（机械设计及理论专业论文）冷辗环机数字控制系统研究.pdf

华北水利水电学院硕卜毕业论文 冷辗环机数字控制系统研究 摘要 冷辗扩是一种生产高精度、高性能无逢环件的技术，该技术在机械、 汽车、船舶、冶金、化工、航空航天等领域中有着广泛的应用。冷辗环机 是冷辗扩加工技术的具体实现设备，辗环机的数字控制系统的好坏将直接 影响到辗环机的加工精度、辗环加工过程的稳定性以及辗环机的加工效率。 随着智能控制技术的发展，智能控制技术逐渐应用到了多种机械设备控制 中，本次研究工作在数控辗环机的智能化控制方面做了一些初步探讨，得 到了一些新的思路。 本文以d 5 6 g 9 0 数控冷辗环机为例，设计了它的数字控制系统、研究了 辗环机进给系统的智能化控制。 具体做了如下研究工作： ( 1 ) 研究了辗环机的具体组成、工作原理。 ( 2 ) 研究了数字辗环机的数字控制系统。 ( 3 ) 研究了利用模糊控制技术对辗环机进给系统实施智能控制。 本课题的成功研究为其他工程人员进行数控机械设备控制系统研究提 供了现实的参考依据。同时本课题所采用的智能控制方法可以应用到机械 控制的很多领域，有一定的参考和借鉴价值。 关键词：冷辗环机：数字控制系统；智能控制 华北水利水电学院硕e 毕业论文 t h er e s e a r c ho fc o i dr i n gr o iii n gn u m e r i c a ic o n t r o is y s t e m a b s t r a c t c o l d r i n gr o l l i n g i sat e c h n o l o g yt o p r o d u c eh i g hp r e c i s i o n a n d p e r f o r m a n c es e a m l e s sr i n g ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nm a c h i n e r y , a u t o m o b i l e ，b o a t a n ds h i p ，m e t a l l u r g y , c h e m i c a li n d u s t r y , a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s c o l dr i n g r o l l i n gm a c h i n ei sa ne q u i p m e n tt or e a l i z ee o l dr i n gr o l l i n g ，w h o s en u m e r i c a l c o n t r o l s y s t e m c h a r a c t e r i s t i c sh a v e g r e a t e f f e c to np r o c e s s i n g p r e c i s i o n ， p r o c e s s i n gs t a b i l i t y a n dp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f i n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n g ，i th a sg r a d u a l l ya p p l i e di nc o n t r o l l i n gs y s t e mo fm a n y k i n d so fm e c h a n i c a ld e v i c e s t h i sr e s e a r c hi sa b o u ti n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n go f c o l dr i n gr o l l i n g ，i th a sp r o v i d e ds o m en e wi d e a si nt h i sf i e l d t h i st h e s i si sb a s e do nd 5 6 g 9 0o ft h en u m e r i c a lc o n t r o l l i n gc o l dr i n g r o l l i n gm i l l ，t h en u m e r i c a lc o n t r o l l i n gs y s t e ma n di n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n go f p r o c e s s i n gs y s t e mi ss t u d i e d t h ea c h i e v e m e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) t h er e s e a r c ha b o u tr o l l i n gp r i n c i p l ea n ds t m c m r eo fc o l dr i n gr o l l i n g m a c h i n e ( 2 ) t h er e s e a r c ha b o u tn u m e r i c a lc o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h ec o l dr i n g r o l l i n gm a c h i n e ( 3 ) t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o