一种金属捆扎机自动控制系统及控制方法与流程

本发明涉及金属捆扎机技术领域，尤其涉及一种采用电气自动控制与气动控制相结合的金属捆扎机综合自动控制系统及控制方法。

背景技术：

全自动金属捆扎机是现代钢铁生产企业连轧包装线上的重要设备，其性能优劣直接影响到包装质量，多年来大型钢铁企业捆扎机市场一直被欧美等国家公司长期占据。我国的捆扎生产线整体包装质量不高，很多企业仍在使用半自动或人工打包设备，其电气控制部分多是采用继电器触点的吸合来实现的，存在着故障率高、维护量大等缺陷，生产效率偏低，劳动力资源浪费，包装控制精度不高，其捆扎自动化程度也远不能满足现代化生产工艺的需要。

气动传动具有元件结构简单、制造容易、动作迅速、维护简单、管路不易堵塞、对工作环境适应性好等优点，特别是在恶劣环境中工作时，更能体现其安全性和可靠性。为了解决包装控制精度和生产效率不能兼顾的技术难题，实现捆扎过程全自动控制，把气动与电气自动综合控制新技术方案应用在捆扎机势在必行。

技术实现要素：

本发明提供了一种金属捆扎机自动控制系统及控制方法，创造性地将气动与电气自动综合控制新技术应用于金属自动捆扎机，实现动作过程快速切换控制；采用PLC程序和继电器逻辑组合控制、交流变频控制，实现送带、抓紧、收带、收紧、咬扣、切断等全过程自动控制；先进的智能检测技术和人机交互界面，可实现动作过程实时监控和高效自动捆扎包装，大大提高了金属捆扎机的自动化程度及使用性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种金属捆扎机自动控制系统，所述金属捆扎机为钢带捆扎机，其机械系统由沿钢带输送路径设置的带分配器、导正装置、校平机、移动机架、捆扎机机头和导槽组成；该金属捆扎机的控制系统包括电气控制系统和气动控制系统，其中电气控制系统由主控制器及分别与主控制器相连的触摸屏、信号检测单元、速度控制单元、气动控制单元和紧急停止 单元组成，速度控制单元另外通过变频器和变频电机连接移动机架控制端；气动控制系统包括空压站、空压机和气动阀台，空压机和气动阀台中各个气动阀的控制端分别连接气动控制单元，空压站通过气动管路和对应的气动阀连接捆扎机机头中的气动马达及二合一气缸，气动管路上设主气阀；捆扎机机头包括气动马达、送带轮、二合一气缸及咬扣单元，其中送带轮由气动马达通过变速箱驱动，咬扣单元由二合一气缸驱动；捆扎机机头处设有多个限位开关，限位开关的输出端分别连接信号检测单元。

所述气动马达设有A、B、H、L 4个气源控制接口，其中A、B气源接口用于气动马达换向控制，H、L气源控制接口用于气动马达高速或低速转动控制。

所述二合一气缸是由相连的大气缸和小气缸组成的整体结构，大气缸的两侧均为有杆腔，小气缸一侧为有杆腔，另一侧为无杆腔；大气缸的上侧缸杆与连杆的一端铰接，连杆的另一端与咬扣单元的尾部铰接，连杆中部与摆杆的一端铰接，摆杆的另一端为固定端；大气缸下侧缸杆与小气缸的缸杆连接；咬扣单元下方设送带限位开关，沿大气缸缸杆伸出方向位次设有限位开关一、限位开关二和限位开关三，各个限位开关分别连接信号检测单元。

所述导槽底部设移动导槽和步进梁，移动导槽可随步进梁移动并可与导槽配合组成整体的C形导槽结构，C形导槽结构的开口侧朝向咬扣单元。

所述主控制器为西门子CPU315-2DP型PLC，触摸屏为西门子触摸屏，变频器为MM440变频器，主控制器通过Profibus-DP网络与触摸屏通讯连接。

基于一种金属捆扎机自动控制系统的控制方法，包括如下步骤：

1)通过触摸屏设定所需工艺参数；捆扎用的钢带通过带分配器引出，经导正装置导正、校平机校平后到达移动机架，速度控制单元通过变频器和变频电机控制移动机架移动，将钢带送到送带轮处，与送带轮对应设置的压带轮将钢带压紧；送带轮的转动方向和速度由气动马达通过变速箱控制；

