一种玻璃管自动切割机的设计与开发

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Technical Communications

《自动化技术与应用

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年

第

２８

卷

第

１０期

一种玻璃管自动切割机的设计与开发

晏良俊１，彭　敏２

（１．武汉工程大学电气信息学院，湖北　武汉４３００７４；２．湖北荆州市广播电视大学，湖北　荆州４３４０２０）

摘　　要：介绍了一种玻璃管自动快速切割机的结构设计思想和工作原理，分析了控制系统的硬件组成及控制软件实现方案。结果表明，

这种方案不仅切割质量好、被切割玻璃管的类型多，成品可调节，而且工作可靠、效率大大提高。

关键词：玻璃管；自动切割机

中图分类号：ＴＰ２９　　　　文献标识码：Ｂ　　　　文章编号：１００３－７２４１（２００９）０９－０１０３－０４

A Glass Tube Auto-Cutting System

YAN Liang-jun1, PENG Min2

( 1. Institute of Electrical Information, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074 China;

2. Hubei Jingzhou City Radio &TV University, Jingzhou 434020 China )

Abstract: This paper introduces an automatic glass tube cutting system. The hardware and software of the system are presented.Key words: glass tube; auto-cutting system

１　　引言

在照明行业，玻璃管的切割现在都是利用人工一个一个地进行横向切断。在切割的过程中，必须连续冲水进行冷却，工人的双手长时间浸泡在水中，严重影响人身健康；切割刀具一般都是用０．４ｍｍ厚的树脂砂轮片，非常容易破，所以常常出现安全事故；目前，有公司开发出自动切割设备，但是很少有加工厂家愿意接受这种设备，原因在于其切割效率太低，这种设备也是一个一个进行切割，人工切割６０～８０ＫＧ／１０小时，而这种设备切割１０～１５ＫＧ／１０小时。

笔者根据市场需要经过多年研究完成的一种实用的快速自动切割机。该系统的功能是将直径在１０～１５ｍｍ，长度为１１００ｍｍ，厚度为１～１．５ｍｍ的石英玻璃管切割成长度大约在２０ｍｍ～５０ｍｍ。其特点有：被加工的玻璃管直径可变，能够加工直径在１０～１５ｍｍ的玻璃管；被加工的成品长度可变，理论上可切割成任意长度（成品长度越长，切割效率就降低）；切割效率高，达到２００～３５０ＫＧ／１０小时；操作方便简单，一次装料，可使用

３０分钟，完全自动化加工；节能环保，冷却水采用循环方式多次使用，整机功率１０００Ｗ左右，比人工和单个加工设备低６０％。

２　　整机结构设计

整机机械结构主要包括自动进料机构、管件旋转驱动机构、切割机构等部分构成。

２．１　　玻璃管自动进料装置

图１　　管料自动送料机构轴向横断面示意图

管件自动进料装置：待切割的管料一次性平铺在一个倾斜一定角度的送料斗上，斜面的出口为一个略大管件的直径口，在出口的正下方，有一个圆盘，圆盘上开有

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收稿日期：２００９－０４－０２

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一个宽度为管件直径的方槽，如图１所示，当一根管件加工完成时，即进料轮开始旋转一周，从而将落在圆盘方槽内的管件送到待加工的工位上。

步进电机驱动旋转，玻璃管切割进刀控制就是通过控制步进电机的运动来完成（图３）。

３　　自动进刀控制系统硬件设计

３．１　　自动进刀控制要求

管件自动切割机控制系统主要由单片机控制，完成设备的进退刀，以及故障检测报警。设备进、退刀信号由传感器给出，控制系统对信号进行采集处理，然后输出步进电机控制信号，步进电机推动进刀机构工作，完成玻璃管切割过程。故障检测及报警信号也由传感器给出，主要检测下料机构有无玻璃管、冲水管有无水、

