隨動(dòng)定尺鋸切機(jī)的控制設(shè)計(jì)和應(yīng)用

孫振博,閆志勇,張 鵬,裴 旭

(大連康豐科技有限公司,遼寧 大連 116050)

0 引言

隨著連續(xù)擠壓技術(shù)的進(jìn)步,生產(chǎn)出的銅鋁及各類(lèi)合金型材產(chǎn)品尺寸不斷增大、增厚,現(xiàn)有收卷設(shè)備已不容易對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行卷曲收集,特別對(duì)厚度超過(guò)40 mm 的產(chǎn)品,只能采取分割收集。采用傳統(tǒng)液壓剪只適合切割扁平的產(chǎn)品,對(duì)于厚度較高的產(chǎn)品、異型產(chǎn)品和圓棒產(chǎn)品液壓剪切割困難,切割后斷面變形不規(guī)則需要進(jìn)行二次切割,切割下來(lái)的料頭需要重新回爐利用,而且產(chǎn)品的定尺長(zhǎng)度更難精確控制。為了解決上述問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)對(duì)大斷面型材產(chǎn)品齊頭、斷尾的切割要求,大連康豐科技有限公司自主研發(fā)出隨動(dòng)定尺鋸切機(jī)。

隨動(dòng)定尺鋸切機(jī)采用高精度編碼器計(jì)米,交流伺服電機(jī)同步跟蹤產(chǎn)品產(chǎn)出速度,按產(chǎn)品尺寸計(jì)算出合理的進(jìn)給速度,并使用圓鋸或帶鋸進(jìn)行快速切割。切割產(chǎn)品適用范圍廣、精度高,斷面整齊無(wú)多余料頭,環(huán)保無(wú)污染,已在連續(xù)擠壓生產(chǎn)線(xiàn)上得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。

1 設(shè)備的組成和工作原理

1.1 設(shè)備的組成

隨動(dòng)定尺鋸切機(jī)由測(cè)速計(jì)米裝置、直線(xiàn)導(dǎo)軌、滑動(dòng)小車(chē)、鋸切組、液壓站、卸料架、收集架、操作臺(tái)和電氣控制柜組成,如圖1 所示。

圖1 隨動(dòng)定尺鋸切機(jī)構(gòu)成圖

(1)測(cè)速計(jì)米裝置由下壓式計(jì)米輪和高精度編碼器組成。計(jì)米輪周長(zhǎng)0.5 m,高精度編碼器5 000脈沖/轉(zhuǎn),定尺精度從原理上可達(dá)0.1 mm。

(2)直線(xiàn)軌道是滑動(dòng)小車(chē)行走的軌道框架,直接用膨脹螺絲固定在地面上。

(3)滑動(dòng)小車(chē)安裝了鋸切組、隨動(dòng)壓料油缸、液壓站等主要?jiǎng)幼鞑考?/p>

(4)鋸切組包含鋸切電機(jī)、鋸切架進(jìn)給伺服系統(tǒng)、隨動(dòng)壓料油缸、限位保護(hù)開(kāi)關(guān)等。

(5)卸料架由升降托輥、送料電機(jī)、翻料氣缸、支撐架、尼龍輥等組成。

(6)收集架由放在卸料架內(nèi)側(cè),接收和儲(chǔ)存定尺產(chǎn)品。

1.2 工作原理及流程

(1)接通電源后,滑動(dòng)小車(chē)自動(dòng)移動(dòng)到初始原點(diǎn),鋸切架自動(dòng)移動(dòng)到初始原點(diǎn),液壓泵啟動(dòng)隨動(dòng)壓料油缸縮回原始位置。

(2)在觸摸屏上輸入產(chǎn)品截面尺寸和定尺切割的尺寸,觸摸屏將產(chǎn)品尺寸信息導(dǎo)入PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而計(jì)算出鋸切架進(jìn)給切割的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置。

