（机械工程专业论文）连续高速五金件生产线电控系统的开发研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 目前国内门窗五金件的生产存在整体水平低、产品质量差、功能少、寿命短、 匹配性差的状态，难以满足塑钢门窗配套的要求。国内生产门窗五金件的工厂绝大 部分规模小，缺乏资金，缺乏技术人才，没有研发力量，生产工艺落后，生产装备 简单，到目前为止国内还没有一条连续自动冲压生产线，我国塑钢门窗市场上使用的 高档五金件几乎全部采用进口产品，几乎所有国外大公司都主要采用连续高速冲压 和连续辊压成型技术，生产效率高，成品率高而且稳定。 本文根据国内外五金件生产的电控系统的技术现状，分析了国产第一条连续高 速全自动五金件冲压生产线的工艺要求和设备性能，提出该生产线电控系统的硬件 配置的方案，并研制符合工艺要求的软件编程和通讯程序。 文章分析了本生产线关键设备控制的几个关键技术，并根据存在的问题提出解决 方案，本文还研究了矫平矫直机的同步闻题，高速高精度伺服送料问题，在高速生 产过程中各工序严格配合的问题，以及在连续高速生产过程中设备安全问题。 根据论文研究成果开发的生产线电控系统现已研制成功，调试后投入使用，经 过考核，系统运行平稳可靠，达到工艺要求，具有先进性，与国内同类产品相比， 生产设备效率大幅度提高且产品质量稳定。 关键词：五金件压力机p l c直流电机伺服电机 一一 l 华中科技大学硕士学位论文 - _ _ _ _ _ 日_ m _ _ - _ _ _ - _ _ _ i _ e _ _ t _ _ - _ - l a b s t r a c t t h el o ww h o l el e v e l ，b a dr a wm a t e r i a l ，b a dq u a l i t yo fp r o d u c t s ，f e wf u n c t i o n s ， s h o r tl i f e t i m e , b a dc o m p a t i b i l i t y , t h a ti st h e p r e s e n t l e v e lo fc h i n ah a r d w a r e p r o d u c i n g , a n d h a r d l y t om e e tt h e h i g hd e m a n d o f p l a s t i c w i n d o w s m o s to fd o m e s t i ch a r d w a r e m a n u f a c t o r i e ss t a n di ns m a l ls c a l e ，l a c ko fc a p i t a la n dt e c h n i c i a n s ，l a go fc r a f ta n d p r o d u c i n ge q u i p m e n t , a n d e v e nn o wt h e r ei sn oa u t o m a t i cp r e s sp r o d u c tl i n es p e c i a lf o r w i n d o w sh a r d w a r ei nc h i n a ，a n dt h em a r k e to fh i 曲l e v e lh a r d w a r em o s t l yo c c u p i e d b y t h ef o r e i g n e rc o m p a n i e s ，m o s to fw h i c hd oh a v et h e i ro w na u t o m a t i ch i g h - s p e e dp r o d u c t l i n e s ，a d a p t i n gt h et e c h n o l o g yo fr o l l i n gf o r m i n gw i t ht h o s e , t h ef i n i s h e dp r o d u c t sr a t ei s r a t h e rh i g ha n ds t a b l ew i t hh i g he f f e c t i v e t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m t e c h n i q u ec o n d i t i o no f w i n d o w s h a r d w a r e p r