2)主控制器发送捆扎开始信号，步进梁带动移动导槽向导槽处移动组成C形导槽结构，并将移动导槽上的被捆扎物送到C形导槽结构内就位，开始捆扎；

3)主控制器通过PLC程序和继电器逻辑组合控制方式控制气源控制接口A和H对应的电磁阀启动，气动马达正向高速转动，通过送带轮将钢带穿过校直器和咬扣单元后送入C形导槽结构内，钢带沿C形导槽结构移动，围绕被捆扎物一周后重新进入咬扣单元；送带限位开关检测到钢带带头后，启动计时器，同时主控制器通过继电器控制气源控制接口 B和L对应的电磁阀启动，气动马达保持正向转动，进入气动马达的压缩空气流量减小，系统由高速送带状态转入低速送带状态；在咬扣单元中，钢带带头与后面的钢带重叠在一起，重叠部分的长度通过计时器控制，重叠部分长度达到设定长度后气动马达停止供气，系统停止送带；

4)二合一气缸中的大气缸两侧有杆腔均排空，小气缸无杆腔进气，小气缸缸杆推动大气缸活塞向上移动，大气缸上侧缸杆带动咬扣单元中的咬爪进入抓紧位置，同时触动限位开关二，通过主控制器控制咬爪抓住被捆扎物外侧的钢带，贴近移动切刀；

5)主控制器通过PLC程序和继电器逻辑组合控制方式控制气源控制接口B和H对应的电磁阀启动，气动马达反向高速转动，通过送带轮和压带轮将钢带向后拉动并绕紧在被捆扎物外侧实现高速收带；经过设定的高速收带时间后，主控制器通过继电器控制气源控制接口A和L对应的电磁阀启动，气动马达保持反向转动，同时进入气动马达的压缩空气流量减小，系统由高速收带转为低速收紧；达到设定的拉紧力后，气动马达内的气压保持不变，保证在钢带切断之间的拉紧力；

6)二合一气缸中大气缸的下侧有杆腔进气，大气缸活塞继续向上移动，大气缸缸杆控制咬扣单元的咬爪牢固地抓住钢带和封扣，咬爪和压模配合完成做扣，移动切刀推出剪断钢带；大气缸上侧缸杆触动限位开关三后移动切刀停止动作，回到原位；

7)二合一气缸中大气缸的上侧有杆腔进气，大气缸活塞下移，大气缸上侧缸杆触动限位开关一时，气动马达停止供气；大气缸活塞和小气缸活塞继续下移返回零位，咬扣单元中的咬爪和咬模也回到原始位置；至此完成一次捆扎过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明集成高新数控技术、交流变频技术、智能检测技术和人机交互技术，创新采用气动与电气自动综合控制新技术、PLC(可编程控制器)程序和继电器逻辑组合控制新技术，应用于捆扎包装行业，实现实时监控和高效自动捆扎；

2)本发明打破了国外公司对国内全自动金属捆扎机长期的技术垄断，填补了国内全自动捆扎机在气动与电气自动综合控制新技术研发上的空白，解决了国内传统捆扎机普遍存在的包装控制精度和效率不能兼顾的难题，适合在钢铁、金属制造、板材加工、物流等捆扎包装行业推广和应用，具有极大的市场开发前景。

附图说明

图1是本发明所述金属捆扎机自动控制系统的结构示意图。

图2a是本发明所述气动马达控制气源连接示意图一。(正向高速)

图2b是本发明所述气动马达控制气源连接示意图二。(正向低速)

图2c是本发明所述气动马达控制气源连接示意图三。(反向高速)

图2d是本发明所述气动马达控制气源连接示意图四。(反向低速)

图3a是本发明所述系统高速送带时的控制原理框图。

图3b是本发明所述系统低速送带时的控制原理框图。

图3c是本发明所述系统高速收带时的控制原理框图。

图3d是本发明所述系统低速收紧时的控制原理框图。

图4a是本发明所述二合一气缸动作示意图一。(大气缸及小气缸活塞均处于零位)

图4b是本发明所述二合一气缸动作示意图二。(大气缸缸杆推出时触发限位开关二)

