基于PID控制的板筋一體機(jī)調(diào)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 梁，徐慶鋒，覃貴芳

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧530023）

0 引言

鋼筋是基礎(chǔ)建設(shè)不可或缺的一種材料，其中線材使用量大及使用場(chǎng)所最廣。線材鋼筋為了方便運(yùn)輸在生產(chǎn)環(huán)節(jié)將其盤成圈狀，使用時(shí)根據(jù)工程要求將其拉直及制作成相應(yīng)的形狀，其中使用量最大的是板筋。目前廣西富生等企業(yè)已經(jīng)研制出全自動(dòng)加工板筋的一體機(jī)，提高了我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)自動(dòng)化水平。廣西富生等企業(yè)生產(chǎn)的板筋全自動(dòng)加工一體機(jī)調(diào)直部分采用壓輪模式，在加工成型過程中鋼筋與壓輪之間摩擦方式為滑動(dòng)摩擦，因此鋼筋在加工過程中受到損傷，特別是螺紋線材其表面的螺紋會(huì)被壓輪摩擦掉，導(dǎo)致鋼筋不符合建筑力學(xué)要求。本文對(duì)全自動(dòng)板筋一體機(jī)調(diào)直系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，引入PID控制算法以及變頻器控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)柔性控制，得到了一種精度高、沒有損傷的全自動(dòng)板筋一體機(jī)。

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)直系統(tǒng)

線材鋼筋調(diào)直方式有應(yīng)力拉直、壓輪拉直以及調(diào)直輥輪拉直三種，其中應(yīng)力拉直的加工方式因無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制已經(jīng)被淘汰，壓輪拉直方式在鋼筋加工過程中調(diào)直壓輪與鋼筋產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦造成鋼筋損傷。調(diào)直輥輪拉直方式是讓鋼筋通過由6～8個(gè)調(diào)直輥輪組成的調(diào)直框，調(diào)直框由動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，鋼筋在拉力作用下被調(diào)直，調(diào)直輥輪隨著鋼筋前進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)因此與被調(diào)直鋼筋之間是滾動(dòng)摩擦，滾動(dòng)摩擦摩擦力遠(yuǎn)小于滑動(dòng)摩擦不會(huì)對(duì)鋼筋造成的損傷，采用高速旋轉(zhuǎn)調(diào)直輥輪對(duì)鋼筋進(jìn)行調(diào)直方式具有可行性。因此，本全自動(dòng)板筋一體機(jī)采用調(diào)直輥輪調(diào)直方式，根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)出調(diào)直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 調(diào)直系統(tǒng)圖

調(diào)直原理為在圖1中六個(gè)調(diào)直輥輪平均分為兩組自由自轉(zhuǎn)垂直地固定在兩塊的肋板上，調(diào)直輥輪之間軸線間距75 mm。兩塊調(diào)節(jié)肋板分別用3顆36#螺母固定在旋轉(zhuǎn)框上，通過調(diào)節(jié)肋板螺母可以改變調(diào)直輥輪與待調(diào)直鋼筋的壓力，當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)調(diào)直框高速旋轉(zhuǎn)時(shí)調(diào)直輥輪圍繞待調(diào)直鋼筋高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生拉力，在拉力的作用下鋼筋被拉直。調(diào)直輥輪與肋板垂直且在同一軸線上固定安裝，因此僅產(chǎn)生拉力不產(chǎn)生推力待調(diào)直值鋼筋不會(huì)前進(jìn)，鋼筋前進(jìn)將由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成。

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)

全自動(dòng)板筋一體機(jī)鋼筋長(zhǎng)度的測(cè)量誤差受軟件算法與機(jī)械結(jié)構(gòu)兩部分影響，調(diào)直系統(tǒng)在調(diào)直過程中旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到1 000 r/min，高速前進(jìn)的鋼筋具有較大的慣性，該慣性存在會(huì)增加長(zhǎng)度測(cè)量誤差。為降低測(cè)量誤差需合理設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，將鋼筋前進(jìn)慣性產(chǎn)生的誤差消除。消除鋼筋高速前進(jìn)時(shí)慣性對(duì)測(cè)量誤差影響的思路有兩個(gè)：一是鋼筋達(dá)到目標(biāo)長(zhǎng)度之前降低鋼筋前進(jìn)速度，通過高速單片機(jī)與變頻器組合調(diào)節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)柔性控制，具體控制方法見圖4；二是調(diào)直框旋轉(zhuǎn)速度高慣性大不適合急停，消除其對(duì)誤差影響的方法是其在調(diào)直過程不對(duì)鋼筋產(chǎn)生推力。經(jīng)力學(xué)分析可知當(dāng)調(diào)直輥輪與調(diào)直肋板垂直且在同一軸線上時(shí)，調(diào)直框在調(diào)直鋼筋過程中只產(chǎn)生拉力不產(chǎn)生推力，可消除調(diào)直框高速旋轉(zhuǎn)慣性產(chǎn)生誤差的影響。

按照上述要求設(shè)計(jì)的調(diào)直系統(tǒng)沒有推力鋼筋不會(huì)前進(jìn)，因此需設(shè)計(jì)推動(dòng)鋼筋前進(jìn)的的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需滿足三個(gè)要求：一是推動(dòng)鋼前進(jìn)；二是不能對(duì)鋼筋造成損傷；三是鋼筋前進(jìn)速度需與調(diào)直速度相匹配。根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)與測(cè)量系統(tǒng)如圖2。

