定位剪切控制在智能制造中的應(yīng)用研究

金 萍

(太原學(xué)院 機(jī)電與車輛工程系，山西 太原 030032)

0 引言

國(guó)內(nèi)橫切定位剪切系統(tǒng)多為剪切質(zhì)軟、比重小的板材(如鋁板)，或厚度變化小、品種規(guī)格少的板材(如硅鋼)，這些板材容易實(shí)現(xiàn)剪切控制。控制方法大都采用固定降速點(diǎn)、速度分擋切換的思想，沒有自動(dòng)定位控制模型，很難進(jìn)一步提高剪切精度和剪切效率[1]。開卷機(jī)板材卷拆除捆帶和拾取回收捆帶的工作,大都由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低且風(fēng)險(xiǎn)較高[2]。

以上方法難以適應(yīng)材質(zhì)硬、比重大的不銹鋼板、碳鋼板等,尤其是不銹鋼板，其表面光潔度高，只有將測(cè)長(zhǎng)輥的壓力控制在合適范圍，才能既保證不銹鋼板表面不受損，又保證測(cè)長(zhǎng)精度高。某廠生產(chǎn)的不銹鋼板材的厚度從0.1 mm～5 mm，多品種、多規(guī)格[3]，因此，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化大，負(fù)載變化大，對(duì)自動(dòng)定位控制系統(tǒng)要求高[4]。為此，本文建立了自動(dòng)定位模型，采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，研究改進(jìn)了自動(dòng)定位控制模型和降速點(diǎn)模型[5]，對(duì)于板材材質(zhì)硬度變化、厚度變化、負(fù)載變化、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化均可以自適應(yīng)[6]；采用機(jī)器人自動(dòng)拆捆帶并回收系統(tǒng)，從而增強(qiáng)產(chǎn)線智能化，提高生產(chǎn)效率，減少消除安全隱患[7]。本文研究的定位剪切控制充分發(fā)揮了傳動(dòng)系統(tǒng)和設(shè)備的能力，剪切速度與開卷機(jī)速度自動(dòng)適應(yīng)，提高了剪切效率和剪切精度，具有智能制造示范作用。

1 橫切定位剪切系統(tǒng)主要設(shè)備及工藝

某廠板材橫切定位剪切線如圖1所示，生產(chǎn)過程包括上卷、機(jī)器人拆捆帶、開卷、直頭矯、活套高度檢測(cè)、夾輥、測(cè)長(zhǎng)輥和編碼器PG測(cè)長(zhǎng)、電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)和夾送輥使板材運(yùn)行、剪機(jī)、矯直和垛板等環(huán)節(jié)。需剪切的鋼卷由天車吊到鋼卷入口鞍座上，上卷小車將鋼卷從鞍座送到開卷機(jī)，開卷機(jī)對(duì)中，卷筒漲開，壓輥壓住鋼卷，將鋼卷固定，上卷小車下降退回原位。該橫切定位剪切線用于將大卷切成各種尺寸的板，能剪切碳鋼、硅鋼、不銹鋼等板材。

圖1 板材橫切定位剪切系統(tǒng)設(shè)備及工藝簡(jiǎn)圖

鋼卷拆捆帶機(jī)器人系統(tǒng)安裝在開卷機(jī)前端，用于鋼卷上卷作業(yè)前捆帶的自動(dòng)拆除和回收作業(yè)[8]，如圖2所示。拆捆帶系統(tǒng)由一臺(tái)六軸工業(yè)機(jī)器人、拆捆頭、捆帶卷取裝置、輸送裝置、回收料斗、安全圍欄和安全門和控制系統(tǒng)組成。各部分的具體功能如下：

(1) 工業(yè)機(jī)器人：采用負(fù)載150 kg、回轉(zhuǎn)半徑3.2 m機(jī)器人，用于攜帶拆捆頭，并將剪切完畢的捆帶夾送至捆帶卷取裝置。

(2) 拆捆頭：拆捆頭為機(jī)電一體化產(chǎn)品，在拆捆頭上集成了剪刃、液壓動(dòng)力元件和檢測(cè)元件等。

(3) 捆帶卷取裝置：捆帶卷曲裝置采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的卷曲機(jī)構(gòu)，對(duì)拆解的捆帶進(jìn)行卷曲作業(yè)，形成一個(gè)小卷，便于回收運(yùn)輸。

(4) 捆帶輸送裝置：放在卷取裝置的下方，接收并輸送卷取成小卷的捆帶，將其輸送至回收料斗內(nèi)；回收料斗為焊接結(jié)構(gòu)件。

(5) 電氣控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)由機(jī)器人電控柜和主電控柜組成。機(jī)器人電控柜用于機(jī)器人的控制。主電控柜用于整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的控制，由西門子S7-1500PLC等電氣元件及觸摸屏柜體等組成。

通過機(jī)器人機(jī)械手左右移動(dòng)機(jī)頭，激光傳感器尋帶及定位鋼卷外徑，使夾帶剪切機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)鋼卷周向上的捆帶進(jìn)行抓帶剪切，并經(jīng)機(jī)器人牽至自動(dòng)卷帶裝置卷曲后回收。實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人代替人工作業(yè)，從控制系統(tǒng)接收指令，自動(dòng)完成識(shí)別、定位、剪切、回收等操作。

圖2 攜帶拆捆頭的機(jī)器人

2 自動(dòng)定位剪切控制系統(tǒng)

2.1 雙閉環(huán)定位剪切控制系統(tǒng)