o d u c i n gi np r e s e n t o n a b r o a d ，c a r e f u l l ya n a l y z i n g t h e h i g h - s p e e d a n d f u l l - a u t o m a t i ct h ef l i n tw i n d o w sh a r d w a r ep r e s s i n g p r o d u c i n gl i n e o fd o m e s t i cc r a f t r e q u e s t i n ga n de q u i p m e n t sc o n s t i t u t e ，g i v i n gt h em e t h o da n dr e a s o no ft h ee l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e mh a r d w a r em a t c h i n ga n dt h e s o f t w a r e p r o g r a m m i n gt h i n k i n g a n dt h e c o m m u n i c a t i o n p r o g r a mm e e t i n g t h ec r a f td e m a n d s t h ea r t i c l e c a r e f u l l ya n a l y z a d t h e p r o d u c t i o n l i n e k e yt e c h n i q u e o ft h e k e y e q u i p m e n t s d e c t r o u i cc o n t r o ls y s t e ma n db r i n gu pt h es o l u t i o n , f o re x a m p l et h e m a c h i n e i s s y n c h r o n o u sp r o b l e mo fr e c t i f i c a t i o nm a c h i n e ，t h es t o r a g eo ft h em a m f i a l p r o b l e mf o r t h ec o n t i n u i n gp r o d u c i n g ，t h eh i g h - s p e e dh i g h p r e c i s i o ns e l v o s e n d i n g m a t e r i a l ，t h ee x t e n s i v ea d a p t a b i l i t yb e c a u s eo fv a r i o u sh a r d w a r es p e c i e s ，t h es y s t e m c o n t r o lt ot h ep r e s sm a c h i n e ，t h es t r i c tc o o p e r a t i o no fa l lt h ew o r k i n gp r o c e d u r e ，t h e e q u i p m e n ts a f e t yo f c o n t i n u o u sh i g h s p e e dp r o c e s s i n g t h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo ft h el i n eh a sb e e nm a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l ya n d d e b u g g e da n dp u t t e di nu s e ，a n dh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，t h es y s t e mi sw e l lr u n n i n gi n s t e a d y ，r e a c h i n gt h ec r a f tr e q u e s t ，h a v es o m ea d v a n c e t h ee f f i c i e n c yo ft h ep r o d u c t i o n e q u i p m e n t so ft h el o c a lo ft h es a m