一種鋼筋彎曲設備的伺服電機控制設計

胡良輝, 杜鵬飛,尤 德

[1. 上海理工大學,上海 200093； 2. 上海電器科學研究所(集團)有限公司,上海 200063]

一種鋼筋彎曲設備的伺服電機控制設計

胡良輝1,2, 杜鵬飛1,2,尤 德2

[1. 上海理工大學,上海 200093； 2. 上海電器科學研究所(集團)有限公司,上海 200063]

為提高鋼筋生產(chǎn)過程中的安全性和可靠性，提供了一種鋼筋彎曲設備的伺服電機控制設計，包括PLC控制單元、行走伺服電機、彎曲伺服電機、電磁閥、氣缸、信號采集單元及觸摸屏。信號采集單元包括光電開關、磁性開關及鋼筋彎曲設備的開關按鈕。該伺服電機控制設計通過PLC控制器運動控制技術及數(shù)據(jù)處理技術實現(xiàn)設備的全數(shù)字化控制，通過伺服控制技術實現(xiàn)設備的精準高效的運動及生產(chǎn)節(jié)能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)操作界面更人性化、操作簡單快捷、鋼筋彎曲準確、生產(chǎn)效率高、節(jié)能，同時也大大降低了工人的勞動強度及廢品率，進而降低了生產(chǎn)成本。

鋼筋彎曲;伺服電機;觸摸屏

0 引 言

現(xiàn)有的鋼筋彎曲設備，通常通過人工手動定尺，手動調整彎曲角度。這種方式的鋼筋彎曲機全是人工參與，所以設備的加工效率很低、安全隱患大，生產(chǎn)的產(chǎn)品精度低、廢品率高、生產(chǎn)成本高。隨著鋼筋加工行業(yè)對鋼筋加工裝備的要求越來越高，傳統(tǒng)鋼筋加工設備已不能滿足我國基礎建設的需要。因此市場需要一種自動化程度高、加工效率高、加工精度高的設備。本論文通過對鋼筋彎曲設備的伺服電機控制設計，實現(xiàn)一種不但自動化程度高，而且操作簡單、直觀性強的鋼筋彎曲設備的控制。

1 鋼筋彎曲機結構及控制方案

該鋼筋彎曲機由二機頭、夾具及4個伺服電機構成，結構示意圖如圖1所示。首先把鋼筋送入鋼筋固定夾具上固定，然后根據(jù)實際要求，行走伺服電機工作，機頭開始運動到指定位置，接著鋼筋彎曲夾具夾緊，旋轉伺服電機工作，實現(xiàn)鋼筋的彎曲。本文介紹的是把鋼筋彎曲成四邊形的建筑行業(yè)使用，主要用于房屋立柱的鋼筋結構。

圖1 鋼筋彎曲機系統(tǒng)結構組成

2 伺服電機控制原理及電氣控制設計

2. 1 伺服電機控制原理

伺服電機控制是通過控制信號電壓的大小和相位變化來控制伺服電機的轉矩和轉速的；當沒有信號時，轉子能立刻停止轉動，能達到精確定位，且精度是1 mm級別。伺服電機是通過脈沖定位，當其接收到1個脈沖，就能旋轉一定的相對應的角度，達到角位移或者直線位移。伺服電機自身能發(fā)出脈沖，因此伺服電機轉動某一個角度，就會

發(fā)出相對應的脈沖數(shù)量，這樣就形成了閉環(huán)控制。

2. 2 系統(tǒng)硬件設計

PLC控制是該伺服電機控制設計的核心。此種鋼筋彎曲設備的伺服電機采用上電科的PLC來控制，利用觸摸屏來顯示其工作情況以及簡單的執(zhí)行其工作內容，使伺服電機能安全高效的運行。為滿足鋼筋彎曲設備的需要，在此選取上電科VPC2系列的PLC，主要是根據(jù)伺服電機的工作內容、輸出方式、所需內存大小、輸出輸入工作點的具體數(shù)量來選擇最合適的PLC。鋼筋彎曲機硬件系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 鋼筋彎曲機硬件系統(tǒng)結構

2. 3 電氣原理

該鋼筋彎曲設備中，伺服電機為正反轉控制，氣缸為雙作用氣缸。鋼筋彎曲機接線原理圖如圖3所示。

圖3中，①、②為右移動、右折彎伺服驅動器，③、④為左移動、左折彎伺服驅動器。圖3也包含設備所需的其他部件的接線原理。

圖3 鋼筋彎曲機接線原理圖

3 程序編寫和伺服驅動器PID控制算法

控制系統(tǒng)的設計核心是程序的編寫，因此，高質量的程序設計顯得尤為重要，可以提高機構運動性能并且使機構更加平穩(wěn)，從而讓人操作起來更加方便和安全。

3. 1 程序的模塊化設計

本伺服電機控制設計在生產(chǎn)流水線上是連續(xù)、穩(wěn)定的，為了使各動作不會相互干擾，程序采用模塊化來設計，將不能相互干擾的動作用模塊的方式隔離，讓程序能緊湊有效的執(zhí)行。根據(jù)動作順序流程圖的要求，將程序劃分為：初始化、主程序、手動、行程換算、零位調整、測試等模塊。

