鋁擠壓后部精整雙牽引控制系統(tǒng)

王宏亮

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018)

0 前言

近年來(lái)，鋁擠壓生產(chǎn)對(duì)鋁擠壓后精整線生產(chǎn)效率及生產(chǎn)的產(chǎn)品品質(zhì)要求的不斷提高，更為先進(jìn)的生產(chǎn)工藝高度自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)線已成為鋁擠壓生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，而鋁擠壓后部精整線關(guān)鍵工藝裝備的牽引技術(shù)則是整個(gè)后部精整的核心技術(shù)[1-4]。

在鋁擠壓生產(chǎn)中，采用牽引技術(shù)可減少型材的彎曲和扭曲，確保型材的斷面尺寸和幾何形狀符合產(chǎn)品要求；采用多孔模擠壓時(shí)，使用牽引技術(shù)可使型材長(zhǎng)度一致，減少型材相互擦傷，甚至可以取代輥式矯直。因此牽引技術(shù)是擠壓后部精整線上不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，其發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。

早期的牽引技術(shù)采用單牽引機(jī)和固定中斷鋸對(duì)擠壓產(chǎn)品進(jìn)行牽引和切斷。其工藝過(guò)程是：牽引機(jī)牽引擠壓制品前進(jìn)，并對(duì)制品施加適當(dāng)?shù)睦M(jìn)行初步的矯直、當(dāng)牽引機(jī)牽料到設(shè)定長(zhǎng)度時(shí)，擠壓機(jī)中斷擠壓，中斷鋸?fù)瓿射徢?、牽引機(jī)牽料到放料位放料后再返回到中斷鋸前進(jìn)行下一次牽料、擠壓機(jī)再進(jìn)行下一次擠壓。采用這種牽引技術(shù)的生產(chǎn)是不連續(xù)的，生產(chǎn)效率低下，且制品因?yàn)閿D壓中斷失去牽引力而出現(xiàn)牽引力波動(dòng)以致產(chǎn)品產(chǎn)生環(huán)型波紋，造成殘次品，影響成品率。

第二代牽引技術(shù)采用單牽引機(jī)和移動(dòng)鋸對(duì)擠壓產(chǎn)品進(jìn)行牽引和切斷。其工藝過(guò)程是：擠壓機(jī)擠壓時(shí)牽引機(jī)牽引擠壓制品前進(jìn)同時(shí)也對(duì)制品施加適當(dāng)?shù)睦M(jìn)行初步的矯直、當(dāng)牽引機(jī)牽料到設(shè)定長(zhǎng)度時(shí)，移動(dòng)鋸跟隨牽引機(jī)移動(dòng)并鋸切、牽引機(jī)牽料到放料位放料后再快速返回到隨動(dòng)鋸前進(jìn)行下一次牽料、如此反復(fù)循環(huán)。采用這種牽引技術(shù)的生產(chǎn)雖然是連續(xù)的(擠壓機(jī)不中斷擠壓)，但制品表面因?yàn)闋恳龔埩Τ霈F(xiàn)中斷、恢復(fù)同樣會(huì)出現(xiàn)環(huán)型波紋，造成殘次品，影響成品率。

為了克服單牽引技術(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，同時(shí)提高生產(chǎn)率，出現(xiàn)了雙牽引技術(shù)，即雙牽引機(jī)牽引技術(shù)。兩個(gè)牽引機(jī)分別稱為主牽引機(jī)和副牽引機(jī)，主牽引機(jī)功能和上代基本相同，副牽引機(jī)則將移動(dòng)鋸和牽引機(jī)的功能集成在一起，這種牽引技術(shù)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)擠壓，并且在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程保持產(chǎn)品所承受的牽引力恒定，消除了擠壓中斷及牽引力波動(dòng)導(dǎo)致的環(huán)型波紋，大大提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品成品率。

雙牽引生產(chǎn)線的主要功能是當(dāng)擠壓機(jī)擠壓時(shí)，牽引機(jī)鉗口夾持制品以工藝要求的牽引力和以制品實(shí)際速度沿軌道牽拉制品，并根據(jù)工藝要求的定尺長(zhǎng)度在牽引過(guò)程中完成中斷鋸切及在特定位置時(shí)主副牽引機(jī)的牽引交接[5]。