la b o u tt h ec o l dr i n gr o l l i n gf o rt h es y s t e mb y v i r t u eo ff u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y t h es t u d yw i l lp r o v i d et h er e f e r e n c eo fm e c h a n i c a ld e v i c e sn u m e r i c a l i i 华北水利水电学院硕i ：毕业论文 c o n t r o l l i n gs y s t e m sd e s i g n i n g t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o dh a sg o o dv a l u e ， c a nb ew i d e l ya p p l i e di nm e c h a n i c a lc o n t r o l l i n gf i e l d s k e yw o r d s ：c o l dr i n gr o l l i n gm i l l ，n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l i i i 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学 术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人 或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它 教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 学位论文作者签名 杉耋 签字日期：砷7 占 ， 保证人( 导师) 签名锄歹易零呤火签字同期：乃7 彳矿 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权 华北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提 供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学 位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：啼红t 签字日期： 如7 f 哼 导师签名幻f 公汐 签字日期：a 户7 - ，p 葬术必 华北水利水电学院硕士毕业论文 1 1 概述 第一章绪论 精密冷辗是从传统热辗扩发展而来的。至少在六、七十年之前，人们就产生了实现 精辗的愿望，并先后做过试验，但受到多种条件的制约。近2 0 年以来，由于精密冷辗 工艺方面的突破性进展和现代工业控制技术、传感器技术、微机技术、材料技术等的 飞速发展，为精密冷辗技术的发展创造了条件，使其由试验研究进入实用阶段“3 。 当前精密冷辗技术在世界范围内处于成长和上升时期。这一阶段的主要标志是在应 用中提高、完善、发展，在发展中扩大应用。在当前阶段，精密冷辗技术在充分发挥自 身优点的同时，还必须以冷辗环机为核心，在) j 口a - 精度、稳定性、可靠性，生产效率及 自动化程度方面与传统加工技术竞争，并在加工能力和工件种类方面扩大应用范围，直 到实现在其适宜的范围内普遍推广应用。人们期望，精密冷辗技术的加工精度能达到粗 磨加工的效果。辗环工艺又称为环件轧制、辗扩、扩孔工艺，从上世纪5 0 年代开始引 进我国，主要应用于轴承套圈、汽车发动机飞轮齿圈、齿轮毛坯、火车车轮轮箍、燃汽 轮机环、电机集电环、核反应堆容器环件等零件生产。其主要特点是，小量连续变形。 该工艺生产环形锻件，克服了自由锻和模锻工艺，冲击噪音污染、冲孔连皮浪费材料、 毛坯精度低、设备吨位大、投资大等缺点“1 。节能、节材、提高产品质量、效益极为明 显。例如，冷辗扩生产轴承套圈，节材1 0 1 5 ，寿命提高4 1 0 倍。东风e q l 4 0 后桥大轮锻坯采用辗扩工艺比模锻工艺节能3 0 、节材2 2 5 、生产效率提高2 倍。由 于毛坯精度提高，机) j i m 费大大降低。因此，辗环工艺是产业政策所极力倡导的绿色制 造。” 冷辗环机的控制系统在环件辗制过程中，有着重要作用，控制系统的好坏决定了辗 环的效率、辗环的精度、环件辗制的稳定性。为此，我们有必要对冷辗环机的的数字控制 系统做好系统的研究。让数字控制的冷辗环机像其他数控机床的工作一样稳定、可靠、 自动。 华北水利水i 札学院硕i 毕业论立 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 u r w a 一1 6 0 型冷辗机，是德国巴德杜本公司研究开发的，圆度控制辊采用随辗扩 过程不断调整其位置的方式；辗压件可达到外径、内径公差达0 0 5 r a m 。它采用圆度控 制辊来保证工件的圆度，以避免由于材料不均匀等因素引起的圆度误差。辗扩压力随辗 压时问而变化。对某种型号的套圈，计算机根据套圈的几何尺寸及材料性能存贮其辗压 力随时间变化的理论曲线。在辗压过程中。计算机根据辗压时压力的变化与理论曲线 进行比较，然后进行控制。如果辗压过程出现错误，计算机可以反映出来，机床的加工 精度比较高。但由于其控制系统比较复杂，故机床的价格也较高。