自動對邊控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

楊金華，楊曉燕，洪加發(fā)

（蘇州通鼎機(jī)械有限公司，江蘇 蘇州 215000）

1 引言

在工業(yè)制造領(lǐng)域中，許多片材類產(chǎn)品在運(yùn)行過程中都無法保證其整齊度，故在卷取過程中須加設(shè)自動對邊系統(tǒng)。FluidSIM 是一個面向液壓、氣動、電氣的動態(tài)仿真軟件，能夠進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的綜合分析。FluidSIM 軟件將檢查各元件之間連接是否可行，最重要的是電氣-液壓（氣壓）回路同時設(shè)計與仿真，可對基本元件物理模型的回路圖進(jìn)行實(shí)際仿真，并有元件的狀態(tài)圖顯示，這樣就使回路圖繪制和相應(yīng)液壓（氣壓）系統(tǒng)仿真相一致，從而能夠在設(shè)計完回路后，驗(yàn)證設(shè)計的正確性，并演示回路動作過程。

自動對邊系統(tǒng)是一個包含電氣、液壓的綜合系統(tǒng)，所以對自動對邊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和分析時，需要在FluidSIM 平臺下，采用多個聯(lián)合工具對其全工況進(jìn)行建模和仿真。

2 自動對邊系統(tǒng)的工作情況

片材類產(chǎn)品在運(yùn)行過程中都無法保證其整齊度的原因有如下幾點(diǎn):（1）傳動輥、托輥、張緊輥、導(dǎo)向輥等各種輥筒的不平行都會產(chǎn)生片材跑偏現(xiàn)象；（2）在工作過程中，若片材類產(chǎn)品不均勻、偏載會引起片材左右側(cè)受力不均，從而導(dǎo)致片材跑偏；（3）操作人員在上片材時放置不平整，切邊不平齊，后面片材的狀態(tài)左右不平齊，都會使片材在卷取過程中跑偏；（4）片材卷取到最后，所剩不多時，片材重量減輕，滾動時忽左忽右向兩端滑跑，也會使片材跑偏。

由上可知片材在卷取過程中跑偏的因素很多，故在卷取過程中需加設(shè)自動對邊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動卷齊。

3 擬定控制方案

自動對邊控制系統(tǒng)的控制方式為：氣電液伺服系統(tǒng)是用噴嘴擋板閥、氣電轉(zhuǎn)換器作為氣電轉(zhuǎn)換，用電液伺服閥作電液轉(zhuǎn)換及控制元件，用液壓執(zhí)行元件作驅(qū)動裝置，用可移動的滾筒支架來校正片材的位置。該系統(tǒng)通過執(zhí)行元件控制片材的位移，使其跟蹤片材的偏移，從而使片材卷齊。因此，該控制系統(tǒng)為位置伺服系統(tǒng)。由于被檢測的是連續(xù)運(yùn)動著的片材邊緣偏移量，其位置傳感器需使用非接觸式的，氣動位置檢測元件可實(shí)現(xiàn)對片材的跑偏位移的檢測，并可構(gòu)成氣電液伺服控制系統(tǒng)。其最大優(yōu)點(diǎn)是工作可靠且不怕干擾，對邊緣進(jìn)行非接觸檢測，經(jīng)控制器運(yùn)算處理后驅(qū)動液壓伺服閥，液壓伺服閥線性分配由泵吸入的液壓油推動油缸進(jìn)行左右糾偏，具有較高的精度和靈敏度，糾偏精度＜±0.5mm，糾偏速度：0～40mm/s 可調(diào)。噴嘴擋板閥安裝在與移動的滾筒支架共同移動的位置上。經(jīng)液壓缸驅(qū)動修正，使所卷之布匹相對探頭不偏不倚，使所收之卷整齊。電氣形式反饋即構(gòu)成電液伺服系統(tǒng)。輸入元件和比較元件采用電氣元件，放大元件采用電液伺服閥。電液伺服閥系統(tǒng)信號處理靈活、迅速、功率小，系統(tǒng)的開環(huán)增益調(diào)整方便，系統(tǒng)校正容易實(shí)現(xiàn)，良好伺服系統(tǒng)的開環(huán)波德圖見圖1所示。執(zhí)行部件方面，采用液壓則具有更多的優(yōu)越性。氣電液控制系統(tǒng)綜合了電氣和液壓兩方面的優(yōu)點(diǎn)，具有精度高、響應(yīng)快、信號處理靈活、輸出功率大、結(jié)構(gòu)緊湊和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因而得到越來越廣泛的應(yīng)用。原理框圖見圖