ek i n dl i n ei n c r e a s en e a l 2 0t i m e s ，a n dp r o d u c t i o n q u a n t i t y i ss t a b i l i t y k e y w o r d ：h a r d w a r e p r e s sm a c h i n e p l cd cm o t o rs e r v om o t o r 一_ _ _ - _ - _ _ - - - - - - - _ - 一- - - 一- _ _ - _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - - 一 n 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：白卫名莩 日期：2 中年? 月2 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：白2 译指导教师签名： 日期：功拜年3 8 2 1 日日期：2 口口中年3 为z f 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 1绪论 十几年前，塑料门窗业在中国的大地上步履蹒跚，经过短短十余年的准备和发展， 为今天大力发展化学建材打下丁良好的基础。无论从生产能力和装备水平，还是产 量、用量与品种质量以及工艺技术水平，都有了很大的发展与提高。各种情况表明， 中国塑料门窗业正在走向成熟。十余年来，通过“六五”到“八五”期间的引进国外先 进设备和技术，在消化吸收的基础上逐步形成了我国独立完整的行业体系。全国现 有型材生产厂2 0 0 多家，拥有型材生产线1 0 0 0 余条，其中专委会会员单位约7 0 0 余 条，引进生产线约占1 2 ，型材生产能力均为3 0 万吨。组装生产厂约在1 5 0 0 家以上t 门窗组装能力约为2 3 0 0 万平方米。生产塑料门窗的各类专业设备如挤出机、焊接机、 印刷机、覆膜机、弧型窗机和各类挤出型材模具，国内均能自行制造，有的质量达 到或接近国外先进水平，相关的各类原料、助剂、涂料、橡塑配件也基本上国产化。 就此而言我国已具备生产和推广应用塑料门窗的强大物质条件。 据统计，塑料门窗的生产量与应用量在迅速增长，尤其是近几年内，型材每年 以一万多吨的速度递增：8 6 年型材产量仅5 0 0 0 吨，9 0 年l 万吨，9 2 年2 万吨，9 3 年4 万吨，9 4 年5 万吨，9 5 年6 万吨，9 6 年突破7 万吨，9 6 年产量约为欧洲年产 量的l 3 。中国塑料门窗的发展已进入世纪之交，历史将为我们提供发展的良好机遇。 根据九五发展现划，我国每年城镇住宅建设量达2 4 亿平方米，住宅将成为我国新的 消费热点和新的经济增长点。建筑业的大好形势为塑料门窗提供了广阔的市场。另 一方面，随着我国建筑节能工作的深入开展，塑料门窗作为节能产品，要逐步地从 民用住宅扩展到公用、工业建筑，从北方采暖地区逐步扩展到长江流城和南方炎热 地区，这将使塑料门窗面临极大的发展机遇【1 】。 门窗五金件是在塑钢门窗上安装使用的，实现门窟开、闭等功能的五金制品。 它由一系列零部件组成，在门窗安装时组装在一起，构成一套机构，完成一定的开 华中科技大学硕士学位论文 i i i i i m - _ - _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ 一 闭等功能，使门窗能更好地为人们服务。门窗五金件在我国有广大的市场，单是城 镇的建筑每年有三亿平方米的建筑面积，约有七千五百万平米的门窗，需要6 2 5 0 万 套五金件，如果塑钢门窟占4 0 n ，需2 5 0 0 万套塑钢门窗五金件。如按2 0 0 1 年塑钢 型材产量预计3 0 万吨，可组装3 0 0 0 万平米的塑钢门密，也需配2 5 0 0 套五金件，而 这几年也正是塑钢门窗高速发展的时期，它急需五金件的配套。 目前，我国塑钢门窗市场上使用的高档五金件几乎全都采用迸1 ：3 产品1 2 j ，中档产 品也有部分进口，每年花费许多外汇。由于进口产品价位较高，受经济承受能力影响， 使得目前市场上有些中高档门窗型材不得不配用一些价位低、技术含量亦低的五金 配件，致使塑钢门窗的各项优良功能不能很好的体现和发挥出来，同时也造成人们对 塑钢门窗的一些误解，直接影响了塑钢门窗的大量推广应用，国家制定的节能政策不 能很好的落实。 欧洲等发达国家高中档五金件( 平开翻转窗五金件) 年实际用量很大，仅德国 就超过3 。