“7 1 c r f 一7 0 、c r f 一1 2 0 冷辗环机，是由只本共荣精工生产的卧式冷辗扩机，国内有近 2 0 台其基本原理同u r w a 1 6 0 型，该机内装备了整径装置，以对辗扩件进行校正，从而 可以降低辗扩机构的精度要求；其精密辗扩精度可达到外径、内径公差0 0 6 m m 。c f r 系列冷辗扩机在控制方面比较简单，加工工件的圆度不及德国u r w a 系列冷辗扩机，但 价格较低，受到我国较多用户的欢迎。 1 2 2 国内发展状况 国内洛阳国投精密机械有限公司研制的d 5 6 g 系列数控精密冷辗环机通过了鉴定， 采用了p l c 控制，并以双光栅任意选择控制和测量环件内外径尺寸。与其他冷辗环机的 最大区别是该机的进给运动是由伺服电机，滚珠丝杠控制的，因而精度较高，结构简单。 外径、内径公差达_ - 4 - 0 0 5 m m 。”1 d 5 5 m - - 5 0 冷辗机由洛阳轴承研究所开发，采用开式辗扩原理、水平布置；采用多个 双支承辊以提高辗压刚性：小滑块引导的芯辊进给运动精度好；具有自适应补偿能力的 辗扩件内径尺寸控制机构，为后续工序创造了良好的条件；辗扩精度可达内径公差 0 0 7 m m ，外径公差取决于下料精度。 j k - - 7 0 和j k 一1 2 0 精密扩孔机由洛阳轴承研究所和洛阳机床厂共同开发研制，采用 封闭式辗扩原理，以双支承结构保证刚性，通过一定的机构使多余金属向两端面流动， 从而保证了内、外径的尺寸。其适应的坯料范围大，重量差可达6 ，其辗扩精度为外 径公差0 1 m m ，内径公差0 2 5 m m ，该机最大的特点在于，可辗扩截面形状不对称的环形件。 1 9 - 2 4 2 华北水利永电学院硕士毕业论文 国内自己研制运行的辗扩机还有：由机械部第十设计研究院负责，中山轴承厂、青 岛轴承厂和青岛生建机械厂参加联合开发l n k 7 0 、l n k l 2 0 型冷辗扩机，其结构形式和加 工精度等与日本的c r f 7 0 和c r f l 2 0 相同； 对于大型锻件的热辗扩，由济南铸锻机械研究所近年研制的系列数控径向一轴向辗 环机已经投入生产。该机采用了径向和轴向的双轧制和c n c 电液比例技术，分级递阶控 制，实现了辗扩过程的自动化；辗扩精度可达到3 r a m ：由武汉工学院和湖北鄂城重机 厂共同研制的中5 0 0 齿轮毛坯数控辗扩机，于1 9 9 2 年底通过机电部鉴定，可辗最大工件 外径5 0 0 m m ，外圆控制精度达到l m m 。“1 国内外最先进的大型辗环机一般由计算机采用开环、半闭环、或闭环控制，采用电 液伺服进给系统，由于电液系统反应速度较慢控制精度较低，环件精度低。国内外在环 件轧制设备领域的发展趋势是，综合运用辗环过程理论、机器动力学理论、智能控制理 论等开发更先进的数控系统，以适应单件小批量柔性轧制环件的需要。 1 3 本课题的研究内容和研究目的 数控辗环机是属于精密加工技术，其控制系统的好坏将直接影响到加工的效率和加 工的精度。所以本课题主要研究数字辗环机的控制系统的实现思路和控制系统先进控制 方法。为此，以d 5 6 g 9 0 数字辗环机为例，我们首先研究该辗环机的组成、工作原理， 进而对控制方法进行选择，制定合理的控制方案，并将其数字控制系统设计出来，最后 研究智能控制方法在数字辗环机上应用。本课题的研究目的是通过对该数字控制系统的 研究，探讨精密数字控制设备进行系统研究的方法、实现的思路，在此基础上探讨先进 数控机械的智能控制方法。 1 。4 本章小结 介绍冷辗环机的发展历史。 介绍了本课题的研究内容和研究目的。 华北水利水【u 学院颂1 毕业论文 2 1 环件轧制原理 第二章辗环机组成和工作原理 环件轧制是一种生产无缝环形件的特种加工工艺，它是通过对环形截面的局部连续 s l n ，将小直径大截面的环形毛坯逐渐辗 扩成大直径小截面的环形件。图2 1 是 径向轧制的基本原理图，其工作原理为： 驱动辊旋转，驱动辊和环件之间的摩擦带 动环件旋转，而芯棍有一个向驱动辊前进 的进给运动，从而给环件以轧制力，于是 环件通过驱动辊和芯辊构成的轧制孔型 产生连续的局部塑性变形，使环件壁厚减 小、直径扩大、截面轮廓成形。测量辊 和导向辊可以绕轴向在环件的摩擦力作 l 一驱动辊2 一环件3 一导向辊4 一芯辊5 - - 信号辊 图2 - l环件径向轧制腺理示意图 用下自由地转动【”。导向辊给环件压力作用以保证环件的平稳转动。 2 2d 5 6 g 9 0 型辗环机的基本组成 d s 6 0 9 0 型冷辗环机用于中小型向心球轴承套圈为代表的零件冷辗t i n t ，它是高精 度的冷辗环机，其床身采用对称框架式布局，整体刚性好，采用伺服电机滚珠丝杠 进给方式，动作平稳、可靠。机床主要由主轴、芯辊、随动形位辊、主滑块、进给系统、 测量、主传动、床身、机械手、液压和外罩组成。电控柜为分离式在机床之外，操作面 板在机罩右上位置【3 】。机床结构简图如图。 图2 - 2 辗环机组成简豳 华北水利水电学院硕l 毕业论文 ( 1 ) 主轴部件 主轴部件也称为驱动辊部件，其主要包括辗压轮轴系、形位辊转臂联接结构及小滑 块结构三大部分。主轴中部安装辗压轮，主轴前后端分别通过轴承安装在前、后辗轮座 上。前、后辗轮座紧固在机架左立板上。形位辊转臂通过轴承固定在主轴上。前、后小 滑块分别装入前、后辗轮座的导轨槽内。 ( 2 ) 芯辊部件 芯辊部件包括芯辊前后两支撑座、油缸三大部分。前芯辊套、后芯辊套通过轴承及 端盖等分别与前后芯辊座联成一体。前后芯辊座可对应装入前后小滑块内，而小滑块可 各自在辗轮座上的导轨槽内滑动，以改变芯辊和辗压轮的中心距，实现径向进给辗扩。 芯辊前端为自由端，插入芯辊套内，芯辊后端是以左旋螺杆将其固定在后芯辊套上，芯 辊整个后支承通过端盖将其与油缸活塞杆联结起来。 ( 3 ) 形位辊部件 目前，辗环机的形位辊大多采用了固定式和随动式结构固定式形位辊回转中心位 置固定，形位辊只在辗扩后期起作用。