雙牽引生產(chǎn)線要實(shí)現(xiàn)的主要工藝目標(biāo)是：對(duì)制品的移動(dòng)方向矯正；對(duì)制品進(jìn)行預(yù)拉伸矯直；對(duì)制品按照工藝要求的長(zhǎng)度中斷鋸切；在全生產(chǎn)周期保持對(duì)制品的牽引力恒定；提高生產(chǎn)效率及品質(zhì)。

本文對(duì)鋁擠壓后部精整雙牽引控制系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，重點(diǎn)闡述控制系統(tǒng)對(duì)中斷鋸切長(zhǎng)度的控制算法及對(duì)主副牽引機(jī)的牽引力的控制。

1 鋁擠壓后部精整雙牽引自動(dòng)控制系統(tǒng)

雙牽引機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)控制器選用西門子S7-300系列PLC，CPU 317-2PN/DP作為I/O控制器，3個(gè)帶有以太網(wǎng)接口的ET200M(153-4)、多臺(tái)變頻器、人機(jī)交互接口HMI等作為I/O設(shè)備，I/O控制器和I/O設(shè)備構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)[6-7]。實(shí)際生產(chǎn)中的牽引機(jī)的運(yùn)行速度高、移動(dòng)距離大，與擠壓生產(chǎn)線中相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換信息量大，因此常用的有線通訊方式不再適用于雙牽引機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的通訊要求，而無(wú)線通訊方式成為唯一選擇[8-9]。在無(wú)線通訊方式中WIAN等通訊方式的電磁波信號(hào)極易受到自身及其它電磁波的干擾，通訊的可靠性不是很高[10-13]，而光通訊方式擁有極高的抗干擾能力[14-15]，因此在雙牽引控制系統(tǒng)的無(wú)線通訊采用光通訊，控制系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 硬件網(wǎng)絡(luò)

2 雙牽引控制系統(tǒng)中斷鋸切定尺長(zhǎng)度的控制算法

以往雙牽引生產(chǎn)線中斷鋸切長(zhǎng)度值是生產(chǎn)企業(yè)工藝人員根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得來(lái)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，控制系統(tǒng)按照設(shè)定長(zhǎng)度參數(shù)控制主副牽引機(jī)之間的距離達(dá)到設(shè)定值時(shí)進(jìn)行中斷鋸切，鋸切后的制品尺寸也和工藝設(shè)定長(zhǎng)度相同，但很難準(zhǔn)確鋸切在焊合縫處，造成材料浪費(fèi)很大，嚴(yán)重影響成品率。工藝設(shè)定長(zhǎng)度值是造成中斷鋸不能準(zhǔn)確定位焊合縫的原因。

2.1 雙牽引系統(tǒng)中斷鋸切定尺長(zhǎng)度采用工藝設(shè)定值故障分析

為分析采用工廠工藝設(shè)定長(zhǎng)度造成中斷鋸不能準(zhǔn)確定位焊合縫的原因，首先，對(duì)制品經(jīng)過(guò)雙牽引中斷鋸切后的生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行分析，以此確定工藝設(shè)定中斷定尺長(zhǎng)度值的計(jì)算依據(jù)。

(1)中斷鋸切后的制品導(dǎo)入冷床，冷床的長(zhǎng)度為L(zhǎng)L。

(2)經(jīng)過(guò)拉伸矯直機(jī)拉伸矯直，在進(jìn)行拉伸矯直工藝加工時(shí)制品兩端由于拉伸矯直機(jī)鉗口的夾持而變形受損，所以經(jīng)過(guò)拉伸矯直后制品兩端一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)將成為廢品。

(3)進(jìn)入成品鋸切掉因拉伸矯直而造成的廢品部分，剩余部分按定尺L成鋸切加工完成。

由生產(chǎn)過(guò)程可以得出，要減少因拉伸矯直產(chǎn)生的廢品，提高成品率，只有使?fàn)恳龣C(jī)中斷鋸切長(zhǎng)度盡可能長(zhǎng)或等于冷床長(zhǎng)度LL(由于冷床長(zhǎng)度是一定的)，這樣一次中斷鋸切只進(jìn)行一次拉伸矯直。