图4c是本发明所述二合一气缸动作示意图三。(大气缸缸杆推出时触发限位开关三)

图4d是本发明所述二合一气缸动作示意图四。(大气缸缸杆收回时触发限位开关一)

图中：1.带分配器 2.导正装置 3.校平机 4.移动机架 5.捆扎机机头 51.气动马达 52.送带轮 53.限位开关 531.限位开关一 532.限位开关二 533.限位开关三 534.送带限位开关 54.二合一气缸 55.咬扣单元 56.压带轮 57.校直器 6.导槽 7.移动导槽 8.步进梁 9.气动控制系统 91.空压站 92.空压机 93.主气阀 94.气动阀台 10.电气控制系统 101.主控制器 102.信号检测单元 103.速度控制单元 104.气动控制单元 105.变频器 106.触摸屏 107.紧急停止控制系统 11.变频电机 12.被捆扎物

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，一种金属捆扎机自动控制系统，所述金属捆扎机为钢带捆扎机，其机械系统由沿钢带输送路径设置的带分配器1、导正装置2、校平机3、移动机架4、捆扎机机头5和导槽6组成；该金属捆扎机的控制系统包括电气控制系统10和气动控制系统9，其中电气控制系统10由主控制器101及分别与主控制器101相连的触摸屏106、信号检测单元102、速度控制单元103、气动控制单元104和紧急停止单元107组成，速度控制单元103另外通过变频器105和变频电机11连接移动机架4控制端；气动控制系统9包括空压站91、空压机92和气动阀台94，空压机92和气动阀台94中各个气动阀的控制端分别连接气动控制单元104，空压站91通过气动管路和对应的气动阀连接捆扎机机头5中的气动马达51及二合一气缸54，气动管路上设主气阀93；捆扎机机头5包括气动马达 51、送带轮52、二合一气缸54及咬扣单元55，其中送带轮52由气动马达51通过变速箱驱动，咬扣单元55由二合一气缸54驱动；捆扎机机头5处设有多个限位开关53，限位开关53的输出端分别连接信号检测单元102。

所述气动马达51设有A、B、H、L 4个气源控制接口，其中A、B气源接口用于气动马达51换向控制，H、L气源控制接口用于气动马达51高速或低速转动控制。

所述二合一气缸54是由相连的大气缸和小气缸组成的整体结构，大气缸的两侧均为有杆腔，小气缸一侧为有杆腔，另一侧为无杆腔；大气缸的上侧缸杆与连杆的一端铰接，连杆的另一端与咬扣单元的尾部铰接，连杆中部与摆杆的一端铰接，摆杆的另一端为固定端；大气缸下侧缸杆与小气缸的缸杆连接；咬扣单元55下方设送带限位开关534，沿大气缸缸杆伸出方向位次设有限位开关一531、限位开关二532和限位开关三533，各个限位开关分别连接信号检测单元102。

所述导槽6底部设移动导槽7和步进梁8，移动导槽7可随步进梁8移动并可与导槽6配合组成整体的C形导槽结构，C形导槽结构的开口侧朝向咬扣单元55。

所述主控制器101为西门子CPU315-2DP型PLC，触摸屏106为西门子触摸屏，变频器105为MM440变频器，主控制器101通过Profibus-DP网络与触摸屏106通讯连接。

基于一种金属捆扎机自动控制系统的控制方法，包括如下步骤：

1)通过触摸屏106设定所需工艺参数；捆扎用的钢带通过带分配器1引出，经导正装置2导正、校平机3校平后到达移动机架4，速度控制单元103通过变频器105和变频电机11控制移动机架4移动，将钢带送到送带轮52处，与送带轮52对应设置的压带轮56将钢带压紧；送带轮52的转动方向和速度由气动马达51通过变速箱控制；