随着冷辗技术的发展及对形位辊研究的深入，随 动式形位辊的应用越来越多，根据形位辊摆臂位置又可将其分为摆臂内置式与摆臂外置 式。外置式形位辊座摆动支承点在主轴座外侧，内置式形位辊座摆动支承点在主轴座内 侧。随动式形位辊大多为油缸摆动式，其回转中心与主轴( 即辗压轮) 同心，在形位辊 座后侧有一液压缸提供抱辊力。另外还有单形位辊和双形位辊结构，双形位辊结构大多 应用在热辗环机上，可以更好的控制环件的圆度；单形位辊结构目前使用较为普遍，大 多应用在冷辗环机上，结构简单，更有利于辗环机结构的优化御置，且不存在双形位辊 系统的两个形位辊动作不同步的问题。d 5 6 g 9 0 型冷辗环机采用的形位辊为单辊随动式 结构，部件分为油缸、转臂和t 型座，油缸通过上吊耳安装于机架，转臂安装于主轴 上，转臂右端通过t 形座，支架带动工作辊绕主轴线旋转。转臂左端与油缸通过吊轴 联接，旋转丝杠通过挡头可调整形位辊下死点的位置。旋转固定在左侧板上的螺钉，可 调整形位辊上死点的位置。松开t 形座上的螺钉，旋转手轮可使工作辊在垂直面上转动， 从而调整工作辊相对主轴线的夹角，实现辗扩套圈锥度的调整。 ( 4 ) 主滑块部件 主滑块部件分主滑块体和主滑块座两大部分，通过燕尾导轨和斜铁将两者联接在一 起；支承轮与支承轮轴锥部联结，支撑轮轴及其零件安装于轴承套内，通过瓦盖将此套 紧固于主滑块体上 s ；两支承轮直径相等，端面平形；安装于主滑块上的螺钉可调整 导轨问隙：导轨采用集中供油润滑。 5 华北水利水i 乜学院硕l ：毕业论文 ( 5 ) 进给系统 进给系统由伺服电机，斜齿轮一螺旋伞齿轮减速器和滚珠丝杠副组成。滚珠丝杠穿 入轴套内并以圆螺母背紧。 ( 6 ) 主传动部件 主传动部件用来驱动主轴，带动辗压轮做旋转运动，主要由电机、减速器、皮带传 动轮、联轴器和主轴等组成，减速器装在床身上面，主电机安装在床身内部。 ( 7 ) 床身部件 床身部件由机架、底座、冷却系统和润滑组成。机架由左侧板、底板、右侧板、前 拉杆套和后拉杆套组成，底座部分为钢板整体焊接结构。冷却泵安装在底座左下部，打 出的油经铝塑管直浇到辗压轮及工件上，起到润滑和冷却作用。 ( 8 ) 机械手部件 机械手部件由底座、油缸、导轨、钳爪、料道等部分组成。油缸通过底盖与支架联 结，支架通过与底座联结，而底座通过螺钉、键2 0 x 1 7 0 和后拉杆联结，位于辗压轮的 右上方。导轨座以4 - - m i o 固定在油缸上端盖和下端盖上。油缸上端伸出的活塞杆通过 联结体与滑块联结，滑块下端固定有支座、钳爪，钳爪可绕销轴压缩弹簧转动，以实现 钳爪开合 s 。上料道安装于机架左立板上，其中心位于辗轮中心线上。 2 3 辗环机的工作原理及工作过程 机床的工作原理为：辗压轮与芯轴中心轴平行，毛坯套在芯辊上，在进给丝杠的 进给推力作用下，滑块带动支撑轮向芯辊移动，支撑轮与芯辊接触后，推动芯辊上的毛 坯向辗压轮作径向进给，方面毛坯在芯辊径向压力作用下，受到径向压缩；另一方面在 辗压轮与毛坯之间的摩擦力的作用下，毛坯做旋转运动，从而塑性变形区沿着毛坏的圆 周方向转移。因此，芯辊与碾压轮之倒的中心距逐渐缩小，环件发生直径变大、壁厚减 小的塑性变形。当环件尺寸符合成品要求后，滚珠丝杠停止进给，进入精辗阶段，环件 的圆度和外观进一步提高。s l $ j 过程中，随动式形位辊始终与环件外表面接触，起到定 心、防振与整圆的作用。辗环结束，形位辊机构与滑块进给机构迅速复位，芯辊在油缸 的作用下，向一侧退回，环件卸料，然后机械手将下一个毛坯套在芯辊上，进行下一次 辗环生产。【1 3 1 随着数控技术和计算机控制技术的发展，数控和微型计算机控制的辗环机应运而 华北水利水电学院硕士毕业论文 生。采用数控或微型计算机控制的辗环机可实现缩短生产和调整工艺的时间减轻工人 劳动强度。提高制件精度降低工件的成本。辗环机配备有行程测量系统，用伺服系统调 节回路可以控制辗环机滑块的行程位置，驱动辊相对于固定的芯辊作进给运动，进给控 制装置可以调节环的瞬时厚度，使环外径以稳定的速度增大，随着壁厚的减薄，进给速 度逐渐减小。机器还有一个测量辊和两个导向辊，测量辊用于控制环的外径，使轧制过 程分为生轧和精轧阶段，在到达额定外径后使轧制过程结束，导轮用来保持环坯的小心 位置。其定位额定位可以调整，测量系统除对环外径和导轮进行监测外，还监测滑块位 置。利用配电箱的十进制开关可以调整与模具有关的测量系统修正系数，直径的变化可 由驱动辊和芯辊来补偿，快速进给、始轧和主轧的固定速度可以同样利用配电箱的十进 制开关进行调整。 2 4 本章小结 介绍了环件轧制的原理。 研究了冷辗环机的基本组成和工作原理。 牛北水利水电学院颐l 。毕业论立 第三章数字辗环机的控制方法 辗环机是一种用于扎制无接缝环件的锻压设备。5 0 年代，锻压设备几乎全部采用简 单的继电器控制。6 0 年代初在美国、英国和日本开始出现普通数控锻压设备。6 0 年代 末，许多国家着手研制锻压设备的计算机控制，到了7 0 年代，在国际博览会上各种计 算机控制的锻压设备已屡见不鲜。据不完全统计，1 9 6 8 年美国拥有5 0 0 6 0 0 台计算机 控制的锻压设备，1 9 7 3 年则激增至1 8 6 9 台，相当于5 年前的3 倍多。进入8 0 年代后， 不仅计算机控制的锻压设备的拥有量有更大的增长，而且种类也更加齐全，控制技术日 趋成熟，水平愈来愈高。 从技术水平发展来看，最初是为单台锻压设备研制，由分立元件构成的专门数控装 置，现在则以含有集成电路组成的微型计算机为基础，开发一些通用的控制系统，使其 不断能控制多种锻压设备，而且能方便地予以扩展，以致控制整条生产线。