以往都是生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)成品長(zhǎng)度(或成品長(zhǎng)度的倍數(shù))加制品經(jīng)過(guò)拉伸矯直造成的制品兩端廢品長(zhǎng)度預(yù)估值加一定余量得出一個(gè)預(yù)估值LG，使該值盡可能接近冷床長(zhǎng)度LL。用該預(yù)估值LG計(jì)算擠壓機(jī)的鑄錠長(zhǎng)度Lzdcd，再計(jì)算出牽引機(jī)中斷定尺長(zhǎng)度設(shè)定值。

式中，Lzdcd為擠壓機(jī)的鑄錠長(zhǎng)度；BJYB為擠壓機(jī)擠壓比；Lyyhd為壓余厚度；L為牽引機(jī)中斷鋸切長(zhǎng)度設(shè)定。

由于擠壓機(jī)擠壓生產(chǎn)是不連續(xù)的，相鄰兩根鑄錠的擠出制品是通過(guò)金屬在模腔焊合而成，在焊合處的組織及機(jī)械性能均不能達(dá)到產(chǎn)品的性能要求，因此焊合段作為廢料將被切除。所以牽引機(jī)的中斷鋸切位置最好是在兩根擠出制品的焊合縫處，工廠工藝設(shè)定值的計(jì)算依據(jù)也在此。但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)很難使中斷鋸切點(diǎn)定位在焊合縫處，不是在焊合縫前就是在后，甚至偏差非常大，造成后續(xù)切廢料的量大，甚至于造成整根廢棄，嚴(yán)重影響成品率。

通過(guò)本文分析擠壓生產(chǎn)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)造成牽引機(jī)中斷鋸不能準(zhǔn)確在焊合縫處鋸切的原因：生產(chǎn)中鑄錠的長(zhǎng)度不一定相同；預(yù)估值LG值不準(zhǔn)確；擠壓生產(chǎn)中擠壓終點(diǎn)的實(shí)際數(shù)值有差異；其它原因造成的擠壓機(jī)未完成擠壓到擠壓終點(diǎn)。這些因素都會(huì)造成單根鑄錠擠出制品的長(zhǎng)度有差異，甚至差距非常大。根據(jù)工藝計(jì)算公式計(jì)算的中斷鋸切長(zhǎng)度設(shè)定值就和實(shí)際擠出制品長(zhǎng)度值出現(xiàn)偏差，所以控制系統(tǒng)按照工藝設(shè)定中斷長(zhǎng)度值控制中斷鋸切就很難定位于焊合縫。

2.2 雙牽引控制系統(tǒng)自主計(jì)算、給定中斷定尺長(zhǎng)度的控制算法

通過(guò)分析副牽引機(jī)中斷鋸不能準(zhǔn)確定位在焊合縫處鋸切的原因，從控制軟件方面提出解決方案。放棄工廠工藝給定的中斷鋸切長(zhǎng)度設(shè)定值，而采用控制系統(tǒng)自主計(jì)算、存儲(chǔ)并每次擠壓完成時(shí)的實(shí)際制品長(zhǎng)度值并賦值給中斷鋸切長(zhǎng)度設(shè)定值，這樣控制系統(tǒng)就可以控制副牽引機(jī)準(zhǔn)確捕捉焊合縫進(jìn)行鋸切。算法程序的流程圖如圖2所示，內(nèi)容為[16]：

圖2 雙牽引中斷鋸切定尺長(zhǎng)度控制算法程序流程圖

(1)當(dāng)CPU啟動(dòng)初始化，給中斷鋸切定尺設(shè)定初值。

(2)在每次擠壓結(jié)束時(shí)調(diào)用計(jì)算擠壓制品長(zhǎng)度、計(jì)數(shù)擠壓次數(shù)并存儲(chǔ)每次擠壓的制品長(zhǎng)度數(shù)據(jù)到堆棧寄存器子程序。

