車輪生產(chǎn)中的板材橫切加工自動定尺技術(shù)研究

康 戰(zhàn) 劉勁松 張廣平 胡寶共 閆曉麗

(長春設(shè)備工藝研究所超精密加工技術(shù)研究室，吉林長春 130012)

在第一汽車集團公司車輪廠的車輪生產(chǎn)中，輪輞與輪輻的條料生產(chǎn)以前普遍采用鋼廠提供的冷熱軋大平板料，由人工操作上下料，利用剪床剪切成一定長度的條料。由于剪切的條料尺寸精度差，不能滿足中、重型卡車輪輞滾型工藝對鋼板尺寸精度的要求，因此還需要對剪切后的條料進行刨削加工、毛刺清理及校平，廢品率高達(dá)30%，浪費了大量工時，原材料利用率低，而且平板料剪成條料后平整度差，也影響輪輞焊接、滾型的質(zhì)量。在國外汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國家中，汽車生產(chǎn)用的鋼板幾乎都采用卷料，生產(chǎn)和使用的車輪大多為無內(nèi)胎車輪。如德國大眾汽車公司，在車輪生產(chǎn)中使用卷料鋼板，經(jīng)開卷、矯平后定尺剪切生產(chǎn)出車輪輪輞、輪輻用條料。卷料與大平板料相比價格較低，如采用卷料生產(chǎn)輪輞、輪輻用的條料，不僅可提高原材料利用率，降低成本，而且易實現(xiàn)連續(xù)自動化生產(chǎn)，從而提高勞動生產(chǎn)率，減輕工人勞動強度。

1 生產(chǎn)線概述

為達(dá)到上述高產(chǎn)、高效、高質(zhì)量、低成本的目的，第一汽車集團公司車輪廠與我所聯(lián)合開發(fā)研制了一條采用卷料鋼板生產(chǎn)車輪輪輞、輪輻用條料的自動化生產(chǎn)線，以實現(xiàn)轎車、輕型汽車特別是中、重型卡車的輪輞、輪輻用條料的高效連續(xù)自動化生產(chǎn)，達(dá)到年產(chǎn)28萬件中、重型卡車無內(nèi)胎滾型車輪的生產(chǎn)能力。該生產(chǎn)線應(yīng)達(dá)到如下技術(shù)參數(shù)要求:

(1)適應(yīng)卷料規(guī)格(熱軋鋼板，未經(jīng)酸洗):板厚3～8 mm;寬度(180～500)±1.2 mm;最大外徑 φ1 860 mm;內(nèi)徑φ610～760 mm;卷料最大重量10 t。

(2)定尺剪切的規(guī)格、精度:長度L=(1 020～2 075)±0.8 mm。

(3)生產(chǎn)率:5件/min。

(4)最大送料速度:500 mm/s

車輪生產(chǎn)中的輪輞、輪輻需用不同寬度規(guī)格的條料，采用卷料生產(chǎn)輪輞、輪輻時，卷料的縱剪尺寸即寬度規(guī)格由鋼廠完成。本條生產(chǎn)線是將鋼廠提供的卷料鋼板通過開卷、矯平、自動定尺、剪切及垛料加工成輪輞、輪輻用的條料。通過采用FX2型PLC控制自動定尺送料閉環(huán)控制系統(tǒng)，使矯直機既能矯平鋼板，又可同時精確向剪床定尺送料，當(dāng)送料到達(dá)所要求的長度和精度時停止送料，然后剪床進行剪切，剪切下的條料由下料輸送線、小車、升降臺配合完成自動垛料和輸送。

2 自動定尺送料的閉環(huán)控制系統(tǒng)

如圖1所示，該生產(chǎn)線的自動定尺送料閉環(huán)控制系統(tǒng)由四部分組成:

(1)硬件系統(tǒng):由FX2－128MR型PLC和外加的1HC高速計數(shù)器、2DA模擬量輸出兩特殊擴展模塊組成。1HC高速計數(shù)器記錄光電編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)，并計算送料長度和進行定尺急?？刂萍俺L反拉控制，2DA擴展模塊控制交流伺服驅(qū)動器和交流伺服電動機的送料速度。

(2)軟件系統(tǒng):包括整個生產(chǎn)線各設(shè)備運行控制和加速、高速運行(恒速)、減速定尺的矯平送料定尺控制。

(3)驅(qū)動系統(tǒng):由交流伺服驅(qū)動器、交流伺服電動機和矯直機組成。按給定的速度信號，交流伺服驅(qū)動器與交流伺服電動機本身構(gòu)成電動機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。交流伺服電動機驅(qū)動矯直機的夾送輥，并通過齒輪傳動將動力傳遞給9個矯直輥，使夾送輥與矯直輥以同一線速度矯平鋼板。

(4)測長系統(tǒng):由測量輥及光電編碼器組成。測量輥靠與鋼板之間的靜摩擦做純滾動運動，根據(jù)和測量輥相連的光電編碼器一周的脈沖數(shù)與測量輥的周長可計算出對應(yīng)一個脈沖信號鋼板走過的長度。