同时，将其 与上级中央计算机相连，构成包括计算机辅助管理在内的完整控制系统。 随着计算机控制技术的发展。锻压设备计算机控制已发展成以下几类： 1 ) 锻压过程的计算机检测。计算机通过传感器和接口电路采集、显示和记录锻压过 程参数，它只能为操作人员的决策、控制提供依据，而不能自动控制生产过程。 2 ) 锻压过程的计算机直接控制。计算机除有上述第一类系统的作用外，还可通过接 口电路和执行器件控制过程参数，使生产过程能按预先编制的程序和输入的数据自动进 行，从而得到符合要求的产品。 3 ) 锻压过程的计算机优化控制。计算机除有上述两类系统的作用外，还按照预先选 定的目标函数对过程参数优化，使系统在最佳状态下运行。 4 ) 锻压生产的计算机控制一体化，它包括锻压生产的管理，工艺过程和模具的计算 机辅助设计( c a d ) ，模具的计算机辅助制造，以及过程的直接控制等。 国内数控锻压设备的研究工作起步较早，6 0 年代中期即有一些高等院校、研究所和 工厂合作研制普通数控液压机和冲模回转头压力机。然而，由于十年政治动乱和基础电 子工业薄弱等原因，这一技术一直未能很好地应用于生产。7 0 年代末期之后，伴随计算 机技术的发展和普及，我国开始自行研制计算机控制锻压设备，同时又由国外引进了少 量的自动化程度较高的锻压设备，从而使我国的锻压设备的面貌有所更新，更应该指出 的是，因为锻压设备计算机控制的特点，尽管我国一些科技人员已掌握了计算机控制技 华北水利水电学院硕t 毕业论文 术，却难以提供成熟的、通用的锻压设备计算机控制系列产品，改变这一现状正是锻压 设备研制工作者的刻不容缓的任务。 3 1 辗环机控制发展概况 第一台辗环机1 8 4 2 年在英国问世，由于它在加工无接缝环件方面具有显著的优越 性，因而得到了迅速发展，现在辗环机在汽车、轴承、化工容器、喷气发动机、铁路车 辆等部门得到了广泛应用。随着现代工业的发展，环形件的种类、批量、数量都急剧 增加，其精度要求也越来越高。 随着数控技术和计算机控制技术的发展，数控和微型计算机控制的辗环机应运而 生。采用数控或微型计算机控制的辗环机可实现缩短生产和调整工艺的时间，减轻工人 劳动强度，提高制件精度降低工件的成本。如德国w a g n e r 公司发展的k f r a _ | v m 型辗环机 在采用新的结构形式的同时，还采用了比较先进的控制方式。该辗环机配备有行程测量 系统，有一机液伺服调节回路可以控制辗环机滑块的行程位置，使主辊相对于固定的芯 辊作进给运动，进给控制装置可以调节环的瞬时厚度，使环外径以稳定的速度增大，随 着壁厚的减薄，进给速度逐渐减小。机器还有一个测量辊和两个导向辊，测量辊用于控 制环的外径，使轧制过程分为主轧和精轧阶段，在到达额定外径后使 l sr j 过程结束，导 轮用来保持环坯的中心位置。其定位额定值可以调整，测量系统除对环外径和导轮进行 监测外，还监测滑块位置。利用配电箱的十进制开关可以调整与模具有关的测量系统修 正系数，直径的变化可由主辊和芯辊来补偿，快速进给、始轧和主轧的固定速度可以同 样利用配电箱的十进制开关进行调整。 w a g n e r 公司已生产出三座标数控辗环机，不仅对内、外径进行检测和控制，还可以 检测控制轧制环件的壁厚，这种辗环机加工出的制件精度高，而且生产效率高。 美国通用电气公司1 9 7 4 年1 1 月开始使用了芝加哥的格罗特思特( g r o t n e s ) 机器厂 制造的4 0 d f r 型专用辗环机，该机有上、下两个芯辊均为主动辊，芯辊转速可在1 0 4 0 r m i n 之间无极变速，由一个4 0 马力的电动机经一个液压变速器传动。用液压差动 装置补偿环件内外径的圆周速度差。 另外，据资料介绍，新近设计了一种环轧过程的最优控制系统，其设计思想是：根 据轧制过程中的轧制力曲线，可以获得一个等效的压力辊( 芯辊) 进给速度曲线，其目的 是将该速度值作为输出变量。由于这个轧制过程控制基本代表了非线性控制系统，因此， 预先假设了一个输出反馈形式，利用比例脉冲积分( p i ) 控制器，控制器增益通过求二次 华北水利水电学院颂i 。毕业论文 性能指标的极小值而被优化，二次性能指标用来保持压力辊进给速度符合要求的曲线。 为获得较为精确的环形零件，抱辗必须以一定的压力与环坯外周保持接触，其控制 问题越来越多地引起了人们的重视已由单纯控制校正力的“容积式系统”和单独用来 调整抱辊的“定位系统”发展到综合这两种功能的电子测控系统。前西德专利2 8 3 0 2 5 2 介绍了一种较简单的压力数控装置，它可以根据工件截面尺寸的变化自动调整抱辊作用 在工件上的压力和抱辊的位置啪”。 在辗环机的控制方面。我国与国外差距较大，洛阳轴承研究所研究制造的全自动轴 承套圈冷辗环机，虽然采用了单片机技术，但只限于工作循环的顺序控制，不控制轧制 过程。研制开发我国辗环机的数字控制技术具有重要意义。例如：武汉理工大学研制的 声5 0 0 m m 型辗环机实现了计算机在线控制，所生产的环件尺寸精度达到l m m ，内外圈 圆度为l m m ，成品率达1 0 0 。 3 2 控制原理 调定辗环机主滑块( 或芯辊) 的工作进给速度，使其满足成形性的要求。主滑块的工 作进给速度调定后，在稳定轧制变形阶段，声5 0 0 m m 型的芯辊为匀速进给，测控系统检 测芯辊的匀速进给速度和每个坯料的重量，按数学模型计算，预发精整信号的位置( 或 精整外径) ，测控系统跟踪轧制过程检测工件外径，当工件外径等于精整外径时，计算 机发信号使主滑块快速退回，此控制原理的实现使精轧信号的发信位置随芯辊的工进速 度和毛坯重量等因素的改变而改变，避免了机械限位和行程开关控制的缺点，在国内外 是首创。 实现上述控制原理有如下优点： 1 ) 提高了制件的尺寸、形状精度和成品率。 2 ) 节约原材料。