0 0 0 万套，其塑钢窗8 0 以上为平开翻转窗，配套五金件生产也处于世界领 先地位，德国和奥地利塑钢门窗已占建筑门窗的5 5 。大部分公司都有自动或半自 动的生产线和组装生产线，保证了大规模连续化生产，产品质量好，精度高，而且 产品范围广，涉及多种门窗五金件，使塑钢门窗的功能得以淋漓尽致地体现。 塑钢门窗五金件的生产和应用在国外已有五十多年的历史，他们积累了丰富的 经验，西欧几乎所有大公司都主要采用连续高速冲压和连续辊压形成技术，生产效 率高，成品率高而且稳定，这种工艺路线是先进的，应该吸收并在国内应用。 五金件的加工大部分采用高速连续冲压成型，比如长杆五金件，长度2 1 0 0 毫米， 内有1 0 1 2 加工工步，每分钟加工完6 0 8 0 件，其数控送料速度为1 7 0 米分2 2 8 米 ，分，送料精度为正负0 3 r a m 步长。 1 2 国内外五金件生产的电气控制技术现状 1 2 1 国外五金件生产线电气控制技术现状 五金件生产在德国等发达国家一般采用连续自动化冲压生产，其工艺是钢带开 2 华中科技大学硕士学位论文 卷、矫直矫平、贮料、送料、冲压、抛料、收件、弯曲、镀锌，对应的生产线是由 开卷机、矫直矫平机、贮料机构、送料机、冲压机、抛料机、收件箱等设备组成。 这种生产方法的特点是采用宽台面中型机械式冲压机，使用多工位连续级进模，而 且送料步距大、送料精度高。其产品质量稳定，成本较低。 世界冲压工业的柔性自动化的发展加快了五金件生产线控制技术的发展，五金 件自动冲压生产线是冲压技术一个新的应用领域，在关键技术上五金件自动冲压生 产线和汽车工业冲压生产线是相似的，当前五金件生产线及装备向以下几个方面发 展： ( 1 ) 运用大型多工位压力机的五金件生产 九十年代中期，国外冲压技术发展到大型三坐标多工位压力机自动化连续冲压， 由送料机、大型压力机、高速工件传送系统和码垛工位组成，生产节拍可达1 0 0 1 2 5 次分钟【3 】口其主要特点是：生产效率高，是单机联线自动生产线的2 3 倍，全自动化、 智能化，整个生产线只需2 3 人进行监控，当压力机模具更换时，只需输入要换模 具的编号，其余工作自动完成，整个换模时间只需5 分钟，换模的同时对多工位压 力机运行特征作智能化调整，特别是配有电子三坐标送料多工位的压力机，可以根 据模具随意调节运动路径和时间。当冲压小型零件时，送料步距减短，节拍提高， 通过合理的模具布置，可一次冲压2 - 3 个零件，具有充分的自由度，柔性极强【4 】。电 子多工位送料压力机的优点是生产率高、工件处理最优化、工件转换迅速、维修量 低、诊断性能好、成本低。 ( 2 ) 高速化与复合化相结合，提高加工效率 提高生产率是永恒的追求目标，各冲压厂家均致力于冲压机械的高速化研究， 在五金件生产中，主要采用伺服控制的液压主驱动系统来提高压力机的行程次数【”， 提高五金件的生产速度。 在五金件生产过程中追求高速化加工的同时，还必须尽可能缩短生产辅助时间t 以取得良好的技术经济效益。在矫平矫直机上配备伺服电机驱动的上下辊间隙调整 装置，可使生产辅助调节时间大大减少。 将几种工艺或几个工序复合在一条生产线上完成，是当前各类机床大幅压缩生 华中科技大学硕士学位论文 产辅助时间，提高生产率的重要技术途径，在五金件生产设备上也得到了成功应用， 效果十分显著。如德国、美国、臼本已相继开发出新的五金件生产线中多盘钢带同 时在一台压力机中送科和冲压，目前最多作到三盘铜带同时送料和冲压，相当于一 条线作三条线的工作，但生产辅助时间大幅压缩【们。 ( 3 ) 五金件生产控制系统的柔性化发展趋势 产品面临的重要挑战之一，是如何更具柔性，以适应“及时生产”的要求。五金 件生产厂家要求设备的所有控制功能集成化，从而实现全套生产过程的菜单化管理， 比如压力机的滑块行程调整、平衡器气压的调整、气垫行程调整。以及自动化控制 系统等各个环节的参数设定。 五金件生产控制系统的集成化，可通过单一操作接口实现所有生产设备的各项 控制功能，包括故障诊断、模具菜单配置、可编程控制器、限位开关和模具监控的 调整等，并使设备的维修保养更加方便，而且明显增加设备的有效工作时间。 具有现场通信网络、现场设备互联、互动操作性、分散功能模块、开放式互联 网络的现场总线技术，是五金件生产设备的控制技术的发展方向，对实现自动化具 有明显的推动作用。 1 2 2 国内五件生产线电气控制技术现状 国内门窗五金件的生产还属于整体水平低、原料材质差、产品质量差、功能少、 寿命短、匹配性差的状态，难以满足塑钢门窗完美配套的要求门。在国内人们一般都 认为门窗五金件的生产属于劳动力密集型产业，这是我国优势之一。