快速高精度定尺剪切控制系統

文/陳佳

摘要：基于伺服控制器與PLC定位模塊相結合在高精度、高速度運動定位系統中的應用, 用三菱工控產品(只用一臺PLC), 設計了一套定尺剪切控制方案。經實驗驗證, 它運行速度快、定位精度高, 性價比高。

關鍵詞：伺服控制器；PLC；定位模塊；快速；高精度

快速高精度自動剪切控制系統具有廣泛的應用價值, 以鋼鐵行業為例, 無論是軋鋼廠還是鋼材配送單位都非常需要快速高精度自動剪切成套設備, 不同厚度不同寬度的板材需要高效率地被切成統一的尺寸, 直接送上家電或其它生產線, 而無需再加工。衡量自動剪切設備性能的是自動化程度及定尺精度的高低, 它們將直接影響企業生產效率及產品質量。進口設備運行速度快、定位精度高, 生產線由一臺工控機作為上位機, 通過總線的方式控制多臺PLC, 達到控制整條生產線的目的。這種生產線結構復雜, 價格昂貴。國產設備雖然價格上很有優勢, 但性能遠不如進口設備。我們用三菱工控產品(只用一臺PLC), 設計了一套定尺剪切控制方案, 經實驗驗證, 它運行速度快、定位精度高, 性價比高。

1 定尺剪切生產線簡介

定尺剪切生產線主要由開卷機、校平機、送料機構、剪板機、輸送裝置、堆垛裝置等六部分組成, 其中板材定尺剪切部分是整套設備的關鍵。定尺剪切生產線示意圖如圖1 所示, 它適用于加工冷軋和熱軋碳鋼、硅鋼、馬口鐵、不銹鋼及表面涂鍍后的各類金屬材料。原材料卷板經開卷機和校平機, 經過緩沖地坑后按照給定剪切長度要求定位后, 剪板機將鋼板裁切成成品, 最后經皮帶送至堆垛裝置包裝。我們的方案中, 位于地坑中的光電開關的作用:根據鋼板下垂程度決定開卷、校平機的啟停和運行速度, 用來保證送料部分高速運行所需要材料的長度, 測長輥驅動電機由三菱伺服控制器控制, 剪板機的運行速度由三菱變頻器控制, 三菱可編程控制器控制測長與剪切高效地配合動作, 操作人員可通過三菱觸摸屏輸入每刀剪切的長度與需剪切的數量, 設定完成后啟動系統自動投入運行。

2　定尺剪切控制原理

板材定尺剪切部分是整套設備的關鍵, 定尺剪切是在材料停頓時刻進行的, 也就是說, 切刀刀口分離時, 定長控制系統啟動, 送料長度由PLC、伺服驅動器聯合進行控制, 觸發開始后, 系統直接以預設的加減速率、最高速度、S曲線以及目標長度為基本參數, 計算出運轉速度曲線, 直接驅動伺服馬達送料, 當輸送的長度到達規定長度時, 卷材停止運動, 切刀刀口切下, 將卷材切斷。依次循環,自動地將卷材切割成規定長度的板材。定尺剪切的機械部分由夾送機構和剪切機構兩部分組成, 夾送機構由交流伺服電機驅動旋轉,上下夾送輥的加緊力調至剛好壓緊板料, 使板料在兩輥中按設定的速度無滑動滾動, 完成送料和測長。剪切機構由變頻電機帶動做連續上下運動, 剪切的速度由PLC跟據每刀剪切的長度等條件算出。

在控制方面, 根據具體控制要求的不同, 可分為兩種控制方式:

(1) 位置半閉環控制

在這種控制方式下, 伺服電機上的反饋元件既是速度反饋元件又是位置反饋元件。根據設定的加速度、運行速度、減速度和長度, 定位功能模塊自動的完成速度和位置的控制。這種控制方式雖然不能消除牽引輥打滑和機械傳動間隙產生的長度誤差。但是我們可以通過定位功能模塊用軟件修正這些系統性誤差。

(2) 位置全閉環控制

在位置全閉環控制方式中, 在測量輪上安裝了增量式光電編碼器, 伺服電機上的編碼器作為速度反饋元件, 測量輪上的編碼器作為位置反饋元件。這樣, 伺服控制器可消除牽引輥打滑和機械傳動間隙產生的長度誤差。但安裝增量式光電編碼器機械結構相對復雜些。為保證控制精度, 我們采用的是位置全閉環控制方式。

3　控制系統的組成

3.1　硬件組成

系統的電氣控制部分采用日本三菱的Q系列可編程序控制器, 主要包括Q00JCPU模塊、QD75P伺服定位摸塊、QJ61BTCC-LINK通訊模塊和AJ65SBTB1 CC-LINK系列遠程數字量輸入輸出模塊;人機界面采用三菱GT1575-VNBA觸摸屏;伺服送料系統采用三菱交流伺服電機和MR-J3數字交流伺服驅動器;剪切機、校平機控制器采用三菱FR-A740系列變頻器, 如圖2所示。

3.2　軟件設計

本系統人機界面采用的是GT1575 觸摸屏, 它在系統中起了非常重要的角色。觸摸屏總共有12幅基本畫面和窗口畫面組成, 主要分兩大部分:一是正常的操作人員操作的主畫面, 如圖3、4所示;二是設備維修、調試人員須口令才能進入的特殊功能畫面, 它的參數改變直接影響設備的運行。在本系統中最主要的部分就是伺服送料, 它是保證系統精度的核心, 伺服控制器的參數、數據設定比較復雜,基本參數主要是單位設定、脈沖當量、脈沖輸出模式、轉動方向、速度限制值、加減速時間。回原點參數主要是復歸的方式、方向、原點地址、速度。在人機界面的軟件設計中,把與伺服系統相關的定位數據參數直接編寫在畫面中, 通過人機界面可顯示和修改PLC數據存儲器的數據, 這樣可以有效的對系統進行調整、改變。

因為使用了QD75P伺服定位摸塊, 定位控制編程更多是使用設置/監控軟件QP (GX-Configurator)通過填表的方式來完成。Q00JPLC主要完成開卷、校平、剪板、堆垛的程序控制, 程序包括手動和自動兩個部分, 全線的運行速度匹配和各部分相互之間的通訊是控制的難點。采用標準的串行數據傳送(RS232 或USB)實現PLC與PC機之間的通訊, 系統采用CC-LINK實現PLC與變頻器、PLC與遠程I/O模塊之間的通訊, 采用總線實現PLC與觸摸屏之間的通訊。

4　控制系統技術性能

此控制系統在技術性能上有如下特點:

(1) 系統采用PLC與人機界面相結合, 操作直觀、方便, 系統的布線更簡單。

(2) 系統采用定位模塊QD75P與MR-J3數字交流伺服驅動系統相結合, 定位精度高(包括機械器件響應能達到0.1mm), 運行速度快(線速度能達到60M/min)。

(3) 系統采用CC-LINK遠程通訊, 使用了遠程I/O模塊, 只用了一個PLC完成了對開卷機、校平機、送料機構、剪板機、輸送裝置、堆垛裝置六臺單機的控制。結構緊湊、性價比高。

(4) QD75P系列定位模塊和MR-J3 系列數字交流伺服驅動器都有設置/監控軟件, 這樣參數的設定和監控變的非常容易。

5　結束語

本控制系統經實驗驗證:定位精度高、運行速度快。由于它涉及的智能器件及軟件品種比較多, 開發難度比較大,但對于操作人員來說使用是非常簡單的。

（作者：陳佳，南京工業職業技術學院）