圖2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)圖

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由兩組上下牽引輪、減速裝置、皮帶傳動(dòng)裝置構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)隱藏在減速裝置內(nèi)的彈簧松緊度控制上下牽引輪之間的壓力。鋼筋調(diào)直速度與鋼筋前進(jìn)速度匹配控制由1、2兩組皮帶傳動(dòng)裝置和牽引輪對(duì)鋼筋壓力組合控制。測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)速傳感器、測(cè)速滾輪構(gòu)成，測(cè)速系統(tǒng)通過測(cè)量滾輪的速度經(jīng)算法計(jì)算可得出調(diào)直鋼筋長(zhǎng)度和鋼筋前進(jìn)速度。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制電路設(shè)計(jì)

全自動(dòng)板筋一體機(jī)動(dòng)力由三相異步電動(dòng)機(jī)提供，合理控制異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度不僅可以提高工作效率還能把長(zhǎng)度誤差控制在較小范圍內(nèi)，控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 控制電路系統(tǒng)

控制電路由高速CPU、變頻器、測(cè)速編碼器、變壓器、整流電路、穩(wěn)壓電路等核心部件組成，變壓器、整流電路、穩(wěn)壓電路為控制電路提供電源。測(cè)速編碼器測(cè)量測(cè)速滾輪轉(zhuǎn)速，把結(jié)果傳送給高速CPU。CPU按照設(shè)定的算法算出當(dāng)前鋼筋的狀態(tài)然后控制變頻器的輸出頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的柔性控制，控制流程如圖4。

圖4 電動(dòng)機(jī)速度柔性控制流程圖

2.2 控制算法

通過對(duì)調(diào)直系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從硬件上消除了鋼筋前進(jìn)慣性對(duì)長(zhǎng)度誤差的影響，但要達(dá)到理想的長(zhǎng)度精度需選擇合適的控制算法。本系統(tǒng)的控制算法需要滿足兩個(gè)要求：一是可能提高工作效率，要求在鋼筋調(diào)直初始階段至接近目標(biāo)長(zhǎng)度階段鋼筋調(diào)直速度與前進(jìn)速度盡量快；二是為消除鋼筋前進(jìn)慣性對(duì)誤差的影響要求長(zhǎng)度接近目標(biāo)值時(shí)降低鋼筋調(diào)直速度及前進(jìn)速度，且不能停止。為了達(dá)到以上兩點(diǎn)要求全自動(dòng)板筋一體機(jī)控制算法采用PID控制原理，PID控制算法原理如公式（1）。

式中：kp為系統(tǒng)比例系數(shù)，Ti為系統(tǒng)積分常數(shù)，Td為系統(tǒng)微分常數(shù)。

圖3中CPU輸入量為測(cè)速編碼器測(cè)量滾輪轉(zhuǎn)速采樣值，該采樣值為數(shù)字量，因此需將公式（1）模擬量控制算法離散化轉(zhuǎn)換為數(shù)字量算法。假設(shè)一個(gè)鋼筋加工計(jì)數(shù)周期時(shí)間為t，m為采樣序號(hào)，n為采樣周期，則t=mn，對(duì)微分與積分進(jìn)行變換得：

將公式（3）、（4）帶入（1）可得：

式中：u為第m次采樣時(shí)刻輸出，m為采樣序號(hào)，em為偏差值。

式（5）將模擬PID控制算法離散為數(shù)字PID控制算法，通過公式發(fā)現(xiàn)只要將采樣周期變小就可以提高控制精度，在軟件編寫完成后在調(diào)試階段將通過選擇不同的采樣周期進(jìn)行驗(yàn)證獲取最優(yōu)的采樣周期。

2.3 誤差分析

根據(jù)上述機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、控制算法原理、控制電路設(shè)計(jì)方法制作出樣機(jī)，通過實(shí)測(cè)的方式驗(yàn)證本設(shè)計(jì)是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。在軟件中設(shè)置合適的采樣周期、調(diào)試好調(diào)直框后運(yùn)行樣機(jī)，本次試驗(yàn)加工調(diào)直兩組不同長(zhǎng)度的鋼筋，每組10根，得到的數(shù)據(jù)如表1。

表1 全自動(dòng)板筋一體機(jī)長(zhǎng)度誤差分析表

從表1中可知加工5 000 mm的鋼筋其長(zhǎng)度誤差最大為0.28%，加工1 000 mm的鋼筋長(zhǎng)度誤差為0.9%。滿足國(guó)家機(jī)械加工標(biāo)準(zhǔn)最大允許誤差2%要求，本調(diào)直方案設(shè)計(jì)符合鋼筋加工企業(yè)需求。

3 結(jié)語

本文通過分析現(xiàn)有全自動(dòng)板筋一體機(jī)在鋼筋加工過程中對(duì)鋼筋表面造成磨損、長(zhǎng)度誤差偏大，導(dǎo)致加工后的鋼筋不符合基礎(chǔ)建設(shè)力學(xué)要求，從調(diào)直系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制電路等方面設(shè)計(jì)，采用PID控制算法控制長(zhǎng)度誤差，采用控制變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)柔性控制，設(shè)計(jì)出了誤差符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求且在加工過程中鋼筋無損傷的板筋一體機(jī)調(diào)直系統(tǒng)。