２．２　　玻璃管旋转驱动机构

图２　　管件旋转驱动装置的轴向横断面示意图

一根管件在被切割时必须进行自转，管件的自转是由旋转驱动装置完成的，如图２所示。为了使管件能够可靠地绕轴线自转，利用三点定圆心的原理，在管件的圆周上分布三个轮轴，其中有两个轮子同向同速旋转，称为主动轮，另外一个轮子能够被动地转动，这个轮子称为压紧轮，压紧轮是通过弹簧装置压紧在玻璃管上，使玻璃管能够紧靠在两个主动轮上，这样主动轮的旋转就能够可靠地带动玻璃管绕其轴线旋转，其旋转转速也可通过主动轮的转速来进行调节［１］。一对玻璃管旋转驱动轮是安装在一个可作间歇运动的圆盘上，该圆盘在四个方向安装四对这样的驱动轮，当待加工的玻璃管落入水平方向的一对驱动轮上时，间歇圆盘开始旋转９０°，到达图２所示的方位，步进电机驱动进刀机构开始切割。

下水缸有无水、砂轮片是否更换等。在有报故障报警信号的时候，不允许设备进刀，以保证设备安全，当故障排除后，设备自动恢复正常工作。

设备切割过程中，砂轮片每切割一次玻璃管就有一定量的磨损，当多次切割以后砂轮片就不能切断玻璃管，因此系统需要在每次或多次切割以后做相应的磨损补偿。控制系统的补偿主要是软件方面的脉冲补偿。当补偿到一定的限度的时候，给出换砂轮片报警信号。

３．２　　控制系统硬件设计方案

控制系统的硬件分为５个模块，单片机、存储器、键盘显示模块、传感器信号处理模块、继电器模块（图４）。

２．３　　玻璃管切割机构

图４　　控制系统硬件组成方框图

单片机扫描来自传感器模块的信号，通过信号的分析，对步进电机输出模块输出不同信号，从而控制步进电机不同的工作状态［３］。同时，还对不同传感器来的信号做出不同的继电器操作，使继电器控制声光报警，紧急停机等保证系统正常工作。

键盘显示模块实时显示有关设备运转信息，如切割补偿量，切割数量等。存储器主要存储补偿变化量，使

图３　　管件轴向进给装置的示意图

为了提高切割效率，切割机构采用多刀具结构，即在一根适当长度的高速旋转轴上同时安装多个刀具，各刀具之间用轴套隔开，轴套的长度就是要切割的成品管的长度，因此，要改变成品的长度，只要用相应的长度的轴套即可［２］。高速轴通过轴承座安装在两根平行的导轨上，平行于导轨方向安装一根滚珠丝杠，滚珠丝杠通过

系统每次启动时能找到正确合适的补偿基数，以保证设备正常工作。

４　　控制系统的软件设计

系统软件的设计主要包括键盘显示，数据存储、传感器信号的判断和做相应的动作。键盘采用的是独立式连接的非编码键盘，因此键盘扫描函数相对简单，

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只需要对键盘连接的对应口位进行判断，然后执行相应的函数。

计设置了２个中断优选级，报警信号为高优选级，进刀信号为低优选级。只有在没有任何报警信号产生的情况下，单片机才发出进刀信号，进刀机构才能顺利进刀。当进刀的过程中出现报警信号，单片机将停止进刀信号的发送，进刀过程将中断。等待报警故障的排除，故障排除进刀机构才能继续工作。如果故障在５分钟内没有排除，单片机将做出停机命令，整个设备断开电源。这时需要排除故障以后，重新启动设备［１］。程序主函数（图５）和报警中断函数的流程图（图６）如下：

图６　　自动控制报警中断控制流程图

５　　结束语

图５　　玻璃管切割机自动控制主程序流程图

传感器信号的判断是软件设计的重点，它关系到整个控制过程中设备动作的正确性。传感器的信号主要有两类，一类是进刀触发信号，一类是故障报警信号。我们希望在有报警信号的情况下，设备是不可进刀的，但故障排除以后，才对进刀信号予以响应，因此软件设

