基于PLC的梯子梁自動焊接生產(chǎn)線長料儲料裝置設計

袁 旺，王亞軍，魏子良，劉正明，張瀟祥

(1.西安石油大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710065； 2.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719315)

0 引 言

梯子梁也稱鋼筋鋼帶，是煤礦井下使用的防護材料，主要用于錨桿支護煤巷掘進及隧道加固等[1]。梯子梁由兩根長料和若干的短料焊接而成，由于其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便且生產(chǎn)成本低，因此在煤炭開采過程中被廣泛使用。目前梯子梁的主要生產(chǎn)方式是手工焊接，手工焊接存在焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低、工人勞動強度大、焊接氣體影響工人健康等問題[2-3]。

對梯子梁自動化焊接生產(chǎn)線的研究過程中，劉嘉琪[4]從生產(chǎn)線的機械結(jié)構(gòu)進行了詳細的研究；付新宇[5]從生產(chǎn)線整體的PLC控制過程進行了研究，但他們對于長料的儲料過程均沒有詳細的介紹。利用活套裝置對柔性材料的儲料裝置的研究中，張少坤[6]利用ADAMS進行了動力學仿真，結(jié)果表明，在帶材等柔性材料的生產(chǎn)以及使用中，利用傳統(tǒng)的計算能夠保證其良好的運行?？琢顒俒7]、金琳[8]等人在生產(chǎn)實踐中，由于連續(xù)生產(chǎn)的需要，發(fā)明了一種配重式活套系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于大柔度產(chǎn)品的生產(chǎn)。于景輝[9]等在研究帶鋼熱軋時，由于精軋時的前后速度不匹配問題會導致帶鋼拉鋼的問題，設計了一種利用閉環(huán)控制的活套，并在實際使用中得到了良好的效果。楊平[10]等在熱軋鋼帶控制系統(tǒng)的基礎上建立了活套控制性能指標的參看標準，對于活套控制起到了一定的推動作用。

梯子梁自動化焊接生產(chǎn)線中，長料由鋼筋卷拆解后依次通過變頻調(diào)直機，儲料裝置，二次調(diào)直裝置，伺服送料裝置，最后被送到焊接臺上與短料焊接成型。在長料送料過程中，由于采用伺服電機間歇送料，鋼筋拆卷后采用變頻調(diào)直機連續(xù)送料。因此前后存在送料速度不同步的問題，如何解決該問題成為筆者的主要研究對象。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在變頻調(diào)直機與伺服送料裝置之間安裝起緩沖作用的儲料裝置[11]能夠解決上述問題。筆者闡述了立式儲料裝置的設計，解決了長料跨度較大送料速度不同步的問題，便于安裝與維護，滿足生產(chǎn)要求。

1 儲料裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)設計

儲料裝置在生產(chǎn)線中的位置如圖1所示，將其安裝在伺服送料裝置與變頻調(diào)直機之間，以起到對長料的送料起緩沖儲料的作用。

圖1 儲料裝置安裝示意圖

1.1 儲料裝置的工作原理

儲料裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由拉線式位移傳感器、支架、配重、導向輪、滑塊及滑竿等組成。

圖2 儲料裝置結(jié)構(gòu)組成

由于長料是撓性體，在工作中當伺服送料裝置的送料速度與調(diào)直機速度不同步時，二者之間會有前后的相對運動，產(chǎn)生的張緊力使滑塊高度發(fā)生變化，為了平衡張緊力，保證儲料裝置的穩(wěn)定運行，需要采用配重結(jié)構(gòu)。拉線式位移傳感器的拉線長度隨著配重高度而變化，PLC通過檢測拉線式傳感器的拉線長度，調(diào)節(jié)變頻調(diào)直機的送料速度，使其與伺服送料裝置的送料速度同步。

1.2 儲料裝置安裝位置設計

在對儲料裝置進行設計時，根據(jù)場地和設備安裝的要求綜合考慮，儲料裝置與二次調(diào)直裝置進料端之間的距離為8 m，與調(diào)直機出料端之間的距離為8 m。當儲料裝置上的滑塊到達最高點時，最高點處的鋼筋與調(diào)直機出料端的垂直距離為1.75 m。安裝示意圖如圖3。

圖3 儲料裝置安裝距離示意圖

長料送料由兩臺變頻調(diào)直機和一臺伺服電機同時運送，因此將儲料裝置設計成龍門架式，如圖3所示。在控制時，龍門架的兩端分別安裝有兩個拉線式位移傳感器，一個傳感器控制一根長料送料。