定位剪切控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖3所示，內(nèi)環(huán)是PWM調(diào)速環(huán)，外環(huán)為定尺位置環(huán)。位置控制具體如下：由PLC讀入鋼板定尺剪切長(zhǎng)度設(shè)定值L0后，定時(shí)掃描測(cè)長(zhǎng)L，計(jì)算偏差ΔL，通過定位控制模型計(jì)算，輸出作為速度內(nèi)環(huán)給定值；通過PLC的D/A模板輸出電壓控制信號(hào)U，控制PWM調(diào)速系統(tǒng)和電機(jī)，通過減速箱和夾送輥使鋼帶運(yùn)行，直到ΔL減少到零時(shí)為止，使得剪切的鋼板達(dá)到設(shè)定長(zhǎng)度，完成一張板材的自動(dòng)定位剪切控制，如此循環(huán)。

圖3 雙閉環(huán)定位剪切控制系統(tǒng)

2.2 自動(dòng)定位控制模型

自動(dòng)定位控制簡(jiǎn)稱APC，每個(gè)剪切周期(1,2,3,…,i,…,n)分三段：第一段是加速段；第二段是恒速段；第三段是減速段。加速段采取電機(jī)和機(jī)械限定允許的最大加速度升速，然后以恒速vim運(yùn)行。降速過程是實(shí)現(xiàn)快且準(zhǔn)剪切的關(guān)鍵，圖4(a)為板材升速—恒速—自由減速—停止運(yùn)行過程，τ為時(shí)間常數(shù),vim為第i個(gè)剪切周期夾送輥?zhàn)畲笏俣取Ｔ撨^程存在著阻尼減速過程不會(huì)無限長(zhǎng)，但比較慢的特點(diǎn)。圖4(b)為板材升速—恒速—最大減速度直線降速—停止，該過程具有板材理想的降速—停止運(yùn)行特性。

圖4 一個(gè)剪切周期的速度圖

設(shè)每個(gè)剪切周期降速點(diǎn)Di(1,2,3,…,i,…,n)的開始點(diǎn)時(shí)間為t=0，速度v=vim；結(jié)束點(diǎn)時(shí)間為t=td，速度v=0。設(shè)L為td時(shí)間段板材運(yùn)行長(zhǎng)度，則有：

(1)

因此，每個(gè)剪切周期從降速點(diǎn)開始的減速過程中，速度v和偏差ΔL在t(0～td)時(shí)刻的關(guān)系為：

v=vim-amt.

偏差為td時(shí)段板材運(yùn)行長(zhǎng)度減去t時(shí)段板材運(yùn)行的長(zhǎng)度，即：

(2)

由公式(2)求得：

(3)

公式(3)是理想的減速曲線，當(dāng)位置趨于設(shè)定值時(shí)，ΔL→0、v→0,有：

(4)

按公式(3)定位在實(shí)際系統(tǒng)上是有缺陷的，系統(tǒng)將出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn)高效率剪切和高精度。因此，通過理論分析和實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行如下改進(jìn)：

(5)

(6)

其中：K為速度給定系數(shù)，K=KaUmax/vmax，Umax=8v,vmax=60 m/min;Lr為板材慣性滑行裕量。

在降速曲線中，當(dāng)偏差降至ΔL≤Pr(Pr為發(fā)剪機(jī)啟動(dòng)信號(hào)的提前量，略大于Lr，依據(jù)調(diào)速范圍，調(diào)試確定)時(shí)，U=0，啟動(dòng)橫切剪機(jī)。由于開卷機(jī)的速度是變化的，因此每個(gè)剪切周期vim(1,2,3,…,i,…,n)也是變化的，減速段按最大減速度降速，運(yùn)行同一條降速曲線，減速點(diǎn)長(zhǎng)度Di計(jì)算公式如下：

(7)

Ka在vim=vmax，Dmax=360 mm時(shí)，經(jīng)理論計(jì)算后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。

vim=α1vk，α1=f1(hi)。由此可見，vim與開卷機(jī)速度vk和活套高度hi有關(guān)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用西門子S7-1500 PLC及HMI[9]，傳動(dòng)系統(tǒng)采用PWM調(diào)速系統(tǒng)，采用低慣量電機(jī)。PLC硬件主要由CPU模板、開關(guān)量輸入模板、開關(guān)量輸出模板、模擬量輸入模板、模擬量輸出模板和高速計(jì)數(shù)模板等組成。操作站與S7之間通過MPI網(wǎng)連接，保證數(shù)據(jù)的高速傳輸。遠(yuǎn)程I/O以及傳動(dòng)系統(tǒng)通過ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線接至PLC[10]。

3.2 控制程序框圖

控制軟件包括初始化程序、自動(dòng)定位剪切控制程序，程序框圖如圖5所示。每張板材分加速段、恒速段、減速段，到降速點(diǎn)，減速段按照APC定位模型控制，剪機(jī)剪完開始降落未落地前給出一個(gè)信號(hào)，PLC收到此信號(hào)清零，重新啟動(dòng)下一張板材剪切周期，直到剪夠Z0張停止。

3.3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

開卷機(jī)機(jī)器人系統(tǒng)拆捆帶，鋼板厚度0.1 mm～5 mm，開卷機(jī)鋼板送料速度0 m/min～40 m/min連續(xù)可調(diào)，剪切速度自動(dòng)適應(yīng)。脈沖當(dāng)量為0.05 mm/脈沖，定尺設(shè)定長(zhǎng)度600 mm～6 000 mm,由HMI給定。定尺精度±0.5 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究改進(jìn)的自動(dòng)定位剪切控制模型、降速點(diǎn)計(jì)算模型，能充分發(fā)揮傳動(dòng)設(shè)備的能力，剪切速度與開卷機(jī)自動(dòng)適應(yīng)，提高了全線速度和剪切效率。運(yùn)行結(jié)果表明：剪切精度由原來的±2 mm提高到±0.5 mm。提高了板材剪切線的智能制造水平，具有示范作用。

圖5 自動(dòng)定位剪切控制程序框圖