图７　　样机实物照片

本课题的研究成果在照明行业得到了很好的应用，不仅解决了人工加工管件的质量缺陷，而且大大提高了工作效率。其生产效率提高了２０倍，并且节能６０％以

（下接第１０８页）

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Ｐ３．３引脚产生中断，通过掉电保护中断子程序，把系统需要保护的信息写入ＡＴ９３Ｃ４６　ＥＥＰＲＯＭ，提高了系统的可靠性。

在本控制系统中，当掉电时，在外部中断１产生中断，转入掉电保护中断服务程序，自动保存设定参数及当前计数值。

程序流程图如图５所示。

４　　掉电保护中断服务程序设计

５　　结束语

该控制系统满足了国内尤其是江苏中小型电机铁芯生产企业的发展需求，自应用到生产中以来，系统在运行过程中，也遇到了掉电的情况，但系统重新上电后能重新恢复参数，可靠性很高，更适用于中小型电机铁芯生产企业，为企业降低了成本。

参考文献：

［１］　袁丽娟等．电机铁芯扭槽叠扣冲压控制系统［Ｊ］．电加工

图５　　断电保护中断程序流程图

在控制系统掉电发生时，掉电保护电路要能及时产生掉电中断信号给单片机，以便执行掉电中断处理程序，保存系统中的数据和运行的状态。系统重新上电，则进行掉电恢复，即恢复系统中的数据并恢复到掉电前的运行状态。（上接第１０２页）

与模具，２００５，（１０）：５０－５２．

［２］　张蓬鹤．ＡＴ９３Ｃ４６／５６／６６串行ＥＥＰＲＯＭ及其在单片机中的应用程序［Ｊ］．国外电子元器件，２００３，（１２）：６６－６７．

作者简介：贡亚丽（１９７５－），女，硕士，教师，讲师，工程师，研究方向：电机控制、ＥＤＡ、单片机。

参考文献：

［１］　周立功等．ＡＲＭ嵌入式系统基础教程［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００５．

［２］李莉　夏路易．基于ＡＲＭ处理器和嵌入式实时操作系统的数据采集装置设计［Ｄ］．太原理工大学，２００６．

［３］　鞠丽丽．基于ＬＰＣ２２１０的远程数据采集终端设计［Ｄ］．哈尔滨理工大学，２００８．

［４］　谭永宏，黎福海．基于ＡＲＭ和ＣＡＮ总线的分布式数据采集系统设计［Ｊ］．中国仪器仪表，２００８，（３）：７２－７５．

［５］　陈平，欧阳斌林．基于ＡＲＭ的数据采集系统的设计［Ｊ］．东北农业大学学报，２００８，（４）：９９－１０１．

［６］　李利品，高国旺，任志平．基于ＤＳＰ和ＦＰＧＡ的数据库采集系统设计［Ｊ］．电测与仪表，２００８，４５（８）：４２－４４．

作者简介：唐明军（１９８２－），男，助教，研究方向：嵌入式系统开发，智能仪器仪表。

（上接第１０５页）

上。以下是人工加工玻璃管的实物现场照片及本切割机的样机实物照片。

参考文献：

［１］　张建民．机电一体化系统设计［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００４．

［２］　马福昌．金属切削原理及应用［Ｍ］．济南：山东科技出版社，１９８３．

［３］　赵宇等．基于工控机的常导中低速磁悬浮列车机械制动系统［Ｊ］．电气传动，２００６，３６（４）：４７－４９．

［４］　陈伯时．电力拖动自动控制系统第３版［Ｍ］．北京：机械工业出版社．２００３．

作者简介：晏良俊（１９６６－），男，工学硕士，讲师，主要从事机

图８　　人工加工玻璃管现场照片

电一体化技术的应用研究。