一般輥式矯直機只是采用交變彎曲變形法矯平鋼板，沒有自動定尺送料的功能。在本條生產(chǎn)線中，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制軟件的設(shè)計，使矯直機在原有的矯平鋼板功能基礎(chǔ)上又增加了向剪床自動精確定尺送料的新功能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用交流伺服電動機驅(qū)動矯直機的夾送輥，使夾送輥與矯直輥以同一線速度矯平鋼板并向前定尺送料。在矯直機出口處的定尺系統(tǒng)中采用了一個測量輥和與之相連接的光電編碼器。鋼板移動使測量輥轉(zhuǎn)動，并同步帶動光電編碼器轉(zhuǎn)動，由1HC計數(shù)器記錄光電編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)并由此計算出矯直機送出的鋼板長度;在軟件控制上，通過FX2－128MR型PLC外加2DA模擬量輸出和1HC高速記數(shù)器兩特殊擴展模塊實現(xiàn)對交流伺服驅(qū)動器和交流伺服電動機的控制，使矯直機具備了雙重功能，既能矯平鋼板，又能精確向剪床定尺送料。采用這種自動定尺送料閉環(huán)控制系統(tǒng)，克服了其它同類生產(chǎn)線前后速度不匹配而必須設(shè)置地坑的缺點，在整個生產(chǎn)線的布局上打破了常規(guī)，減小了生產(chǎn)線的占地面積。

3 勻減速降速的定尺控制方法

車輪生產(chǎn)中對定尺剪切的板長精度要求較高，而常規(guī)的定尺剪切系統(tǒng)難以達(dá)到這一精度要求。既要滿足生產(chǎn)效率對矯直送料速度的要求，又要保證定尺送料的精度，這是一個相互對立的矛盾。送料速度越高就越難以保證定尺停下時的精確度，尤其在該矯直定尺驅(qū)動控制系統(tǒng)中，由于矯直機消耗大量的功率加之夾送輥、矯直輥的慣性作用，交流伺服電動機驅(qū)動的是一大功率、大慣量的負(fù)載，這使得高速運行下的定尺精度控制變得尤為困難。在研制過程中，分析了各種定尺剪切控制方法。通過理論分析提出了勻減速降速控制定尺的方法，這種方法克服了分段式降速控制的缺點，將定尺過程按勻減速規(guī)律進行控制，當(dāng)?shù)竭_(dá)定位點時送料速度恰好為零。

按照如圖2所示的定尺送料的勻減速降速控制規(guī)律，在盡量提高送料速度并將降速定尺時間減小至最小的前提下，通過下面的理論推導(dǎo)，找出了距定位點一定長度上的降速定尺轉(zhuǎn)折點與PLC控制送料速度的內(nèi)在關(guān)系。

3.1 高速(恒速)段2DA中的設(shè)置數(shù)據(jù)

2DA模擬量輸出模塊中的設(shè)置數(shù)據(jù)用于控制交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速和送料速度。根據(jù)FX2型PLC中的2DA模擬量輸出模塊的輸出特性，2DA中的設(shè)置數(shù)據(jù)X與輸出電壓Y(V)的模數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系為

此輸出電壓Y(V)將作為交流伺服驅(qū)動器的給定速度信號控制交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速。在交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，當(dāng)交流伺服驅(qū)動器給定速度信號為Y(V)時，對應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速(r/min)為

將式(1)代入式(2)中，可得2DA中設(shè)置數(shù)據(jù)為X時對應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速(r/min)為

在高速(恒速)段，鋼板以最大送料速度vmax運行。已知電動機與夾送輥之間的減速器降速比為i=25，夾送輥直徑D=180 mm，因此最大送料速度vmax(mm/s)時對應(yīng)的電動機最大轉(zhuǎn)速(r/min)為

將式(4)代入式(3)，可求出最大送料速度時對應(yīng)電動機最大轉(zhuǎn)速的2DA中的設(shè)置數(shù)據(jù)為

因此當(dāng)設(shè)定最大送料速度vmax時，軟件控制系統(tǒng)會按照上面的計算模型反求Xmax，并將其作為2DA中的設(shè)置數(shù)據(jù)以實現(xiàn)對高速(恒速)段送料速度的控制。

3.2 降速定尺段脈沖數(shù)

3.2.1 脈沖當(dāng)量設(shè)計說明

在定尺測量系統(tǒng)中，測量輥直徑越小，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)越多，則脈沖當(dāng)量越小，分辨率就越高。而測量輥直徑受到結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制，增加每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)受到光電編碼器本身特性和計數(shù)器對記錄脈沖信號頻率響應(yīng)能力的制約。因此在綜合考慮這些相互制約關(guān)系基礎(chǔ)上，合理確定測量輥直徑和光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，并由1HC高速計數(shù)器經(jīng)四倍頻記錄光電編碼器發(fā)出的脈沖信號，使脈沖當(dāng)量達(dá)到0.025 mm，為定尺剪切精度±0.5 mm的1/20，以滿足控制系統(tǒng)對高分辨率的要求。