我国目前生产 塑钢门窗五金件的工厂很多，大部集中在浙江、广东、河南、山东等地，这些工厂 绝大部分规模小，缺乏资金，缺乏技术人才，没有研发力量，生产工艺落后，生产 装备简单。到目前为止国内还没有一条连续自动冲压生产线，个别能生产塑钢平开 悬窗五金件的厂家，也是采用各单台设备单个工位生产的工艺，生产效率低，生产节 拍最高只有3 5 次分钟，人身安全和工作环境差，在手工上下料和传送工件过程中， 易造成工件划伤等缺陷，精度低，所以质量也不稳定，互换性也差，装配困难i ”， 4 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本文主要工作内容 塑钢门窗五金件项目一直得到我国政府的重视和支持，早在1 9 9 0 年初的9 0 1 工 程中就把塑料管和管件、塑钢型材及塑钢门窗五金件列为发展的三大内容，在前国 家经贸委主持和领导下，前两项内容已在国内不同地方还建设几个示范工厂，并发 挥了良好的作用，使我国塑料管和管件、塑钢型材近年来有了飞速发展，唯独塑钢 门窗五金件，由于技术复杂，投资大，加上国外不转让技术，目前也不和我们合资， 且国内众多厂家没有在五金件自动或半自动的生产线和组装生产线上下功夫，造成 了今天的现状。 基于国内门窗五金件庞大的市场和国内的落后现状，原国家经贸委以双高一优的 项目支持着国内五金生产线的项目建设，目前这个项目由具有雄厚资金力量的北新建 材集团公司承担建设。北新集团结合各家优势，联系国外五金件生产线的工艺特征， 以济南二机床集团有限公司和上海第二锻压机床厂为主，加上一些辅件设备的相关 厂家，集体攻关，北新集团五金件项目组对工艺把关，相关厂家对设备把关，集体 开发国内第一条连续高速全自动五金件冲压生产线。 论文配合工艺方案和设备方案，对该项目电控系统进行方案设计和关键设备控 制方案技术攻关。主要作了如下的工作： 1 ) 克服目前国内五金件单机生产的落后局面，实现五金件生产线的全自动生产， 按要求进行控制系统的硬件系统的设计和软件编程。 2 1 目前国内五金件的单机生产效率很低，基本上为3 5 件，分钟，而国外先进技术 达到1 0 0 - 1 2 5 件，分钟，结台国内的实际国情和设备状况，工艺对电控系统的要求是最终 投产后五金件的产量达到4 0 6 0 件，分钟。 3 ) 1 i i 内部分生产工厂对设备和操作者的人身安全关注的程度不够，有时往往一些 被忽略的细节导致重大的安全事故，而五金件生产线中很重要的设备是压力机，压力 机在生产中操作者由于长期操作导致的疲惫很容易引发对人身的伤害和设备损坏f l o l ， 而本项目中压力机的吨位都很大，一般在1 6 0 吨到3 1 5 吨之间，对安全生产尤其要关 注在电控系统的设计中必须采取相应的措施，预防安全事故的发生。 华中科技大学硕士学位论文 综合以上的要求，该电控系统的最终的控制目的是该生产线能达到连续高速全自 动安全生产。 为了满足门窗不同的动作要求，要求有不同的门窗五金件来配套，总共要有一 千多种五金件，根据五金件的不同和模具的要求，我们配备了不同吨位的压力机， 但工艺设备相似，本文以其中的一条3 1 5 吨压力机线为例进行分析与研究。 1 4 本章小结 本章简单介绍了课题的来源、目的及研究意义。对国内外五金件生产状况和电控 系统的现状作详细的阐述。最后给出本文要作的工作。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 五金件生产工艺 由于目前国内没有连续高速五金件冲压生产线，经过多方考察和比较。最终确定 本项目的工艺方案，并确定了相关的机械设备。 2 1 五金件生产线的设备组成 l 双头液压开卷机，2 焊接机，3 矫直矫平机，4 贮料装置5 伺服送料机，6 闭式双点压力机，7 连续级进模具，8 抛料装置，9 收件箱1 0 磁性传送带，1 1 电气控制系统，1 2 带钢 图2 1 连续高速五金件生产线工艺示意图 图2 1 为生产线的工艺流程图，系统的设备组成如下“： ( 1 ) 双头液压开卷机：它主要由液压涨紧心轴、内外挡圈、气动摩擦盘、机身转 动系统、移动装置( 轴向移动) 、机身组成。开卷机为两个心轴，一个工作时，另 一个可用于上料，以便提高生产效率，开卷机的心轴采用液压油缸驱动铰链使其涨 缩。 由于卷料较窄，所以在开卷机心轴上设有内外挡圈，开卷机心轴由电机驱动， 便于自动引料，自动运行时，由引料装置牵引，为使卷料在开卷机与引料间形成一 8 9 自 华中科技大学硕士学位论文 - _ _ t _ _ _ 日口自_ _ - _ _ 目_ _ 日_ _ ；j l 目_ e = ll 定的引力，开卷机设有气动摩擦盘，其阻力可通过调节风压控制。 