(3)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)連續(xù)擠壓機(jī)后通過(guò)計(jì)米裝置時(shí)將計(jì)米輪放置在產(chǎn)品上,和計(jì)米輪同軸的高精度編碼器開(kāi)始計(jì)量產(chǎn)品長(zhǎng)度。當(dāng)達(dá)到設(shè)定定長(zhǎng)時(shí),滑動(dòng)小車(chē)行走變頻電機(jī)啟動(dòng),同步跟隨產(chǎn)品速度向后移動(dòng)。同時(shí)液壓泵啟動(dòng),隨動(dòng)壓料油缸動(dòng)作將產(chǎn)品緊緊壓在滑動(dòng)小車(chē)上,使產(chǎn)品和小車(chē)的速度完全同步,壓力繼電器達(dá)到壓力值后接通,隨后傳輸信號(hào)給PLC 停止油缸繼續(xù)動(dòng)作,啟動(dòng)鋸切架伺服系統(tǒng)、鋸切電機(jī)和鋸片冷卻。

(4)鋸切架從原點(diǎn)以最大速度移動(dòng)到(1)中根據(jù)產(chǎn)品尺寸計(jì)算出的切割起點(diǎn),然后鋸切架進(jìn)給速度切換為根據(jù)產(chǎn)品寬度和厚度計(jì)算出的進(jìn)給速度,從切割的起點(diǎn)到終點(diǎn)將產(chǎn)品切斷,切斷產(chǎn)品后鋸切架以最大速度回歸到原點(diǎn),鋸切電機(jī)和鋸切冷卻停止運(yùn)行。

(5)當(dāng)鋸切架回到原點(diǎn)后滑動(dòng)小車(chē)?yán)^續(xù)隨產(chǎn)品行走,達(dá)到預(yù)定位置后,隨動(dòng)壓料油缸回退,滑動(dòng)小車(chē)停止行走,送料電機(jī)啟動(dòng)將切斷的產(chǎn)品傳送到卸料架上,4 組卸料氣缸通氣動(dòng)作,將產(chǎn)品拋送至收集架,隨后氣缸退回。

(6)滑動(dòng)小車(chē)使用變頻行走電機(jī)返回初始原點(diǎn),液壓泵停止運(yùn)行。

(7)當(dāng)產(chǎn)品再次達(dá)到定尺長(zhǎng)度,隨動(dòng)定尺鋸切機(jī)將重復(fù)(3)～(6)動(dòng)作。

2 硬件配置設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨動(dòng)定尺鋸切機(jī)的功能運(yùn)動(dòng)由2 個(gè)主電機(jī)和4個(gè)輔助電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

隨動(dòng)定尺鋸切機(jī)滑動(dòng)小車(chē)由三相異步變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),采用變頻器調(diào)速控制,實(shí)時(shí)跟隨產(chǎn)品出線(xiàn)速度同步運(yùn)行,切割完成后使滑動(dòng)小車(chē)返回初始起點(diǎn);鋸切組進(jìn)給和回退采用伺服電機(jī)系統(tǒng),能夠快速響應(yīng)切割情況,根據(jù)不同產(chǎn)品寬度和厚度,采用不同的切割進(jìn)給速度,使鋸料時(shí)間盡可能的縮短,從而保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定;液壓泵電機(jī)提供液壓動(dòng)力,利用隨動(dòng)壓料油缸將產(chǎn)品完全壓緊在滑動(dòng)小車(chē)上,使兩者沒(méi)有相對(duì)位移,保證鋸料過(guò)程中不會(huì)發(fā)生產(chǎn)品夾鋸,導(dǎo)致鋸片損壞;鋸料電機(jī)作為切割電機(jī),同時(shí)具備高速度和高扭矩力;冷卻水泵電機(jī)提供冷卻水循環(huán)動(dòng)力,為鋸片提供在線(xiàn)冷卻,保證鋸片不會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而損壞,延長(zhǎng)鋸片使用壽命,降低損耗成本;送料電機(jī)將切割之后的定長(zhǎng)產(chǎn)品傳送到卸料架,由卸料氣缸動(dòng)作,將產(chǎn)品拋送至收集架。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨動(dòng)定尺鋸切機(jī)的邏輯運(yùn)動(dòng)由PLC 控制器進(jìn)行控制,選用主流西門(mén)子S7-1200PLC。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用V90(PN)系列驅(qū)動(dòng)器,變頻器采用G120 系列,PLC 與變頻器、伺服系統(tǒng)采用ProfiNet 總線(xiàn)通訊,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器和伺服發(fā)送執(zhí)行指令和接受反饋信號(hào)。