1.3 配重計算

在儲料裝置中，配重的作用是保證長料在有富余時實現(xiàn)儲料功能，且不會因為儲料多而造成鋼筋的打折、扭折等情況，影響后續(xù)的焊接質(zhì)量。

儲料裝置的鋼筋過輪安裝在滑塊上。靜止狀態(tài)是，儲料裝置上滑塊主要受力有：長料自重G鋼、滑塊自重G滑、配重產(chǎn)生的拉力F拉，F(xiàn)1、F2為送料中鋼筋由于拉伸變形產(chǎn)生的張力，根據(jù)王之恒的研究[12]，在計算柔性材料的張力時，F(xiàn)1與F2大小相等。靜止狀態(tài)的力學系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 靜止狀態(tài)滑塊力學系統(tǒng)

在靜止時，F(xiàn)1、F2的大小隨著儲料量的多少呈非線性變化，無法進行量化計算。因此在計算配重時，以長料送料的運動狀態(tài)進行計算。

長料送料的運動狀態(tài)中，主要受力有：長料自重G鋼、滑塊自重G滑、配重產(chǎn)生的拉力F拉，以及伺服送料裝置的牽引力F牽。儲料裝置在送料過程中滑塊的力學系統(tǒng)如圖5所示，力學分析示意圖如圖6所示。

圖5 送料狀態(tài)滑塊力學系統(tǒng)

根據(jù)靜力學平衡有關系式(1)：

F拉=F牽cosθ+G滑+G鋼

(1)

由于G滑是固定值，G鋼隨著儲料量的增大而增大。因此，當θ越小時，F(xiàn)拉越大，儲料量越大，G鋼越大。為保證儲料裝置可靠運行，以儲料量最大時計算G鋼的值。儲料量最大時計算出G鋼為50.5 N，設計時G滑取值為24.5 N，設計的伺服送料裝置產(chǎn)生的牽引力為640 N。根據(jù)式(1)計算出的F拉為211.8 N，因此配重的質(zhì)量為21.6 kg。

圖6 力學系統(tǒng)分析示意圖

2 儲料裝置控制設計

梯子梁自動化生產(chǎn)線中選用S7-200 Smart作為中心控制器。在儲料裝置工作過程時，通過安裝于其上的拉線式位移傳感器采集拉線的長度，PLC通過拉線長度自動調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中變頻調(diào)直機的速度，達到變頻調(diào)直機與伺服送料裝置送料速度同步的目的。

2.1 運行過程同步控制

送料速度在自動焊接生產(chǎn)線中嚴重的影響生產(chǎn)效率及生產(chǎn)的安全性。在長料的送料過程中，同時輸送兩根長料，采用一個伺服電機和兩個變頻調(diào)直機同時送料。該過程的控制原理如圖7所示。

對儲料裝置的控制，實際是對變頻調(diào)直機速度進行控制。運行時，采用式(2)控制變頻調(diào)直機的送料速度：

V2=V1[k1(l0-l1)+k2]

(2)

式中：V2為調(diào)直機送料速度；V1為伺服送料裝置的送料速度；l0為拉線式位移傳感器拉線長的目標值；l1為拉線式位移傳感器拉線長度的當前值；k1為拉線長度控制系數(shù)1；k2為拉線長度控制系數(shù)2。

圖7 儲料裝置的控制原理

在梯子梁自動化焊接生產(chǎn)線的運行過程中，通常k1的值取60.0，k2的值取3.0，l0的值取1.5 m就能同步伺服送料裝置的速度與調(diào)直機的送料速度。

2.2 啟停時速度同步控制

在啟動/停止時，設置伺服電機的最大速度(MAX_SPEED)為159 mm/s，電機的啟動/停止速度(SS_SPEED)為0.2 mm/s，加速時間與減速時間均為0.2 s[13-14]。因此伺服送料裝置在伺服啟動時幾乎是一瞬間啟動。為安全起見，變頻器控制調(diào)直機的電機啟停時間遲滯于伺服電機0.4 s[15]，伺服送料裝置和變頻調(diào)直機在長料送料時，由于啟停時間不一致，因此送料不同步。

儲料量S為任意時刻儲料裝置上，去除調(diào)直機出料口與二次調(diào)直裝置進料口間直線距離長度后所富余長料的量。

在啟動/停止時，將儲料量控制在目標范圍內(nèi)。因此，在計算目標儲料量時，儲料裝置的鋼筋過輪分別到調(diào)直機出料口和二次調(diào)直裝置進料口間的鋼筋長度相等，實際的鋼筋長度隨著滑塊高度成非線性變化，為了便于分析，將儲料裝置兩邊的長料簡化成直線，如圖8所示的計算簡化圖。

圖8 儲料量計算簡化圖

根據(jù)計算簡圖，利用三角形的兩邊之和大于第三邊,因此有：

lab+lbc>lac

(3)

S儲料=lab+lbc-lac

(4)

