翻板機自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

廖雪超，鐘 實，廖生偉

（1.武漢科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，2.武鋼熱軋總廠中厚板分廠，湖北武漢 430080）

1 引言

在汽車板制造過程中，車體板材在加工成形過程中，需對其進行上下翻轉(zhuǎn)，以保證后續(xù)工序的順利進行。以往要完成這一工序，主要依靠工人的手工操作，既費時又費力；如果采用自動翻板機，不但可以減輕勞動強度，而且還大大的提高了工作效率。

本系統(tǒng)中，工作臺的翻轉(zhuǎn)采用變頻系統(tǒng)驅(qū)動，夾緊梁上下動作和送料平臺的前進、升降動作采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，并利用PLC來實現(xiàn)翻板機的自動控制。

2 系統(tǒng)工藝流程

本翻板機系統(tǒng)主要設(shè)備如圖1所示，主要包括：翻轉(zhuǎn)體、送料平臺、液壓系統(tǒng)[1]、傳動系統(tǒng)。翻轉(zhuǎn)體部分主要由：兩臺夾緊梁，翻轉(zhuǎn)圓盤、底座、翻轉(zhuǎn)電機等組成。其中，夾緊梁由液壓油缸驅(qū)動，翻轉(zhuǎn)圓盤有翻轉(zhuǎn)電機驅(qū)動。送料平臺部分主要由：進料平臺、起落平臺和升降平臺等組成[2]。其中，進料平臺由電機驅(qū)動，起落平臺和升降平臺由液壓油缸驅(qū)動。

翻板機的工作流程是：物料落至進料平臺后，升降平臺先將其上升對準翻轉(zhuǎn)體臺面，起落平臺再將其頂起，然后由進料平臺將鋼板送入翻轉(zhuǎn)體內(nèi)，此后，起落平臺落下，將鋼板平穩(wěn)放至翻轉(zhuǎn)體內(nèi)的鋼板夾緊區(qū)，再驅(qū)動進料平臺后退離開翻轉(zhuǎn)體。此時，翻轉(zhuǎn)體內(nèi)的夾緊梁向下夾緊鋼板，然后進行翻轉(zhuǎn)，達到合適位置時，停止翻轉(zhuǎn)，撤銷夾緊，由進料平臺臺將物料取出、運走。

本翻板機的翻轉(zhuǎn)對象是多張疊加在一起的汽車薄板，系統(tǒng)工作時，主要控制要點有兩點：

(1)夾緊梁的夾緊力需根據(jù)鋼板數(shù)量、厚度和重量進行自適應(yīng)調(diào)整：鋼板數(shù)量多、厚度大、重量大時，需適當增加夾緊力，確保鋼板能被可靠的夾緊，以防止在翻轉(zhuǎn)過程中滑落造成事故；鋼板數(shù)量少、厚度薄、重量小時，需適當減小夾緊力，以防止夾傷鋼板。

(2)翻轉(zhuǎn)體夾緊物料后整體重心偏下，在翻轉(zhuǎn)過程中，整個翻轉(zhuǎn)圓盤的重心會隨著翻轉(zhuǎn)角度發(fā)生改變，翻轉(zhuǎn)電機的負載也呈現(xiàn)不均衡的波動現(xiàn)象，因此在控制翻轉(zhuǎn)電機時需加以注意。

圖1 翻板機系統(tǒng)工藝圖

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)翻板機的工藝流程和控制要求，本控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。

3.1 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)原理如圖2所示，由油箱、過濾器、2臺翻轉(zhuǎn)夾緊油缸，2臺平臺升降油缸、1臺平臺頂起油缸等組成。每一個液壓驅(qū)動子系統(tǒng)各配備一臺電磁換向閥KA1、KA2、KA3，來控制油缸的動作方向。翻轉(zhuǎn)夾緊液壓子系統(tǒng)還配備一臺比例減壓閥KA4，以調(diào)整該部分的油壓，使系統(tǒng)能根據(jù)物料情況適時的調(diào)整夾緊力。當子回路油壓到達夾緊設(shè)定值時，則向PLC發(fā)送鋼板夾緊確認信號，PLC接收到夾緊信號后，控制電磁換向閥KA1回到本位，停止供油，從而使油缸停止動作。

整個液壓系統(tǒng)還配置一臺電磁溢流閥KA5，以保證液壓系統(tǒng)工作時，主回路油壓為設(shè)定值（如160 kg）。而將多余的油溢流回油箱[3]。

圖2 液壓系統(tǒng)控制原理圖

3.2 翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)

在翻轉(zhuǎn)臺相應(yīng)位置安裝有正、反轉(zhuǎn)減速限位開關(guān)和停止限位擋板，當傳動裝置驅(qū)動翻轉(zhuǎn)臺正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，到達設(shè)定水平位置后，由正、反轉(zhuǎn)限位開關(guān)檢測出該信號，并發(fā)送給PLC，由PLC控制傳動裝置減速或停止翻轉(zhuǎn)動作。