同样是轧制e q l 4 0 后桥从动锥齿轮，使用计算机控制的牛5 0 0 r a m 型 辗环机时，只需下料2 6 k g ，而使用手动控制辗环机时，需下料3 3 3 5 k g 。 3 ) 改变制件的品种和尺寸时，快速方便。 3 3 冷辗环机实时测控技术的发展 冷辗扩技术是一种精密塑性加工技术，过程具有明显的非线性、时变、非稳态、藕 合、快速等特点，为了保证加工精度和这一复杂过程稳定性，需要对过程进行实时测量 与在线控制，目的冷辗扩机大都采用计算机数字控制( c n c ) ，系统结构如图2 所示，一般 1 0 华北水利水电学院硕 ：毕业论文 包括c n c 系统、d a 装置、执行机构、被控对象和测量反馈装置”1 。c n c 一般可归纳为两个 ( 1 ) 实时数据采集对被控参数的瞬时值实时采集，并输入计算机。 ( 2 ) 实时决策控制对采集到的被控参数的状态量进行分析，并按己确定的控制规 律决定进一步的控制过程，适时地向执行机构发出控制信号。 i 一。j 给定值l 计算机 i被控参数 图3 1 计算机控制系统基本框图 冷辗扩机的计算机系统形式多样，其中比较典型的是分级分布式控制系统，其主要 结构是：伺服控制器( 或称伺服驱动控制模板) 、执行机构、反馈装置等与操作台、p l c 和 强电控制柜组成现场控制级( 第l 级d d c ) ，作为前台的实时控制。p l c 主要进行各种开关 信号的处理和控制，伺服控制器( 内含微处理器) 负责接受工业p c 机的指令和数据，并完 成对各执行机构的控制算法和驱动。工业控s f j p c 机作为监控级( 第2 级) 计算机，主要完 成人机对话、菜单管理、数据输人、图形显示以及向各伺服控制器发出动作命令，协调 他们的工作等后台处理任务。通过网络配置一台计算机作为第三级控制，可实现计算机 管理。德国巴德杜本公司u r w a 型冷辗环机、国产p c r 型冷辗扩机都是分级分布式c n c 系统 ( 均无管理级) 。随着计算机技术和微电子技术的快速发展，可编程控制器与工业控制计 算机及分布式工业控制系统技术互相融合，其功能越来越强大，早己突破了“顺序控制” 的阶段，高性能的可编程控制器具有类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化 的应用软件的设计功能，可实现多任务实时控制，可编程控制器具有了高性能的控制功 能，在单机自动化中具有重要的地位。 3 4 本章小结 介绍了辗环机数字控制技术发展状况 提出了以p l c 为核心的数字控制技术。 华北水利水i u 学院硕l ：毕业论文 第四章辗环机数字控制系统设计 4 1 辗环机控制系统总体设计方案 d 5 6 6 9 0 数控辗环机是一台机、电、液一体化的数控设备，用该设备加工高质量的无 缝环件是十分有效的方法，具有许多优良的工艺特性：该机主要用于轧制轴承环、齿圈、 法兰、轮毂、薄壁桶形、风电法兰、高径法兰等锻件，可轧制碳钢、不锈钢、钛合金、 铜合金、铝合金以及高温合金等材质环形件；目前在机械工业、石油化工业、纺织业、 工程机械以及航空航天业等领域中得到了广泛的应用。d 5 6 g 9 0 辗环机数字控制系统由 p l c 、人机界面、执行元件、操纵器件、信号整形电路等部分组成，见下图： 图4 - 1 控制系统总图 1 ) 控制器件为控制按钮及行程开关； 2 ) 人机界面包括显示屏及参数设定键盘通过标准r s 一2 3 2 与p l c 进行实时通讯： 3 ) 执行元件包括控制电机及电磁阀的接触器及中间继电器等； 4 ) 信号整形及转换电路为光栅信号的整形和转换等。 4 2 可编程控制器( p l c ) 简介 可编程控制器( p r o g r a u u n b l ec o n t r o l l e r ) 简称p c 或p l c ，是在电器控制技术和 计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、 计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。目前，p l c 己被广泛应用于各种 生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控 1 2 兰韭垄型查皇兰堕堡主兰些丝塞 制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱( p l c 、机器人、c a d c 心) 之一“。 国际电工委员会( i e c ) 于1 9 8 7 年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案 中对可编程控制器定义如下：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在 工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出， 控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业 系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。 定义强调了p l c 应直接应用于工业环境，必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适 应能力和广阔的应用范围，这是区别于一般微机控制系统的重要特征。同时，也强调了 p l c 用软件方式实现的“可编程”与传统控制装置中通过硬件或硬接线的变更来改变程 序的本质区别。 