2)主控制器101发送捆扎开始信号，步进梁8带动移动导槽7向导槽6处移动组成C形导槽结构，并将移动导槽7上的被捆扎物12送到C形导槽结构内就位，开始捆扎；

3)主控制器101通过PLC程序和继电器逻辑组合控制方式控制气源控制接口A和H对应的电磁阀启动，气动马达51正向高速转动，通过送带轮52将钢带穿过校直器57和咬扣单元55后送入C形导槽结构内，钢带沿C形导槽结构移动，围绕被捆扎物12一周后重新进入咬扣单元55；送带限位开关534检测到钢带带头后，启动计时器，同时主控制器101通过继电器控制气源控制接口B和L对应的电磁阀启动，气动马达51保持正向转动，进入气动马达51的压缩空气流量减小，系统由高速送带状态转入低速送带状态；在咬扣单元55中，钢带带头与后面的钢带重叠在一起，重叠部分的长度通过计时器控制， 重叠部分长度达到设定长度后气动马达51停止供气，系统停止送带；

4)二合一气缸54中的大气缸两侧有杆腔均排空，小气缸无杆腔进气，小气缸缸杆推动大气缸活塞向上移动，大气缸上侧缸杆带动咬扣单元55中的咬爪进入抓紧位置，同时触动限位开关二532，通过主控制器101控制咬爪抓住被捆扎物12外侧的钢带，贴近移动切刀；(如图4b所示)

5)主控制器101通过PLC程序和继电器逻辑组合控制方式控制气源控制接口B和H对应的电磁阀启动，气动马达51反向高速转动，通过送带轮52和压带轮56将钢带向后拉动并绕紧在被捆扎物12外侧实现高速收带；经过设定的高速收带时间后，主控制器101通过继电器控制气源控制接口A和L对应的电磁阀启动，气动马达51保持反向转动，同时进入气动马达51的压缩空气流量减小，系统由高速收带转为低速收紧；达到设定的拉紧力后，气动马达51内的气压保持不变，保证在钢带切断之间的拉紧力；

6)二合一气缸54中大气缸的下侧有杆腔进气，大气缸活塞继续向上移动，大气缸缸杆控制咬扣单元55的咬爪牢固地抓住钢带和封扣，咬爪和压模配合完成做扣，移动切刀推出剪断钢带；大气缸上侧缸杆触动限位开关三533后移动切刀停止动作，回到原位；(如图4c所示)

7)二合一气缸54中大气缸的上侧有杆腔进气，大气缸活塞下移，大气缸上侧缸杆触动限位开关一531时(如图4d所示)，气动马达51停止供气；大气缸活塞和小气缸活塞继续下移返回到零位(如图4a所示)，咬扣单元55中的咬爪和咬模也回到原始位置；至此完成一次捆扎过程。

本发明所述金属捆扎机在生产状态下使用时，首先在控制界面中选择“自动”模式，通过触摸屏106设置所需工艺参数，按下“捆扎启动”按钮，进入自动捆扎生产流程。具体工艺流程如下：移动机架4快速前进→慢速前进→钢带送到位→发送捆扎信号→移动导槽7前进到位→高速送带→低速送带→钢带绕被捆扎物12一周后重叠→咬爪抓紧带头→高速收带→低速收带并收紧→移动导槽7返回→剪切咬扣→咬爪返回→剔扣→捆扎结束，完成一个工作循环。

本发明所述电气控制系统10是整个金属捆扎机自动控制系统的核心，通过网络通讯控制，采用PLC程序和继电器逻辑组合控制新技术、气动与电气自动综合控制新技术，实现移动机架4的调速运行和主控制器101对气动控制系统9的逻辑组合控制，进而控制捆 扎机机头5动作，完成送带、收带、收紧、咬扣和切断等功能，并实现动作过程实时监控和高效自动捆扎。

本发明所述气动控制系统9主要用于控制捆扎机机头5动作，采用钢带捆扎各种产品，在主控制器101控制下执行送带、收带、收紧、咬扣和切断等动作，其各部分功能如下：

气动马达51：用于驱动变速箱传动，进而驱动送带轮52。本发明中以气动马达51正转时送带为例，反转时为收带。送带轮52在高速送带和高送收带时是高速旋转的，在低速送带和低速收紧时是慢速旋转的。低速收紧可产生较大的拉紧力，钢带收紧力是靠控制气动马达51的气压来调节的。

