金剛石鋸片整形機自動控制系統(tǒng)的設計

申 旭,王鳳歌

(中原工學院,鄭州 450007)

金剛石鋸片整形機自動控制系統(tǒng)的設計

申 旭,王鳳歌

(中原工學院,鄭州 450007)

根據(jù)工藝相關參數(shù)和控制要求,設計了一種自動控制系統(tǒng)用于金剛石鋸片整形機,采用無感矢量交流變頻器與交流變頻電動機構(gòu)成金剛石鋸片旋轉(zhuǎn)自動調(diào)速系統(tǒng);應用矢量變頻調(diào)速技術,開發(fā)新的編制軟件,組成2個方向的移動和定位系統(tǒng),使旋轉(zhuǎn)的金剛石鋸片既可以橫向往返移動,也可以縱向往返移動,還能精確定位.實際應用表明,該自動控制系統(tǒng)滿足了生產(chǎn)工藝的要求,提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,具有良好的適應性.

鋸片整形機;往返移動;矢量變頻器;控制系統(tǒng)

為了保證金剛石鋸片的規(guī)則性和鋒利性要求,金剛石鋸片在使用前必須經(jīng)過整形即開刃才能使用.在使用的過程中,金剛石鋸片的磨削性能會逐步變鈍,失去應有的幾何尺寸,需要不斷的整修[1].

目前,國內(nèi)生產(chǎn)的金剛石鋸片整形機有如下的特性:電磁調(diào)速異步電動機調(diào)速系統(tǒng)用于控制金剛石鋸片的旋轉(zhuǎn)速度;步進電動機調(diào)速系統(tǒng)控制金剛石鋸片的橫向和縱向移動;采用繼電器和接觸器控制系統(tǒng).其控制系統(tǒng)采用硬接線方式完成控制邏輯,不僅靈活性差、機械觸頭頻率低,而且在連續(xù)運行的情況下易損壞,可靠性差.

引進的金剛石鋸片整形機將直流電動機調(diào)速系統(tǒng)用于控制金剛石鋸片的旋轉(zhuǎn)速度;使用直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)控制金剛石鋸片的移動和縱向移動;采用PLC控制技術,自動化程度高[2].但控制成本高,還存在直流電機電刷容易損壞的缺點.鑒于此,有必要設計一種新的自動控制系統(tǒng)用于金剛石鋸片整形機.

1 整形方法及控制要求

1.1 工藝過程和技術數(shù)據(jù)

整形機在對金剛石鋸片進行整形時,需對金剛石鋸片的2個側(cè)向面和圓周面進行修整.修整前,將待修正的金剛石鋸片固定在卡盤上,卡盤可以旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)速度為無級變速,卡盤安裝在既可以縱向又可以橫向運動的裝置上,其運動速度和方向是由另外2套調(diào)速裝置分別獨立控制.側(cè)向面修正時,2個樹脂磨削砂輪同時對金剛石鋸片進行磨削加工,金剛石鋸片可以縱向往返運動,鋸片齒環(huán)的不平整可改善,側(cè)向面與鋼芯呈平行狀態(tài),還可除掉鋼芯釬焊雜物和氧化物,2個側(cè)向面的留量可一致;進行圓周面修整時,一個樹脂磨削砂輪可對金剛石鋸片進行圓周面磨削加工,金剛石鋸片可以橫向往返運動,保證鋸片的圓周齒與中心孔具有極好的同心度,這一特性可使金剛石鋸片切削加工均勻平整,不發(fā)生搖動.

金剛石鋸片整形機技術數(shù)據(jù)如下:

(1)設備電容量:28 kVA;

(2)砂輪磨輪速度:2 800 rpm;

(3)金剛石鋸片旋轉(zhuǎn)速度:0～100 rpm;

(4)調(diào)速方式:交流無級變速;

(5)金剛石鋸片左右往返運動行程:10～100 mm;

(6)金剛石鋸片前后往返運動行程:10～60 mm.

1.2 控制要求

根據(jù)整形機生產(chǎn)工藝特點,控制系統(tǒng)應滿足如下要求:

(1)調(diào)速范圍寬:整形機能適應不同金剛石鋸片產(chǎn)品;

(2)低速特性好:在調(diào)速范圍內(nèi),金剛石鋸片不抖動;

(3)靜差度小:要求往返運行時的速度基本不變;

(4)手動調(diào)節(jié)控制:可手動調(diào)節(jié)金剛石鋸片的旋轉(zhuǎn)速度、橫向移動速度、縱向移動速度;各單元的動作和運動也可手動控制;

(5)自動運行:正常工作時,系統(tǒng)自動運行,完成金剛石鋸片2個側(cè)向面和圓周面的整形工作.

