动切割石材时，我们则启用自动模式，从而提高切割的精度与效率，更主要的是增加操作的安全系数。

　　3.2.2　该锯石机控制系统要具备自动检测和报警功能

　　例如，在石材切割过程中，一旦出现故障，锯石机应该立即停止自动工作，并发出报警信号提醒系统操作人员来进行检修。另外，切割的首刀和中间刀以及最后的尾刀要可以根据石材加工的程度来进行分布的设定，一旦切割任务完成要发出结束信号，提醒工人来进行原材料的补充。

　　3.2.3　切割锯路的设计要求

　　例如，在进行首刀切割时，走刀电机要以低速（变频器频率通常设定30 Hz ）运行；在进行第二刀切割时，走刀电机的速度要比首刀切割时的速度稍高（变频器频率通常设定40Hz ）。首刀走刀和第二刀走刀应该按照石材的实际长度再加上20cm长度来运行，切割至石材边缘时，升降电机要输入一个切割量，左右走刀电机应该按设定的延时时间来完成返回切割。  

　　3.2.4　正常切割阶段要求

　　锯石机在第二刀切割完成后，刀盘在下降一个进给量的同时，走刀电机要返回运行，切割至石材的边缘，并且当检测到是处于空载电流状态时，刀盘要开始下降一个进给量，并且经过预先设定的延时时间后，走刀电机要返回运行，当切割至石材另一边缘时，再次检测到空载电流状态时，刀盘又下降一个进给量，又经过预先设定的延时时间后走刀电机返回运行，如此循环往复实现对加工石材的左右切割，直至升降电机控制的滑板碰到下限位的行程开关。值得注意的是，在切割过程中，如果刀盘电机电流高于设定的上限电流，该控制系统应该立即中断所有输出，避免因电流过大，导致电机损毁，从而保护电机的正常工作。  

　　4　锯石机控制系统的设计  

　　4.1　可编程控制器的选择 

　　在这一控制系统系统的组成中，可编程控制器的选择尤为重要，因为它直接关系着操作命令执行的稳定性，系统的稳定性直接影响着锯石机的工作状态。所以经过多方面的参考与比对并结合国产锯石机的技术特点以及对数据输出稳定性的要求，我们最终选用的是德国西门子公司生产的可编程控制器。该编程控制器总共包含30个点数，其中18个是输入点、12个是继电器型输出点。另外还有1个RS-232通讯/编程口，一个RS-485通讯/编程口。在本系统中可编程控制器通过控制变频器的多段速和外部端子方式与变频器进行直接通讯；通过RS-232串行口与文本显示器来完成人机界面的数据通讯。西门子公司推出KGL-WC编程软件，提供了一个完整的中文编程环境，可以进行离线编程、在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表之间的互相转换，具有很强的可操作性。  

　　4.2　变频器的选择