近年来，可编程控制器发展很快，几乎每年都推出不少新系列产品，其功能已远 远超出了上述定义的范围。 4 2 1p l c 的产生与发展 在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用 广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是 其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。 1 9 6 8 年美国通用汽车公司( g m ) 为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变 化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能 减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算 机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起 来，制成种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言” 进行编程，使不熟悉计算机的入也能很快掌握使用。 1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了 世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。 从此这项技术迅速发展起来。 早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代 传统的继电器控制，通常称为可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 。 随着微电子技术和计算机技术的发展，2 0 世纪7 0 年代中期微处理器技术应用到p l c 中， 使p l c 不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能1 。 1 3 华北水利水i 乜学院硕1 毕业论文 2 0 世纪8 0 年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展， 1 6 位和3 2 位微处理器应用于p l c 中，使p l c 得到迅速发展。p l c 不仅控制功能增强， 同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具 有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使p l c 真正成为具有逻辑控制、过程控制、 运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。 自从第一台p l c 出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制p l c ，并得到了迅 速的发展。目前，世界上有2 0 0 多家p l c 厂商，4 0 0 多品种的p l c 产品，按地域可分成 美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派p l c 产品都各具特色，如日本主要发展中 小型p l c ，其小型p l c 性能先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占用重要地位。 著名的p l c 生产厂家主要有关国的a b ( a 1 l e n b r a d l y ) 公司、g e ( g e n e r a le l e c t r i c ) 公司，日本的三菱电机( m i t s u b i s h ie l e c t r i c ) 公司、欧姆龙( o m r o n ) 公司，德国的 a e g 公司、西门子( s i e m e n s ) 公司，法国的t e ( t e l e m e c a n i q u e ) 公司等。 我国的p l c 研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。在2 0 世纪 7 0 年代末和8 0 年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的p l c 。此后， 在传统设备改造和新设备设计中，p l c 的应用逐年增多，并取得显著的经济效益，p l c 在 我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。目前，我国不 少科研单位和工厂在研制和生产p l c ，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香 岛电机制造公司、厦门a - b 公司等。 从近年的统计数据看，在世界范围内p l c 产品的产量、销量、用量高居工业控制装 置榜首，而且市场需求量一直以每年1 5 的比率上升。p l c 已成为工业自动化控制领域 中占主导地位的通用工业控制装置。 4 2 2p l c 的特点与应用领域 一、p l c 的特点 p l c 技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多 独特的优点。它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等 问题。主要有以下特点： 1 可靠性高、抗干扰能力强 可靠性高、抗干扰能力强是p l c 最重要的特点之一。