銅電解陰極板全自動(dòng)V型開槽機(jī)控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用

楊陽，衛(wèi)東東

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌330031)

隨著我國(guó)銅電解行業(yè)的快速發(fā)展，永久性陰極電解法工藝得到廣泛應(yīng)用，該工藝涉及使用到大量不銹鋼陰極板，不銹鋼陰極板市場(chǎng)需求量大[1-2]。在陰極板生產(chǎn)加工制造工序中，其中一道關(guān)鍵工序：開90。V型槽，陰極板底部V型槽加工若出現(xiàn)質(zhì)量問題，會(huì)降低銅電解工藝流程中的陰極剝片機(jī)組生產(chǎn)處理能力。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)陰極板生產(chǎn)加工V型槽主要采用數(shù)控銑床，銑床以銑刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)，銑刀縱向進(jìn)給為銑削量調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)，盡管數(shù)控銑床加工的V型槽加工精度方面滿足陰極板質(zhì)量要求，但是V型槽銑削加工效率較低，而且銑刀更換頻次高，導(dǎo)致陰極板加工聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)線整體產(chǎn)效率較低[3]。為此研發(fā)出一種新型陰極板V型開槽機(jī)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)全新設(shè)計(jì)的條件基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、PLC系統(tǒng)和人機(jī)操作界面等組成的全自動(dòng)V型開槽機(jī)控制系統(tǒng)，采用刨削加工方式生產(chǎn)陰極板V型槽，刨槽行走機(jī)構(gòu)由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)同步絲桿，V型槽位置采用伺服數(shù)控定位刀具進(jìn)給量，刀具在開槽行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)陰極板底部表面進(jìn)行刨削直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)[4]。

1 開槽工藝流程特點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的陰極板全自動(dòng)V型開槽機(jī)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)主要由搬運(yùn)機(jī)器人、上料裝夾定位工作臺(tái)、新型開槽主機(jī)頭、氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成。由搬運(yùn)機(jī)器人將待開V型槽的不銹鋼板從上道工序轉(zhuǎn)運(yùn)至開槽機(jī)的上料定位工作臺(tái)上，機(jī)器人放料離開至工作臺(tái)上方安全位后，發(fā)送開槽機(jī)裝夾定位指令，氣動(dòng)系統(tǒng)中氣缸按順序動(dòng)作將不銹鋼板定位至生產(chǎn)位置后，液壓系統(tǒng)油缸啟動(dòng)工作，將不銹鋼板壓緊壓實(shí)，開槽主機(jī)機(jī)頭接收到物料裝夾到位和壓緊信號(hào)后，啟動(dòng)開槽行走伺服電機(jī)和刨槽進(jìn)給伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，按生產(chǎn)工藝要求，在人機(jī)操作界面上選擇開槽主機(jī)機(jī)頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)和設(shè)定每次刨削進(jìn)給量，開槽機(jī)頭完成V型槽作業(yè)后，發(fā)送工裝放松啟動(dòng)指令，等待工裝放松到位信號(hào)，自動(dòng)發(fā)出取物料指令至搬運(yùn)機(jī)器人前來取已開V型槽的不銹鋼板至下道生產(chǎn)工序。

根據(jù)陰極板V型槽加工工藝要求，V型槽的加工需在X和Y軸兩個(gè)方向上聯(lián)動(dòng)協(xié)同控制，其中X軸方向代表刨槽行走方向，顯示V型溝槽的長(zhǎng)度，Y軸方向代表刨削進(jìn)給方向，顯現(xiàn)V型溝槽的深度。為了降低生產(chǎn)人員人工操作強(qiáng)度，必須簡(jiǎn)化參數(shù)設(shè)定，采用人機(jī)對(duì)話界面觸摸屏，監(jiān)視開槽機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。開槽機(jī)的控制功能要求系統(tǒng)具備手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，在手動(dòng)模式，可以點(diǎn)動(dòng)或連續(xù)動(dòng)開槽機(jī)的相關(guān)裝置動(dòng)作，可以任意調(diào)節(jié)刨削進(jìn)給深度和刨削長(zhǎng)度。在自動(dòng)模式下，按照系統(tǒng)工藝要求預(yù)先設(shè)定好的刨削長(zhǎng)度，刨削起終點(diǎn)、開槽位置、每刀溝槽深度和刨削次數(shù)，刨削出符合要求的V型槽。如圖1所示開槽機(jī)刨削工藝示意圖。