(3)在擠壓次數(shù)計(jì)數(shù)器值為1或中斷鋸切結(jié)束時(shí)，調(diào)用讀取堆棧寄存器中相應(yīng)的制品長(zhǎng)度數(shù)據(jù)記錄值并賦值給中斷鋸切長(zhǎng)度設(shè)定存儲(chǔ)器。

該方案實(shí)施后經(jīng)過(guò)企業(yè)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，副牽引機(jī)都能準(zhǔn)確捕捉到焊合縫中斷鋸切，誤差基本在±2 mm范圍內(nèi)，綜合成品率從87%提高到91%左右，大幅提高了成品率，也增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的智能程度。

3 牽引機(jī)的牽引力控制

牽引機(jī)是擠壓后部精整線關(guān)鍵裝置，牽引機(jī)的牽引力控制關(guān)系著產(chǎn)品品質(zhì)及成品率。

3.1 牽引機(jī)的控制方式

鋁擠壓后部精整生產(chǎn)線的主、副牽引機(jī)的傳動(dòng)方式為交流變頻傳動(dòng)。牽引機(jī)的牽引力F=

Fd·KJ，即牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩乘以減速機(jī)的減速比，因此控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也就控制了牽引機(jī)的牽引力矩。牽引機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)，外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)[17-20]。采用速度控制模式下的轉(zhuǎn)矩限幅的方式，調(diào)速控制系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 調(diào)速控制系統(tǒng)功能圖

(1)當(dāng)牽引機(jī)牽料帶載前進(jìn)時(shí)，牽引機(jī)的牽引速度給定(VZGD或VFGD)值為1.2倍的制品速度VZPSD，但牽引機(jī)在牽料工藝過(guò)程中受擠壓機(jī)的擠壓速度VJY限制，牽引機(jī)的牽引速度不能大于擠壓制品的擠出速度VJY·KJY，交流調(diào)速控制系統(tǒng)的速度環(huán)輸出飽和，速度環(huán)輸出超出轉(zhuǎn)矩限幅器的限幅值FZGD或FFGD,經(jīng)轉(zhuǎn)矩限幅輸出給電流控制器，這樣牽引機(jī)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就是一個(gè)工藝要求的恒定值，此時(shí)牽引機(jī)的控制為恒轉(zhuǎn)矩模式。

(2)當(dāng)牽引機(jī)在鋸切完前進(jìn)、放料、返回等非工藝要求恒牽引力牽引制品的工藝段運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于牽引機(jī)的運(yùn)動(dòng)不再受到擠壓機(jī)擠壓速度的限制，轉(zhuǎn)矩限幅值取較大的常數(shù)(150%)，經(jīng)過(guò)雙閉環(huán)調(diào)速的控制，實(shí)際速度快速響應(yīng)并達(dá)到速度給定值，這時(shí)調(diào)速控制器的速度環(huán)不能形成飽和，此時(shí)牽引機(jī)的控制為速度模式。

3.2 牽引機(jī)在交接料過(guò)程中牽引力的控制

控制系統(tǒng)控制主、副牽引機(jī)單獨(dú)對(duì)制品的牽引力是非常穩(wěn)定的。但是，在雙牽引生產(chǎn)工藝中有兩個(gè)重要工藝環(huán)節(jié)“主-副交接”和“副-主交接”。

“主-副交接”是指當(dāng)主牽引機(jī)牽引制品前進(jìn)，主副牽引機(jī)之間的距離等于工藝要求的長(zhǎng)度時(shí)，副牽引機(jī)完成跟隨主牽引機(jī)前進(jìn)、鉗口夾持、鋸切、鋸返回等工藝動(dòng)作，鋸切完成后，副牽引機(jī)接替主牽引機(jī)牽料，主牽引機(jī)快速前進(jìn)放料。