p l c 的平均无故障时间可达几 十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干 扰措施： 1 4 华北水利水电学院硕上毕业论文 ( 1 ) 硬件方面i o 通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对p l c 的影响； 对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对c p u 等重要部 件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁 保护、自诊断电路等。 ( 2 ) 软件方面p l c 采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障；在 p l c 系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断； 当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操 作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。 2 编程简单、使用方便 目前，大多数p l c 采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的 编程语言。梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容 易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、 灵活。同时，p l c 编程器的操作和使用也很简单。这也是p l c 获得普及和推广的主要原 因之一。许多p l c 还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化 了编程。 3 功能完善、通用性强 现代p l c 不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有a d 和d a 转换、数值运算、数据处理、p i d 控制、通信联网以等许多功能。同时，由于p l c 产品 的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的 控制系统。 4 设计安装简单、维护方便 由于p l c 用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作 量大为减少。p l c 的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试 周期。在维修方面，由于p l c 的故障率极低，维修工作量很小；而且p l c 具有很强的自 诊断功能，如果出现故障，可根据p l c 上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原 因，维修极为方便。 5 体积小、重量轻、能耗低 由于p l c 采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体 化的理想控制设备。 二、p l c 的应用领域 目前，在国内外p l c 己广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、 1 5 兰j ! 查型查坐兰堕堡! ：望些堡皇 轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着p l c 性能价格比的不断提高，其应用领域不断 扩大。从应用类型看，p l c 的应用大致可归纳为以下几个方面： 1 开关量逻辑控制 利用p l c 晟基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继 电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：机床、注塑机、印 刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是p l c 最基本的应用，也是p l c 最广泛的应用领域。 2 运动控制 大多数p l c 都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广 泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。 3 过程控制 大、中型p l c 都具有多路模拟量i o 模块和p i d 控制功能，有的小型p l c 也具有模 拟量输入输出。所以p l c 可实现模拟量控制，而且具有p i d 控制功能的p l c 可构成闭环 控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置 控制和速度控制等方面。 4 数据处理 现代的p l c 都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的 采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数 值控制( c n c ) 设备，进行处理。 5 通信联网 p l c 的通信包括p l c 与p l c 、p l c 与上位计算机、p l c 与其它智能设备之i 日j 的通信， p l c 系统与通用计算机可直接或通