式中：lab表示調(diào)直機口與鋼筋過輪的簡化距離；lbc表示二次調(diào)直裝置進料口與鋼筋過輪之間的簡化距離；lab表示調(diào)直機出料口與二次調(diào)直裝置進料口之間的直線距離；S儲料表示任意時刻的儲料量。

lab′表示簡化計算時調(diào)直機出料口與鋼筋過輪間目標距離；S儲料′表示簡化計算時目標儲料量。

根據(jù)現(xiàn)場實際測量，在啟停時伺服送料裝置與變頻調(diào)直機的送料距離相差不足150 mm。而實際上S儲料>S儲料′。因此儲料裝置的簡化模型有效，設計安裝位置合理。

2.3 儲料量的數(shù)學模型

儲料裝置無論是在運行過程中還是在啟停時，儲料量均有變化，因此建立數(shù)學模型描述這種變化過程。假設儲料量為S，滑塊高度為H，伺服送料速度為V1，變頻調(diào)直機送料速度為V2，儲料量變化時間為t，儲料裝置中心至變頻調(diào)直機出料口的距離L，在儲料裝置與變頻調(diào)直機之間的長料總長度為L′,在任意時刻變頻調(diào)直機與伺服送料裝置的送料長度差值為ΔL′。

根據(jù)上述簡化計算，儲料量采用式(5)的數(shù)學模型：

(5)

滑塊的高度滿足以下關系式：

(6)

當滑塊高度最大時，在圖9所示計算簡圖中，有L″=lab=8.819 m。任意時刻有關系式(7)：

2L′=2lab-ΔL′

(7)

在運行過程中，滑塊高度與拉線式位移傳感器的拉線長度之間滿足關系式(8)，其中M為定值，在拉線式位移傳感器的應用中[16-17]，M一般取值為3.0 m。

H+l1=M(定值)

(8)

結(jié)合式(2)、式(6)、式(7)、式(8)，得到滑塊高度與送料速度之間的關系，由于控制的參量較多，表達式較為復雜，如式(9)：

(9)

在式(9)中，滑塊高度變化時間t為變量，其余的均為定值，因此可以得到滑塊高度為運行時間倒數(shù)的函數(shù)，即為：

(10)

式(10)為收斂函數(shù)，收斂的函數(shù)圖像如圖9所示。從圖9中可以看出，當給定速度后，開始時滑塊高度為零，也就是儲料裝置中沒有儲料。啟動后滑塊高度很快就能達到穩(wěn)定狀態(tài)，并且隨著運行時間的延長，滑塊高度趨近于目標值。

圖9 數(shù)學模型的收斂函數(shù)圖

當儲量裝置上有一定儲料時，在啟動的時候(t=0時),滑塊高度略有降低，穩(wěn)定運行后滑塊高度趨于穩(wěn)定值。取在上述過程中設定的k1、k2、l0的設定值，代入公式(9)中進行驗證，速度分別取V1= 80 mm/s、90 mm/s、100 mm/s、110 mm/s和120 mm/s進行驗證，函數(shù)圖像如圖10所示。在圖10中可以看出，在不同速度下的滑塊高度變化趨勢相同，穩(wěn)定運行時的滑塊高度相同，因此所建立的模型有效。

穩(wěn)定運行時，滑塊高度控制精度為±20 mm。滑塊高度穩(wěn)定后，根據(jù)式(5) 的儲料量計算公式可計算出穩(wěn)定狀態(tài)下的儲料量。此時，得出儲料量的控制精度為±7 mm。綜合考慮生產(chǎn)的安全性和生產(chǎn)效率，長料送料速度選擇80～120 mm/s[18]。

圖10 不同速度下滑塊高度收斂圖像

圖11所示為生產(chǎn)過程中，將儲料量控制在目標位置。由圖11中可以看出，目標位置的儲料量合理，長料不會因為儲料過多而出現(xiàn)扭折、過度彎曲等影響后續(xù)焊接、剪切的情況，也不會因為儲料不足而造成安全事故等。

圖11 生產(chǎn)時儲料量控制在目標位置

3 結(jié) 論

(1) 梯子梁自動化焊接生產(chǎn)線在長料送料的過程中，采用儲料裝置后能夠保證伺服送料裝置和變頻調(diào)直機對長料的送料速度一致，送料速度在80～120 mm/s。

(2) 采用儲料裝置后，由于變頻電機和伺服電機的啟動/停止的時間差導致的送料距離在150 mm，儲料裝置的實際儲料量大于378 mm，能保證安全生產(chǎn)的要求。

(3) 伺服送料裝置通過拉線式位移傳感器控制的儲料量精度能夠達到±7 mm，達到了自動化梯子梁焊接生產(chǎn)線可靠生產(chǎn)的要求。