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)和工作原理

金剛石鋸片整形機在運行時,旋轉(zhuǎn)的金剛石鋸片既可以橫向往返移動,也可以縱向往返移動,還能精確定位.系統(tǒng)要求抗干擾能力強,強調(diào)動態(tài)指標.其控制方案可采用直流不對稱可逆調(diào)速,也可采用矢量變頻控制的交流調(diào)速,矢量控制方式使交流電動機具有與直流電動機相同的控制性能[3].

使交流變頻調(diào)速系統(tǒng)完全達到直流傳動系統(tǒng)的動、靜態(tài)指標,必須對定子電壓或電流實施矢量控制,其關鍵在于坐標變換,使在不同坐標系下的交流電動機和直流電動機模型產(chǎn)生相同的磁動勢.

三相坐標系下的交流電流 iU、iV、iW,通過三相/兩相變換,等效成兩相靜止坐標系下的交流 iα、iβ.

三相、二相坐標系與相應的電流時間變量如圖1所示.

圖1 三相、二相坐標系與相應的電流時間變量

設三相系統(tǒng)每相繞組有效匝數(shù)為 N3,而兩相系統(tǒng)為 N2,設磁動勢波形是正弦分布的,兩者的瞬時磁動勢在α、β軸上的投影都相等,故

電壓磁鏈的變換式與電流的變換式相同.

類似的有兩相靜止坐標系α和β與兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系M、T之間的兩相旋轉(zhuǎn)變換.

異步電動機經(jīng)過坐標變換后可以等效成直流電動機,模仿直流電動機的控制方法,再經(jīng)過相應的反變換,就可以控制異步電動機.這樣的矢量變換控制系統(tǒng)從本質(zhì)上解決了轉(zhuǎn)差頻率系統(tǒng)的許多問題,控制性能更好[4].

金剛石鋸片整形機控制系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 金剛石鋸片整形機控制系統(tǒng)框圖

金剛石鋸片整形機控制系統(tǒng)以西門子公司生產(chǎn)的S7-200可編程序控制器為核心,主機為 1臺CPU 224(14×24V DC輸入/10×繼電器輸出),加上1臺I/O數(shù)字量擴展模塊 EM 223(16×24 V DC輸入/16×繼電器輸出)構(gòu)成主要控制系統(tǒng),控制各個輸入和輸出信號以控制整個系統(tǒng).采用1臺無感矢量型變頻器 KV 2000-G0037C-4T和1臺交流變頻異步電動機YV FJ-100L 2-6-5B來控制金剛石鋸片的圓周旋轉(zhuǎn)速度,2臺無感矢量型變頻器 KV 2000-G0037C-4T和 2臺交流變頻異步電動機YVFJ-100L 2-4-5B來控制既可以縱向又可以橫向運動裝置的往返運動,從而實現(xiàn)待整修的金剛石鋸片側(cè)面可被磨削,又可圓周面被磨削;采用3臺異步交流電機Y3-100L2-2 3.0控制磨削砂輪的速度,分別磨削金剛石鋸片的2個側(cè)面和圓周面;磨削時,2臺液泵交流異步電動機Y3-80M 2-4 0.75給金剛石鋸片提供冷卻液.

控制系統(tǒng)的工作可分成故障檢查、初始化、手動控制、自動運行4部分.

(1)故障檢查.電源接通后,系統(tǒng)自動檢查刀架是否在右、左、前、后極限位置,檢查急停按鈕是否按下,檢查3個變頻器是否有故障和檢查3個磨輪電機和2個液泵電機是否過熱.如有這些故障,狀態(tài)指示燈閃爍,提醒操作者處理故障.

(2)初始化.故障處理后,自動檢查系統(tǒng)是否處于初始狀態(tài),即圓周面磨削砂輪啟動、停止二位選擇開關,二側(cè)面磨削砂輪啟動、停止二位選擇開關,圓周面磨削往返運行二位選擇開關,側(cè)面磨削往返運行二位選擇開關是否在停止的位置上;冷卻液泵電動機三位選擇開關,側(cè)面磨削和圓周面磨削運行三位選擇開關,鋸片旋轉(zhuǎn)方向三位選擇開關是否在中間的停止位置上.如果其中一個或多個不在初始狀態(tài),則狀態(tài)指示燈亮,提醒操作者將轉(zhuǎn)換開關置于初始狀態(tài)的位置.