3.2.2 降速定尺段脈沖數(shù)的計算

根據(jù)勻減速降速規(guī)律，勻減速加速度

式中:定位點vt=0;t為降速定尺時間。由參考文獻［4］知，降速運動受驅(qū)動器斜坡函數(shù)發(fā)生器的控制，驅(qū)動器允許的最小斜坡下降時間為0.5 s，實際降速時間為t≈0.66 s。

軟件控制系統(tǒng)設(shè)計的脈沖當(dāng)量為Δ=0.025 mm，所以降速定尺距離對應(yīng)的脈沖數(shù)為

3.3 勻減速降速控制算法

由式(6)比上式(5)，可知降速定尺段的脈沖數(shù)與最大送料速度時2DA中設(shè)置數(shù)據(jù)的比例關(guān)系為

由于送料板長是由記錄測量輥發(fā)出的脈沖數(shù)測得的，在驅(qū)動控制系統(tǒng)所允許的最小降速時間t的條件下，根據(jù)上述比例關(guān)系，用對應(yīng)定尺板長的理想脈沖數(shù)減去送料時記錄的脈沖數(shù)再除以15后，得到的結(jié)果與最大送料速度時2DA中的設(shè)置數(shù)據(jù)Xmax相等時即開始降速(降速轉(zhuǎn)折點)。

算法為:(理想定尺脈沖數(shù)－記錄脈沖數(shù))/15≤送料時2DA中的設(shè)置數(shù)據(jù)時，即將(理想定尺脈沖數(shù)－記錄脈沖數(shù))/15設(shè)置為2DA中新的控制速度的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了勻減速降速控制。當(dāng)?shù)竭_(dá)定位點時，速度恰好為零，用最短時間實現(xiàn)了降速定尺控制。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合所采用的交流伺服驅(qū)動器和電動機最低可控轉(zhuǎn)速的特性對上述控制規(guī)律進行進一步優(yōu)化，研究出了如圖3規(guī)律所示的控制板材定尺送料的軟件系統(tǒng)，解決了定尺精度和生產(chǎn)效率的矛盾，達(dá)到了既高速矯平鋼板送料，又快速降速精確定尺的目的。

4 通過低速反拉控制實現(xiàn)誤差修正與補償

由于定尺送料系統(tǒng)的慣性作用和電氣系統(tǒng)的滯后效應(yīng)，當(dāng)送料長度達(dá)到要求時發(fā)出停止送料的指令后，定尺精度還會出現(xiàn)誤差。因此在自動定尺送料的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制軟件在圖3規(guī)律的基礎(chǔ)上進行了進一步的完善，將控制定尺的定位點選擇在距理論長度少10個脈沖的位置上，以實現(xiàn)對定位點的誤差修正和補償。當(dāng)?shù)竭_(dá)定位點時，定尺送料停。如果定尺停下的板長>理論長度+10個脈沖，將控制鋼板反向爬行退料，直到定尺板長≤理論長度+10個脈沖后停止爬行退料。因此這種板長的誤差修正和補償功能可使定尺送料精度控制在理論長度±10個脈沖范圍之內(nèi)(≤±0.25 mm)，從而確保了定尺送料的精度。

以勻減速降速控制算法為基礎(chǔ)，綜合考慮交流伺服驅(qū)動器和電動機的最低可控轉(zhuǎn)速特性和超長反拉控制方式，最終總結(jié)出完善的自動定尺送料軟件控制流程，如圖4所示。

由于采取了上述有效措施，使一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和性能超出了原設(shè)計要求:

(1)定尺剪切規(guī)格及精度:長度L=(1 000～2 100.00)±0.5 mm。

(2)生產(chǎn)線布局取消了地坑，有效減小了生產(chǎn)線長度，減小了占地面積。

(3)提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了廢品率(0.5%)。

(4)提高了生產(chǎn)效率，與原生產(chǎn)工藝相比，提高工效達(dá)5倍以上。

5 結(jié)語

由于輪輞、輪輻用條料的尺寸精度要求較高，這就對開卷、矯平、定尺剪切生產(chǎn)線的整體性能水平尤其是自動定尺剪切精度提出了更高的要求。為達(dá)到上述要求，該自動化生產(chǎn)線采用矯平、定尺送料閉環(huán)控制技術(shù)，通過勻減速降速定尺控制和超長反拉控制成功解決了車輪生產(chǎn)中使用卷料鋼板生產(chǎn)車輪輪輞、輪輻用條料的自動定尺精度問題，在實際生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大效能，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。筆者衷心希望此項技術(shù)能不斷發(fā)展和完善，并進一步得到推廣和應(yīng)用，從而為我國汽車工業(yè)迎來新的發(fā)展契機。

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