控制柜和操作臺(tái)內(nèi)采用ABB 低壓元器件,操作臺(tái)面板使用西門(mén)子KTP700 彩色觸摸屏和ABB 按鈕、旋鈕開(kāi)關(guān),安全可靠。

傳感器選用了接近開(kāi)關(guān)、機(jī)械限位開(kāi)關(guān)、拉線(xiàn)編碼器,主要用于滑動(dòng)小車(chē)、鋸切組行程位置的監(jiān)測(cè)和極限行程的安全保護(hù)。

2.3 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)直接影響設(shè)備的可靠性,在本系統(tǒng)中,變頻控制器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的電磁輻射干擾和傳導(dǎo)干擾。因此將動(dòng)力元件與控制元件在控制柜內(nèi)分開(kāi)布局,兩者電源之間采用隔離變壓器,減少了電磁輻射干擾。柜內(nèi)布線(xiàn)采用雙線(xiàn)槽,使動(dòng)力線(xiàn)和控制線(xiàn)分離,從而減少傳導(dǎo)干擾。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)連續(xù)擠壓產(chǎn)品和隨動(dòng)定尺鋸切設(shè)備使用要求,軟件系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)如圖2 所示。本文主要介紹操作控制系統(tǒng),滑動(dòng)小車(chē)速度控制和鋸料架速度控制方面的設(shè)計(jì)。

圖2 軟件系統(tǒng)控制邏輯框圖

3.1 操作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨動(dòng)定尺鋸切機(jī)控制系統(tǒng)有手動(dòng)操作運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩種工作模式,通過(guò)旋鈕轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換?；瑒?dòng)小車(chē)行走部分、鋸切架進(jìn)給部分、鋸切機(jī)、送料電機(jī)、翻料架部分的手動(dòng)操作不能在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行控制,且各手動(dòng)動(dòng)作出于安全考慮不可同時(shí)進(jìn)行,程序需要設(shè)定保護(hù)互鎖控制。

在切換到自動(dòng)模式之前,應(yīng)在觸摸屏中輸入產(chǎn)品截面參數(shù)、定尺長(zhǎng)度、產(chǎn)品需要根數(shù)或者產(chǎn)量等參數(shù),保證滑動(dòng)小車(chē)和鋸切架處于起始原點(diǎn),保證液壓泵啟動(dòng)運(yùn)行,隨動(dòng)液壓油缸處于退回狀態(tài)。

操作臺(tái)上急停按鈕、計(jì)米托架升降旋鈕、送料架升降旋鈕不受手動(dòng)或自動(dòng)模式限制。操作臺(tái)界面布局圖,如圖3 所示。

圖3 操作臺(tái)界面布局圖

3.2 滑動(dòng)小車(chē)速度控制設(shè)計(jì)

測(cè)速計(jì)米高精度編碼器以每毫米10 個(gè)脈沖信號(hào)的精度將脈沖信號(hào)輸入給PLC,當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)定尺距離后,計(jì)米器清零后重新計(jì)米。同時(shí)滑動(dòng)小車(chē)行走變頻器啟動(dòng),變頻器的輸入給定是通過(guò)PLC 內(nèi)部以測(cè)速脈沖信號(hào)與變頻行走電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、減速比、滑動(dòng)輪周長(zhǎng)等參數(shù)計(jì)算得出,為了使滑動(dòng)小車(chē)速度與產(chǎn)品產(chǎn)出速度保持一致,從而保證產(chǎn)品定尺精度。