开卷机单边一次可装三卷料，为保证每卷料与开卷线中心重合，在开卷机底部 采用油缸驱动，使整个开卷机在纵向可以移动，保证每个卷料与开卷线中心重合， 同时三卷料之间有隔离盘，隔离盘能够轴向固定。在卷料捆带打开时，板料容易产 生反弹伤人，为此采用气动压紧装置压紧卷料。 ( 2 ) 焊接机：将上一盘料的料尾和这盘料的料头切断后对齐焊接。焊后打磨，以 避免手工送料进模具的危险，同时可以提高生产效率。 ( 3 ) 矫直矫平机：对圆盘带钢进行矫平和矫直处理，以保证带钢能顺利进入摸具， 使送料准确，产品符合要求。它主要由矫平辊矫直辊、机身、间隙调整系统、变频 电机驱动力系统组成，矫直矫平精度为o 2 哪m 。采用九辊矫直矫平，上机架四根， 下机架五根。电机采用交流变频电机，其速度可调，并与压机速度自动匹配。上工 作辊的升降采用手动丝杆机构；上、下工作辊间隙通过百分表显示。 ( 4 ) 贮料装置：这部分的功能是将带钢做一定的存贮，以备生产使用。 ( 5 ) 伺服送料机：采用上下辊驱动，上辊通过气缸实现抬起和落下，上下辊的驱 动采用伺服电机，压机冲压时。送料上辊通过气缸抬起，使带料准确定位，同时避 免冲压时带料的滑动带来的对辊子及传动的冲击。上下辊的驱动采用小惯量的伺服 电机通过伺服电机和编码器的配合实现送料长度的精确控制。数控送料步距1 2 0 0 2 2 1 0 m i t l ，送料节拍为4 0 6 0 次分钟，送料精度要求到0 3 m m 步长。 采用伺服系统将带钢定长输送到模具中，送料耩度要求较高，以满足模具生产 的要求。 ( 6 ) 闭式双点压力机( 含快速换模装置、装模高度自动调整装置、液压过载保护 装置、平衡器、减震器等) ：压力机通过滑块带动模具对带钢进行冲压生产，滑块由 滑块体、连接器、装模高度调整系统、液压保护装置、装模高度指示装置等组成。 装模高度调整是通过电磁制动电机、蜗杆蜗轮付、链轮传动、转动调节螺杆来实现 的。装模高度调整量的上、下限位，分别由限位开关控制，调整电机在调整到极限 位置时自动停止。为了防止操作不慎或意外因素造成设备过载，滑块内设置了液压 保护系统。超载保护装置集气动泵、卸荷阀、压力开关于一体，结构紧凑、反应灵 9 华中科技大学硕士学位论文 敏，当压力机工作超负荷时，超载装置卸荷，滑块行程停止。当系统压力过低时， 超载装置发讯号，滑块不能开动。 本压力机设有平衡器，通入压缩空气后平衡滑块及上模重量，可以消除连杆、 调节螺杆等受力部位的间隙。 传动轴是压机传递动力的部分，置于横梁体内，传动轴左右布置，分两级减速， 第一级为m 型多楔带传动，第二级为人字齿轮传动。主电机采用z 4 直流电机，进口 调速系统，实现无级调速。人字齿轮由马格插齿机加工，精度高，保证了压机低噪 声、高精度，采用了湿式离合器、制动器，显著降低了磨擦材料的磨损。压机备有 电子凸轮和机械凸轮各1 套，采用双回路控制，并预留控制通道。装有飞轮制动器， 可迅速停止飞轮旋转。为适应较大的左右台面，两连杆间距离加大，增强压机抗偏 载能力“”。 本装置由绝对位移传感器测量实际装模高度，可预置9 9 种模具参数。当输入模 具号后，装模高度调到预置值后自动停止，可避免换模时人为失误，损坏模具。 本装置由液压泵站，升降导轨及可折叠支架组成，换模时打开换模支架，升降 导轨升起( 比工作台高2 舳) ，将松开的模具拉出工作台，用模具车运走即可。新 模具放在换模支架上，推入工作台，升降导轨落下，收起换模支架，紧固模具，即 可完成换模。 ( 7 ) 连续级迸模具：对带钢进行冲压，这是保证产品质量关键的一环。 ( 8 ) 抛料装置( 含矫直装置) ：将模具冲压后切断的产品从压机尾部抛出，同时 对产品在生产过程中产生的弯曲进行矫直。 ( 9 ) 收件箱：将产品收集在一起。 ( 1 0 ) 磁性传送带：由磁性机构、机架组成，压力机工作台下面设置有磁性传送带， 冲孔后的废料由磁性传送带输送到废料箱中，以便运走。 2 2 五金件生产工艺方案分析 2 2 1 五盒件生产工艺方案 1 0 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 为五金件工艺图。 在生产过程中，带钢是在开卷机上，开卷机本身是被动无动力的，它的动力来源 于后面的矫直矫平机，带钢通过对焊机，和上一盘料的料尾在对焊机处焊接在一起， 经磨光后进入矫直矫平机，经过矫直矫平机的矫平和矫直处理，达到能连续生产的 要求，进入贮料装置中向前运动，再进入定长送料机，按照程序设定的参数、设定 的步长进行送料，带钢送到压力机和连续级进模后，控制系统发出信号，压机滑块 落下进行冲压，冲压的频率按照工艺要求随时可以调节的，不同的冲压件对应的模具 不同，对应的装模高度也不同。