3. 2 梯形圖設計

梯形圖語言沿襲了繼電器控制電路的形式，通過簡化常用的繼電器與接觸器邏輯控制符號轉化而成的，方便電氣技術人員的學習和實際應用，是一種運用最廣泛的PLC的編程語言。該系統(tǒng)用的是上海電器科學研究所的VPC系列PLC，自動控制程序部分梯形圖如圖4所示。

圖4中，Network75-77是彎曲機行走功能部分梯形圖，Network78-80為彎曲機彎曲鋼筋功能部分梯形圖。

圖4 行走及彎曲功能部分梯形圖

3. 3 伺服驅動器PID控制算法

由于實際轉速與給定轉速的差值，即存在“偏差”，因此驅動器需按照一定的計算方法調整相應的電壓供給，如此反復，直到達到給定轉速。這里介紹PID控制算法。PID調節(jié)器的控制規(guī)律為

u(t)=

式中：Kp——系統(tǒng)的比例系數(shù)；

TI——系統(tǒng)的積分常數(shù)；

TD——系統(tǒng)的微分常數(shù)；

u0——系統(tǒng)的控制常量。

PLC控制是一種采樣控制，為了計算控制量，需要獲得采樣時刻的偏差值，并不是連續(xù)輸出控制量，而是通過離散的方式，進行離散控制。根據(jù)以上所述的特點，因此不能直接使用式(1)中的積分和微分項，需要進行離散化處理。處理的秘訣是：用n作為采樣序號，用m作為采樣周期，則連續(xù)時間t=mn，利用求和的方式求積分，微分則用增量替代，利用近似變換：

t≈mn(n=0,1,2,…)(2)

式(4)中，將e(mn)簡化成en。將其代入式(1)，可獲得離散的PID表達式

u(n)=

式中：u——第n次采樣時刻的計算機輸出值；

n——采樣序號，n=0,1,…,n；

en——第n次采樣時刻輸入的偏差值；

en-1——第n-1次采樣時刻輸出偏差值；

u0——原始初值；

Ki——積分常數(shù)，Ki=KpTIm；

Kd——微分常數(shù)，Kd=Kpdm/m。

為了使定位的精確度越高，需要采樣周期足夠小，這樣計算結果越精確。

3. 4 觸摸屏界面設計

通過圖形自生成技術實現(xiàn)鋼筋彎曲控制的人機界面更人性化。人機界面即觸摸屏，通過ModbusRTU協(xié)議或以太網(wǎng)與PLC控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。人機界面可實現(xiàn)設備I/O狀態(tài)監(jiān)視；設備手自動操作；產(chǎn)品配方存儲，可保存多達500種常見產(chǎn)品配方；特別是具有鋼筋彎曲圖形自動生成技術，只需操作工在觸摸屏中輸入鋼筋彎曲的各個邊長及角度，顯示屏中會自動生成所需的圖形。

4 誤差分析

該設備調試成功后，在現(xiàn)場測得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鋼筋彎曲機誤差檢測數(shù)據(jù)表

由表1數(shù)據(jù)可知，行走距離滿足誤差小于等于5 mm的國家標準，彎曲角度滿足誤差小于等于1°的要求。說明此鋼筋彎曲機滿足生產(chǎn)需求。本伺服電機控制設計能達到實際應用的要求。

5 結 語

本文所設計的鋼筋彎曲機能達到工作要求，運行平穩(wěn)，生產(chǎn)的產(chǎn)品精度、斜度等其他工藝要求也都能達到預期要求。該鋼筋彎曲機通過PLC控制伺服電機來實現(xiàn)自動化，同時利用觸摸屏使工作人員操作更加方便與簡單，從而提高了自動化水平和生產(chǎn)率，并更加注重了生產(chǎn)的安全性。

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DesignofServeMotorControlinaConcrete-BarBending

HULianghui1,2,DUPengfei1,2,YOUDe2

[1. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China]

In order to improve the security and reliability in the process of producing steel, a servo motor control design of reinforced bending equipment was provided, which include PLC control unit, servo motor, bending servo motor, solenoid valve, cylinder, signal acquisition unit and a touch screen. The signal acquisition unit included the photoelectric switch, magnetic switch and the switch button of the bending equipment. The servo motor control strategy was implemented by PLC controller motion control technology and data processing technology to realize the full digital control equipment, where servo control technology was used to achieve the accurate and efficient movement of the equipment and the energy saving in the process of production. A more humanized operation interface was included for easy operation and bending accuracy. The system accomplished not only high efficiency, energy-saving, but also considerable reduction of the labor intensity and the rejection rate, whereby lowers the cost.

reinforcementbending;servomotor;touchscreen

胡良輝(1992—)，男，研究方向為精密儀器控制。

杜鵬飛(1985—)，男，研究方向為工業(yè)自動化控制。

尤 德(1989—)，男，研究方向為工業(yè)自動化控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)12- 0043- 04

2017 -03 -02