(3)手動控制.系統(tǒng)處于初始狀態(tài)后,狀態(tài)指示燈亮熄滅,按下啟動按鈕,系統(tǒng)處于可運行狀態(tài).將選擇開關分別置于工作狀態(tài)的位置上,則單磨電機、雙磨電機、液泵電機1、液泵電機2、鋸片旋轉(zhuǎn)等開始分別運行;按下相應的按鈕,則刀架分別開始向右、向左、向前和向后運行.

(4)自動運行.將轉(zhuǎn)換開關置于自動位置,則刀架按順序進行前后往返行程運動、左右往返行程運動.

2.2 往返運動的設計與實現(xiàn)

金剛石鋸片整形機在對要整形的鋸片進行側(cè)面磨削和圓周面磨削時,都要有前、后往返運動和左、右往返運動,其往返的速度和往返的行程以及往返的次數(shù)都應能調(diào)節(jié).

如圖3所示,X1、Y1之功能設定成周期40 s的ON/OFF定時器.當接點SW閉合時,變頻器開始運轉(zhuǎn),并啟動定時器.由定時器的輸出決定電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),40 s重復1次.其速度由電位器設定值決定,當接點SW斷開時,變頻器停止運行.行程大小與電位器設定值和周期時間值有關,行程的次數(shù)與接點SW閉合的時間有關.

圖3 往返運動原理接線圖

2.3 變頻器軟件參數(shù)設定

通過編程可設定運行控制方式選擇、頻率設定選擇、數(shù)字頻率設定、最高輸出頻率、上限頻率、下限頻率、加速時間1、減速時間1、轉(zhuǎn)矩提升設定、轉(zhuǎn)向控制、啟動方式選擇等參數(shù)[5].

操作鍵盤的工作模式有4種,即控制運行模式、監(jiān)視運行模式、參數(shù)修改模式和故障顯示模式.變頻器軟件參數(shù)設定需在參數(shù)修改模式下進行[6].

3 結(jié) 語

系統(tǒng)使用無感矢量變頻器和交流變頻電動機組成交流旋轉(zhuǎn)調(diào)速系統(tǒng)和行程往返運動系統(tǒng),軟件實現(xiàn)行程往返自動運動,柔性控制取代原有的剛性控制,磨削砂輪的補償有機械微動裝置,還有用軟件實現(xiàn)的固定微點動[7].行程往返的速度、行程長短和往返次數(shù)由PLC和變頻器的合成軟件來調(diào)整,故障報警有閃爍警示功能,還有燈亮提醒初始位置引導作用,速度調(diào)節(jié)范圍寬,可達1∶100;具有直觀的數(shù)顯方式,具有記憶功能.設備投入運行以來,一直運行正常,穩(wěn)定可靠,滿足了生產(chǎn)工藝的要求,提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,具有良好的適應性,值得推廣使用.

[1] 袁公昱.人造金剛石合成與金剛石工具制造[M].長沙:中南工業(yè)大學出版社,1992:126-130.

[2] 李東海.新型金鋼石鋸片研究[J].化學工程與裝備,2008(10):36-39.

[3] 王兆安,黃俊主.電力電子技術[M].第4版.北京:機械工業(yè)出版社,2005:212-220.

[4] 申旭.基于PLC和矢量變頻器的涂層機同步控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].計算技術與自動化,2007,26(3):62-65.

[5] 張萬忠.可編程控制器應用技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002:261-270.

[6] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[7] 申旭,王鳳歌,吳敬秋.PLC控制金剛石鋸片開刃機的研制[J].金剛石與磨料磨具工程,2010,30(3):28-30.

Automatic Control System Design of Edge Machine for Diamond Saw Blade

SHEN Xu,WANG Feng-ge
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

According to the control requirements and the relevant p rocess parameters of the edge machine,a new automatic control system w as built.It consists of a p rogrammable logic controller,an Vecto r VFD frequency converters,AC variable frequency electric motors and a number of electrical components as the main frame of the ro tary automatic speed control system.A new contro lmethod and a new algo rithm are given.The move position of the edge machine can be p recisely controlled.The rotating diamond saw blade can be moved to and f ro.Practical app lication p roves that this control system has high reliability and good adap tability,assuring constant quality of p roducts.

edge machine;to move to and fro;vecto r frequency converter;control system

TP29

A DO I:10.3969/j.issn.1671-6906.2010.04.001

1671-6906(2010)04-0001-03

2010-07-06

國家自然科學基金項目(50977093)

申 旭(1958-),男,湖南邵東人,副教授,碩士.