压力机是连续运转的，在模具将要闭合前的一定位 置，送料机停止送料，当冲压完成、模具脱开后的一定位置，送料机开始送料，冲压 过程中冲下来的废料通过模具上的排料孔落到压力机底部，由磁性传送带传送到废 料箱中。同时抛料机和送料机是同步的，在定长送料的同时抛料机把冲压完成的工 件送到接料箱。生产过程中的配合是在电控系统全线监控下完成的。 具体工艺漉程图如下： 困日困固困嗡囡日 困嚼固目困目回 o 厂 l 堡竺堡堡l 图2 2 高速连续五金件生产线工艺框图 本生产线在实际的生产中还必须满足表2 1 所示的工艺数据 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 五金件生产线工艺数据 序号名称数值单位 l生产线速度2 5 m s 2压力机公称力3 1 5 0k n 3 压力机公称力行程 5m m 4压力机滑块行程1 5 0咖 5 压力机滑块行程次数4 0 - 6 0次m i n 6 压力机最大装模高度 6 0 0硼 7 压机主电机最大转速 1 0 0 0r r a i n 8 定长送料速度最高3 0 m s 9 矫平电机和矫直电机速度同步误差 薹2 口 2 2 - 2 五金件工艺对电控系统的要求 v v 分析五金件生产工艺过程，生产时序图如图2 3 所示。 t 0t 1t 2t 3t 4 图2 3工作时序图 在生产时开卷机、矫平矫直机一直在运转，在t 扣- t l 时段送料机启动送料，送料 速度由静止加速到v o ，t l 1 r 2 时段继续以速度v 0 送料，t r - 1 时段送料速度由v o t 一。- 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ _ _ - _ _ - _ - - _ _ _ _ - - _ 一- _ _ _ _ 一- _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 。_ _ - 。_ _ - _ _ _ 一 1 2 - 华中科技大学硕士学位论文 _ _ 。- _ - _ i _ j - _ - i _ _ e _ _ _ _ - 日_ l _ - - l _自 减速到0 ，在t 0 t 3 时段同时开始上一已冲压完成的工件抛料，t 3 矗时段压力机 冲压工件，t 4 重新开始一个新的循环。 和传统的五金件3 5 件分钟的生产效率相比，本生产过程是全自动连续和高速 运行，本线要求生产时效率最高达到6 0 件，分钟，同时l 6 0 件，分钟任意可调，该工 艺的目的是摆脱过去国内在五金件生产中的低效率、低可靠性、全靠人工手工生产 的落后局面。按照上述工艺生产，一条线在正常生产时只需要l 2 操作工，效率大 大提高。同时设备的安全保护要求必须很高，这是因为生产的高速和连续，如果设备 各环节的检测和保护不到位，必然导致故障率高，无法实现真正的连续和高速运行， 压机的冲压力在瞬间达到3 1 5 吨，安全保护不好也可能导致对设备和人身的伤害。 连续高速的五金件生产工艺的实现最终是靠电控系统来保证，要求该线分全线 自动、手动调整和参数设定三种工作方式，全线自动用于正常的开卷、矫平矫直、 定长送料、冲压、抛料等自动循环过程，它有单次和连续之分。自动单次时，每次 启动全线循环，仅加工一个合格的零件，之后全线自动停止，即完成一个工作循环。 自动连续时，只要启动全线循环，即可连续不断的进行五金件加工，直到完成设定 好要求加工的工件数或者钢带用完，全线自动停止工作。中间人工干预要求正常停 车，设备完成一个完整的循环，也自动停车。总之设备正常停车时，不会停在工作 循环的中间过程。手动调整方式仅用于对生产线单个工位单独调整或维修。在参数 设定工作状态，可以对各工艺数据进行调整和设定，主要是矫直矫平的速度、数控 送料的速度和送料长度、预加工工件数、压力杌运行速度和模具的装模高度等，同 时全线各设备的工作状态要求能够被操作人员实时监控，在生产过程中必须保证设 备和操作者的安全。 要实现以上的控制要求，电控系统及其控制的相关电气设备应具有以下功能； 1 ) 电控系统能实现集中控制。因为生产过程是全自动连续的，生产中各台设备 有它的时序要求，矫直矫平机要保证储料坑中有足够的钢带，送料机要在压力机的 滑块抬起到一定的角度才能送料，压力机要在送料机已经送完一个步距的料后才能 继续冲压，以上的过程必须通过电控系统对生产线各部分设备所处的实时状态集中 分析，进行数据运算，集中控制才能实现。