送带轮52和压带轮56：直接接触并带动钢带移动，主要完成送带，收带和收紧动作。

校直器57：用于校直钢带，使钢带能够顺利地被输送。

二合一气缸54：用于实现抓紧、咬扣和切断三个动作。二合一气缸54的小气缸固定在大气缸里面，用来抓住钢带头部；二合一气缸54中的大气缸可移动咬扣单元55中的咬爪，咬住钢带完成做扣和切断钢带动作，小气缸起辅助作用，能够使动作更加准确可靠。在捆扎机机头5中还设有另外2个气缸，一个用于控制捆扎机机头5与导槽6之间的移动门，门气缸固定在门后面，送带时关闭门，使钢带进入咬扣单元55；收带前打开门，使钢带可以送出；另一个气缸用于将封扣弹入咬扣机构。

咬扣单元55：包含一个固定刀片和一个移动刀片，两个刀片配合实现钢带剪断动作；咬扣单元55中的咬爪用于咬住钢带，咬模用于做扣。咬扣单元55是金属捆扎机的常规结构，在此不加赘述。

本发明中，气动马达51的控制是整个捆扎机机头5气动控制的技术核心。气动马达51共有A、B、H(高速)、L(低速)4个气源控制接口。空气入口可是A或B。当A是进气口时，B是出气口，反之亦然。由于气动马达51构造的特殊性，当从高速转到低速或从低速转到高速时，在H和L之间会发生切换，气动马达51的旋转方向也会改变。所以气动马达51的电气控制与传统的电动机控制原理不同，为了不改变气动马达51旋转方向，在调速的同时必须切换控制气源接口A和B对应的电磁阀。本发明中，采用PLC程序和继电器逻辑组合控制新技术来控制气动电磁阀的切换，此方法适用于所有采用此功能气动马达51的控制系统。

下面结合气动马达51气源控制原理和PLC控制原理，简要介绍一下采用继电器逻辑组合控制新技术来控制气动电磁阀的过程。其中PLC程序中Q4.0是PLC数字量输出点， 通过继电器控制气源接口A的电磁阀，用来实现系统高速送带或低速收紧功能；Q4.1是PLC数字量输出点，通过继电器控制气源接口B的电磁阀，用来实现系统高速收带或低速送带功能；Q5.0是PLC数字量输出点，通过继电器控制气源接口H的电磁阀，用来实现气动马达51高速功能；Q5.1是PLC数字量输出点，通过继电器控制气源接口L的电磁阀，用来实现气动马达51低速功能。其采用PLC程序和继电器逻辑组合控制技术实现高速送带、低速送带、高速收带、低速收紧的控制过程如下：

如图2a所示，当系统气源接口A和H同时进气时，气动马达51正向高速运行，实现高速送带功能。如图3a所示，当满足高速送带条件(即PLC内部中间继电器M10.1得电)时，PLC输出点Q4.0得电，继电器K4.0得电，控制气源接口A的电磁阀得电；同时PLC输出点Q5.0得电，继电器K5.0得电，控制气源接口H的电磁阀得电，进而通过PLC程序和继电器逻辑组合控制，实现高速送带功能。

如图2b所示，当功能气源接口B和L同时进气时，气动马达51正向低速运行，实现低速送带功能。如图3b所示，当满足高速送带条件(即PLC内部中间继电器M10.3得电)时，PLC输出点Q4.1得电，继电器K4.1得电，控制气源接口B的电磁阀得电；同时PLC输出点Q5.1得电，继电器K5.1得电，控制气源接口L的电磁阀得电，进而通过PLC程序和继电器逻辑组合控制，实现低速送带功能。

如图2c所示，当系统气源接口B和H同时进气时，气动马达51反向高速运行，实现高速送带功能。如图3c所示，当满足高速送带条件(即PLC内部中间继电器M10.7得电)时，PLC输出点Q4.1得电，继电器K4.1得电，控制气源接口B的电磁阀得电；同时PLC输出点Q5.0得电，继电器K5.0得电，控制气源接口H的电磁阀得电，进而通过PLC程序和继电器逻辑组合控制，实现高速收带功能。

如图2d所示，当系统气源接口A和L同时进气时，气动马达51反向低速运行，实现低速收紧功能。如图3d所示，当满足高速送带条件(即PLC内部中间继电器M11.1得电)时，PLC输出点Q4.0得电，继电器K4.0得电，控制气源接口A的电磁阀得电；同时PLC输出点Q5.1得电，继电器K5.1得电，控制气源接口L的电磁阀得电，进而通过PLC程序和继电器逻辑组合控制，实现低速收紧功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。