“副-主交接”是指當(dāng)主牽引機(jī)放料返回并停在牽料前進(jìn)的副牽引機(jī)前一定距離，隨著副牽引機(jī)繼續(xù)前進(jìn)，主牽引機(jī)啟動(dòng)慢速前進(jìn)、接近副牽引機(jī)。直至主、副牽引機(jī)相接并以相同的速度前進(jìn)，主牽引機(jī)在次過(guò)程中完成接料、機(jī)架上升、夾持、牽料前進(jìn)。同時(shí)副牽引機(jī)則完成夾持松開(kāi)、機(jī)架下降、前進(jìn)停止、快速返回等工藝動(dòng)作。

在這兩個(gè)工藝過(guò)程中都存在著主、副牽引機(jī)同時(shí)對(duì)制品夾持、牽引力施加，造成制品在此過(guò)程中受力加倍，受力出現(xiàn)脈沖波動(dòng)，這樣劇烈的牽引力波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致在擠壓機(jī)模具出口處制品表面形成環(huán)形波紋，造成擠出制品出現(xiàn)次品。制品受力曲線如圖4、圖5所示。

圖4 主-副交接制品所受牽引力

圖5 副-主交接制品所受牽引力

圖4中，A為副牽引機(jī)鉗口夾緊時(shí)間；B為鋸切終點(diǎn)時(shí)間。圖5中，C為主牽引機(jī)鉗口夾緊時(shí)間；D為副牽引機(jī)鉗口松開(kāi)時(shí)間。

為消除在交接料過(guò)程中出現(xiàn)的制品“受力波動(dòng)”，控制系統(tǒng)對(duì)主、副牽引機(jī)在“交接料”過(guò)程中牽引力按照特定函數(shù)進(jìn)行控制，使其達(dá)到在整個(gè)“交接料”過(guò)程中制品所受的牽引力保持恒定。相關(guān)函數(shù)關(guān)系如圖6、圖7所示。

圖6 主-副交接牽引力

圖7 副-主交接牽引力

在“主-副交接”副牽引機(jī)鉗口夾緊時(shí)，控制系統(tǒng)控制主、副牽引機(jī)施加給制品的的牽引力按照?qǐng)D6所示的函數(shù)輸出。

主牽引機(jī)牽引力

副牽引機(jī)牽引力

制品所受牽引力

FZ=FZGD+FFGD=FGYSD

在“副-主交接”主牽引機(jī)鉗口夾緊時(shí)，控制系統(tǒng)控制主、副牽引機(jī)的施加給制品的牽引力按照?qǐng)D7函數(shù)輸出。

主牽引機(jī)牽引力

副牽引機(jī)牽引力

制品所受牽引力

FZ=FZGD+FFGD=FGYSD

式中，F(xiàn)Z為制品所受牽引力；t為時(shí)間。

對(duì)牽引機(jī)的牽引力按照特定的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行控制，使其對(duì)擠壓制品施加的牽引力在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中保持恒定。在完成的多個(gè)工程項(xiàng)目中運(yùn)用了該控制方法，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)驗(yàn)證，以前因?yàn)椤敖唤恿稀倍鴮?dǎo)致制品“受力波動(dòng)”出現(xiàn)在模具出口處制品表面的環(huán)形波紋沒(méi)有再出現(xiàn)過(guò)，提高了產(chǎn)品品質(zhì)及成品率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)闡述雙牽引控制系統(tǒng)采用WLAN無(wú)線通訊而頻發(fā)故障，提出用光數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對(duì)其改進(jìn)，解決了通訊故障問(wèn)題，使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性提高；針對(duì)雙牽引中斷鋸切采用工藝設(shè)定長(zhǎng)度不能準(zhǔn)確定位焊合縫，提出中斷鋸切長(zhǎng)度控制算法，準(zhǔn)確捕捉焊合縫，提高了成品率；針對(duì)雙牽引在執(zhí)行“交接料”工藝時(shí)牽引力疊加導(dǎo)致制品在磨具出口形成環(huán)形波紋，造成殘次品，提出該工藝段新的牽引力控制方法，消除了制品所受牽引力的波動(dòng)導(dǎo)致的環(huán)形波紋。本文中所闡述控制方案已在多個(gè)工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用，取得了較好的控制效果。期望以后在擠壓后部精整雙牽引生產(chǎn)線項(xiàng)目中的控制系統(tǒng)在智能化方向能有較大進(jìn)步。