圖1 良好伺服系統(tǒng)的開環(huán)波德圖

2，設(shè)備應(yīng)用簡圖見圖3 所示。

圖2 自動對邊控制系統(tǒng)原理框圖

圖3 自動對邊控制設(shè)備簡圖

4 卷布機(jī)系統(tǒng)計算

4.1 負(fù)載軌跡

卷布機(jī)的主要負(fù)載為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載。因此

式中，M-總運(yùn)動質(zhì)量，M＝M1+M2=2.6×103kg；am-糾偏加速度，am=0.4m/s2；Ff-液壓缸及導(dǎo)軌的總摩擦力，F(xiàn)f=2038N。

取最大糾偏速度υ=5mm/s，開環(huán)放大系數(shù)Kv=18l/s，噴嘴擋板閥的流量壓力系數(shù)Ka=63A，伺服閥的流量壓力系數(shù)KCO=0.0824×10-10m5/Ns，液壓缸的有效面積為Ap=0.63×10-2m2，總等效零漂電流If=0.012A，負(fù)載軌跡如圖4 所示。

圖4 負(fù)載軌跡圖

4.2 穩(wěn)態(tài)精度驗(yàn)算

（1）跟隨誤差

本系統(tǒng)為位置伺服系統(tǒng)，對階躍輸入不存在穩(wěn)態(tài)位置誤差，即當(dāng)檢測器測到錯位時，卷筒很快便跟上。

系統(tǒng)對于幅值為υ 等速輸入引起的穩(wěn)態(tài)速度誤差為

（2）干擾誤差

（3）If產(chǎn)生的靜差

（4）總穩(wěn)態(tài)誤差

系統(tǒng)總穩(wěn)態(tài)誤差為以上各誤差之和

可見，滿足E＜±0.5mm的要求。

5 FluidSIM 自動對邊系統(tǒng)的整機(jī)模型的建立

液壓缸裝配調(diào)試時液壓缸處于1S1中間位置；卷布機(jī)在運(yùn)行過程中布匹左移S2，假設(shè)跑偏50mm；右移S3，假設(shè)跑偏50mm；1S2 按鈕為氣動位置檢測元件噴嘴擋板閥的左感應(yīng)，1S3為右感應(yīng)；當(dāng)布匹跑左偏時按下S2則電液系統(tǒng)電動復(fù)位到1S1中間位置；反之相同。液壓回路圖如圖4 所示，電氣回路圖如圖5 所示，狀態(tài)圖如圖6 所示。

圖5 液壓回路圖

6 實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用中糾編精度在0.5mm 之內(nèi)，故在對邊精度要求很高的設(shè)備上適合用此糾編系統(tǒng)。

圖6 電氣回路圖

圖7 狀態(tài)圖

7 結(jié)論

本系統(tǒng)著眼于自動跟蹤特點(diǎn)，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，使片材卷整齊美觀，更主要的是能夠處理厚重物邊不齊的難題。其特點(diǎn)為：（1）自動化程度高；（2）響應(yīng)靈敏度高，不齊量小，對柔軟片材更顯優(yōu)越性；（3）由于氣電傳感器為無接觸式傳感器，故其使用壽命長，可靠性高；（4）具有高抗干擾能力，調(diào)試維修方便；（5）對環(huán)境無污染。

［1］毛謙德.袖珍機(jī)械設(shè)計師［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］黃志堅.液壓伺服與比例控制實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［3］方佳花.液壓傳動［M］.北京：地震出版社，2002.