3.3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)包括：翻轉(zhuǎn)電機M1、進料平臺驅(qū)動電機M2和主油泵電機M3。其中，進料平臺電機M2需根據(jù)系統(tǒng)進料和出料的限位要求進行邏輯聯(lián)鎖控制。翻轉(zhuǎn)電機M1的負載由鋼板物料的重量、厚度、數(shù)量等參數(shù)決定，同時，翻板機在工作時，需頻繁啟動、停止、正反轉(zhuǎn)，而翻轉(zhuǎn)體在翻轉(zhuǎn)過程中，整個翻轉(zhuǎn)圓盤的重心會隨著翻轉(zhuǎn)角度發(fā)生改變，從而造成翻轉(zhuǎn)電機沖擊力大、啟動頻繁、受力不均、負載不均衡等現(xiàn)象[4]。

鑒于此，系統(tǒng)設(shè)計由變頻器驅(qū)動翻轉(zhuǎn)電機，采用雙閉環(huán)控制方式對翻轉(zhuǎn)電機M1進行控制。系統(tǒng)中外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。速度環(huán)的輸出為電流環(huán)的給定（力矩給定），該電流環(huán)也稱為轉(zhuǎn)矩環(huán)。速度閉環(huán)的反饋量由速度編碼器提供。

3.4 P L C控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)原理如圖3所示，在翻板機工作時，實時檢測整個系統(tǒng)的狀態(tài)信號，包括：液壓系統(tǒng)的壓力、溫度；翻轉(zhuǎn)體正、反轉(zhuǎn)限位；進料平臺的前、后限位；起落平臺的上、下限位；升降平臺的上、下限位等。并按照系統(tǒng)控制要求，完成送料、夾緊、翻轉(zhuǎn)、出料等一系列動作。觸摸屏作為系統(tǒng)人機交互界面，通過RS485串口通信方式與PLC進行通信。為操作人員提供在線監(jiān)測、參數(shù)輸入以及手動控制等功能。

圖3 P L C控制系統(tǒng)原理圖

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)分為手動和自動兩種控制方式。手動方式時，操作人員可通過觸摸屏和操作臺的控制按鈕直接對翻板機的各個部分進行點動控制。自動方式時，由PLC根據(jù)操作人員的設(shè)定值，進行全自動控制，圖4為自動控制方式的流程圖。

圖4 翻板機自動控制方式的軟件流程圖

(1)系統(tǒng)運行準備

a檢測液壓系統(tǒng)液位、油溫、濾油器、吸油口濾阻等設(shè)備，PLC根據(jù)油溫控制油加熱器和風(fēng)冷電機，使液壓系統(tǒng)溫度控制在正常范圍內(nèi)；

b啟動主油泵電機；

c設(shè)置液壓系統(tǒng)的夾緊力，夾緊力由PLC控制調(diào)整，PLC內(nèi)記錄不同規(guī)格和數(shù)量板材所需夾緊力值配方數(shù)據(jù)，并在操作屏上設(shè)定和調(diào)用；

d控制翻轉(zhuǎn)圓盤翻轉(zhuǎn)至上料工位（由限位開關(guān)，碰塊、制動器實現(xiàn)）；

e檢查送料平臺是否準備好：進料平臺后退至后限位、起落平臺下降至下限位、升降平臺下降至下限位；

(2)上料

操作人員控制行車將物料落入送料平臺的規(guī)定范圍內(nèi)；

(3)進料

(4)液壓夾緊

a由PLC根據(jù)夾緊力設(shè)定值，將處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為壓力信號，輸出給比例減壓閥KA4，完成液壓系統(tǒng)的壓力設(shè)定；

bPLC控制電磁換向閥KA1來驅(qū)動油缸進行夾緊動作；

cPLC對液壓系統(tǒng)的實際工作壓力進行實時監(jiān)測，并與設(shè)定值進行比較，當子回路油壓到達夾緊設(shè)定值時，則向PLC發(fā)送鋼板夾緊確認信號；

dPLC接收到該夾緊信號后，控制電磁換向閥KA1回到本位，停止供油，使油缸停止動作；

(5)翻轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)180度

(6)液壓松開

a控制電磁換向閥KA1，驅(qū)動夾緊油缸退回至松開限位；

bPLC接收到該松開限位信號后，控制電磁換向閥KA1回到本位，停止供油，使油缸停止動作；

(7)出料

(8)準備下一次翻轉(zhuǎn)

5 結(jié)論

本翻板機自動控制系統(tǒng)已投入運行使用。系統(tǒng)可根據(jù)當前物料參數(shù)，實時調(diào)整夾緊力，使系統(tǒng)實現(xiàn)物料的可靠夾緊和翻轉(zhuǎn)，并可防止鋼板被夾傷。操作人員通過觸摸屏對物料、壓力、速度等系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)定后，啟動系統(tǒng)，可實現(xiàn)一鍵翻鋼，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行效率。

[1]胡堅.幾種中板翻板機典型結(jié)構(gòu)的運動分析 [J].重鋼技術(shù)，2008，51（4）：36-39.

[2]張林，姚成剛，鄒艷云.翻板機構(gòu)的設(shè)計及其應(yīng)用[J].包鋼技術(shù)，2012，38（3）：53-54，57.

[3]劉歌，王勤.中厚板翻板機的設(shè)計與仿真[J].冶金設(shè)備，2008，169：33-34，74.

[4]竇玉香，郜擁軍，王煜皓，焦愛紅.翻板機主傳動裝置的改進[J].河南冶金，2002，2（48）：32-33.