滑動(dòng)小車(chē)與直線(xiàn)軌道之間使用拉線(xiàn)編碼器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑動(dòng)小車(chē)的位置,將當(dāng)前位置信號(hào)和速度反饋給PLC,與產(chǎn)品產(chǎn)出速度做對(duì)比,得出實(shí)際偏差后對(duì)變頻器的輸入給定值進(jìn)行修正,使滑動(dòng)小車(chē)的速度控制形成閉環(huán)。鋸料過(guò)程完成后小車(chē)回退的位置也是通過(guò)拉線(xiàn)編碼器的位置監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)的。

直線(xiàn)軌道前中后均安裝了接近開(kāi)關(guān)。前端監(jiān)測(cè)小車(chē)是否在初始位置的狀態(tài);中間接近開(kāi)關(guān)作為拉線(xiàn)編碼器清零點(diǎn),每個(gè)循環(huán)過(guò)程清零一次,消除累計(jì)誤差;后端作為滑動(dòng)小車(chē)出軌或者拉線(xiàn)編碼器故障損害的保護(hù)觸發(fā)信號(hào),一旦觸發(fā)這個(gè)信號(hào),整條生產(chǎn)線(xiàn)將立即進(jìn)入緊急停止?fàn)顟B(tài),防止設(shè)備損壞和出現(xiàn)人員傷亡事故。

3.3 鋸切架速度控制設(shè)計(jì)

隨動(dòng)壓料油缸壓緊產(chǎn)品,壓力繼電器觸發(fā)后,鋸切架行走交流伺服系統(tǒng)啟動(dòng)。整個(gè)進(jìn)給行程分為兩段,第一段從鋸料架起始原點(diǎn)到切割起點(diǎn),為了盡可能縮短鋸料時(shí)間,所以進(jìn)給速度為伺服電機(jī)最大速度;第二段從鋸料切割起點(diǎn)到切割終點(diǎn),為了避免進(jìn)給速度過(guò)快導(dǎo)致卡鋸或鋸片損壞,所以進(jìn)給速度是通過(guò)產(chǎn)品寬度和厚度或截面積計(jì)算出來(lái)的。當(dāng)達(dá)到鋸料切割終點(diǎn)后產(chǎn)品切割完畢,鋸料架以伺服電機(jī)最大速度退回起始原點(diǎn)。

伺服電機(jī)絕對(duì)值編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋸料架行走位置。在整個(gè)行程極限兩端安裝了接近開(kāi)關(guān),前端監(jiān)測(cè)鋸料架是否在初始原點(diǎn)的狀態(tài);后端作為鋸料架滑出軌道的保護(hù)觸發(fā)信號(hào)。

伺服控制器與PLC 采用ProfiNet 總線(xiàn)通訊,能夠?qū)⑺欧姍C(jī)運(yùn)行參數(shù)傳輸給PLC,通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)分析,可以判斷鋸料進(jìn)給速度是否合理,對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行微調(diào)從而保證鋸片不會(huì)因?yàn)檫M(jìn)給太快導(dǎo)致?lián)p壞。同時(shí),通過(guò)伺服電機(jī)運(yùn)行電流也可以判斷鋸片斷齒數(shù)量,當(dāng)達(dá)到一定斷齒數(shù)量后在觸摸屏上提示客戶(hù)更換鋸片,從而保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,正常生產(chǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨動(dòng)定尺鋸切機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決了產(chǎn)品與隨動(dòng)機(jī)構(gòu)速度同步的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了高精度定尺動(dòng)態(tài)切割,且在切割過(guò)程中沒(méi)有材料損耗,可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。隨動(dòng)定尺鋸切機(jī)的研發(fā)和制造使連續(xù)擠壓機(jī)產(chǎn)出的大段面銅鋁型材產(chǎn)品更易收集、運(yùn)輸、加工,為生產(chǎn)制造企業(yè)減少了成本消耗,產(chǎn)生了較高經(jīng)濟(jì)效益。