圖1 開槽機(jī)刨削工藝示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陰極板全自動(dòng)V型開槽機(jī)控制硬件系統(tǒng)主要包括動(dòng)力配電系統(tǒng)、二次控制回路系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、人機(jī)界面HMI系統(tǒng)、檢測(cè)傳感器和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。動(dòng)力配電系統(tǒng)主要給開槽機(jī)整機(jī)提供動(dòng)力電源，刨槽行走機(jī)構(gòu)和刨削進(jìn)給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力電源均采用交流AC220V的電源制式，由上端接觸器控制動(dòng)力電源的分合閘；二次控制回路系統(tǒng)輸入/輸出電壓為DC24V，包括按鈕，旋鈕、中間繼電器和指示燈等二次回路均采用DC24V電源；PLC系統(tǒng)是整個(gè)開槽機(jī)的控制中樞系統(tǒng)，一切動(dòng)作指令都由PLC系統(tǒng)發(fā)出，聯(lián)系著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和人機(jī)界面觸摸屏；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)組成，X軸和Y軸各有一套；傳感器檢測(cè)單元分部在開槽機(jī)各個(gè)運(yùn)動(dòng)裝置上，配置有磁性開關(guān)、接近開關(guān)和光電檢測(cè)開關(guān)等傳感器，特別需要注意的是刨削行走X軸和刨削進(jìn)給Y軸，為了保證兩軸安全運(yùn)行，需在每軸的兩端分別加裝一個(gè)接近開關(guān)，作為軸運(yùn)動(dòng)的極限保護(hù)位，防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行范圍超出，對(duì)設(shè)備和人員安全造成一定的威脅?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖和開槽機(jī)兩軸伺服電機(jī)電氣原理圖分別見圖2和圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 開槽機(jī)兩軸伺服電機(jī)電氣原理圖

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝流程特點(diǎn)和硬件配置要求來進(jìn)行陰極板全自動(dòng)V型開槽機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，以便于電氣維護(hù)人員后期維護(hù)設(shè)備，采用子程序調(diào)用指令，IO地址映射區(qū)編寫成一個(gè)獨(dú)立的字子程序FC塊，負(fù)責(zé)輸入/輸出信號(hào)的采集和管理，手動(dòng)子程序負(fù)責(zé)在手動(dòng)模式下的開槽機(jī)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)子程序負(fù)責(zé)在自動(dòng)模式下開槽機(jī)的運(yùn)行邏輯運(yùn)算控制，觸摸屏參數(shù)設(shè)定子程序負(fù)責(zé)PLC和HMI之間的數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和調(diào)用管理，故障報(bào)警子負(fù)責(zé)采集開槽機(jī)相關(guān)裝置的故障信息，并傳輸至HMI上進(jìn)行顯示監(jiān)控，在OB1中進(jìn)行調(diào)用各子程序FC塊。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

在觸摸屏上的人機(jī)界面HMI上開發(fā)如下畫面：主頁(yè)面用于展示開槽機(jī)整機(jī)操作界面，手動(dòng)頁(yè)面顯示在手動(dòng)模式的操作選擇點(diǎn)動(dòng)或連續(xù)動(dòng)，監(jiān)視等信息，自動(dòng)頁(yè)面包括自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)顯示、自動(dòng)啟動(dòng)軟按鈕、自動(dòng)停止軟按鈕等控制信息。參數(shù)設(shè)定畫面重要參數(shù)設(shè)定，管理和監(jiān)視等信息，對(duì)于一些關(guān)鍵工藝參數(shù)數(shù)據(jù)更改寫入，增加權(quán)限管理，防止操作人員對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤寫入。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、PLC系統(tǒng)和人機(jī)操作界面等組成的全自動(dòng)V型開槽機(jī)控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)應(yīng)用表明，在進(jìn)行陰極板底部窄長(zhǎng)表面加工V槽時(shí)，基于伺服控制的開槽機(jī)更具優(yōu)勢(shì)，加工的V型槽質(zhì)量和精度均符合銅電解工藝要求，且加工效率高，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低，同時(shí)進(jìn)一步提高了不銹鋼陰極板加工聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)線的整機(jī)生產(chǎn)效率。