传统的继电器控制适用于逻辑关系简单 的手动生产，而且它的系统是固化的，只能作逻辑控制，无法实现数据运算和通讯。而 华中科技大学硕士学位论文 如今在工业生产中广泛使用的p l c 、d c s 系统以及单片机可以对所控制的对象通过软 件程序进行数据运算和逻辑关系复杂的集中控制，同时可以通过它们本身所带的通 讯口实现数据交换，满足本线的工艺和控制要求。 2 ) 电控系统的软件和硬件有广泛的适应性。工艺上要求本线能单次生产也能连 续生产，最快的冲压频率能到6 0 件分钟，五金件的冲压件也长短不一。具体分析 本线的生产过程，假如冲压的五金件长度为 0 0 0 m l , 在压力机的冲压频率为6 0 件 分钟时，矫直矫平机每分钟要往储料坑中送料中至少送f l o r a 的钢带，送料机每秒钟 要往压力机里送一次1 0 0 0 m m 的钢带，压力机每一秒钟冲压一次，压力机的滑快行程 也与此相对应，如果冲压的五金件长度改变或者压力机的冲压频率改变，电控系统 的软件里计算数据都要改变。所以硬件上要求压力机的主电机的转速、送料机的送 料速度和送料长度、矫直矫平机的速度是可调的，软件上有对应计算数据控制压力 机的主电机等速度的变化。 3 ) 通过对关键设备的控制来保证全线的高速自动连续生产。国内传统的五金件 生产是单机手动的，各工位的传递是手工进行的，高速自动连续生产必须保证各单 机设备有机的配合在一起。比如矫直矫平机和储料环节以及伺服送料机的配合( 为后 续生产能平稳及时供料1 、伺服送料机和压力机按图2 3 的时序的配合、以及对压力 机本身的控制等等只有在合理的方案下才能实现全线的高速自动连续生产。 2 3 本章小结 本章详细介绍了连续高速五金件冲压生产线的设备组成和工艺流程和工艺要 求，并对该过程进行了分析，最后对电控系统提出具体要求。 一_ - _ _ - _ _ _ - 。_ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - ， _ - _ h _ _ 。- _ 一- _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ 。- _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ 一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 1 控制系统的设计要求 3 控制系统设计 连续高速五金件生产线的特点是要求全自动连续生产，生产线的运行速度很快， 那么对控制系统的可靠性要求很高，考虑到该生产线的特点，在设计时还要考虑对设 备和操作者的安全保护，因此，对整个控制系统提出如下设计要求： 1 ) 在硬件方面必须满足系统的工艺要求，同时要考虑系统的硬件成本、运行的 可靠性和维修的方便性，考虑到技术的不断发展，在硬件配置上必须留出今后技术 改造时有可作为的空间。 2 ) 软件设计时充分利用p l c 本身所提供的软件的集成功能，编程的思路清晰， 尽可能把系统功能分段，一段程序解决一部分工艺问题，这样的程序有利于维修人 员阅读和修改，为了尽可能缩短投产后设备维修的时间，要通过人机界面，随时告 诉操作者每一台设备所处状态正确与否，也就是要加强故障诊断程序【”】。 3 2 控制系统的硬件设计 3 2 1 硬件选型 ( 1 ) 主控制器的选择 目前在工业控制中实现集中控制的有p l c 、d c s 系统和单片机系统。 d c s 和p l c 的设计原理区别较大，p l c 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的， 它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令，并通过数字 输入和输出操作来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程 的工艺要求，并事先存入p l c 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条 执行，以完成工艺流程要求的操作。i ) c s 是在运算放大器的基础上得以发展的，它把 所有的函数、各过程变量之间的关系都作成功能块( 有的d c s 系统称为膨化块) 。 d e s 和p l c 的表现的主要差别是在开关量的逻辑解算和模拟量的运算上，即使后来两 华中科技大学硕士学位论文 者相互有些渗透，但是还是有区别。8 0 年代以后，p l c 除逻辑运算外，也有一些控 制回路用的算法，但要完成一些复杂运算还是比较困难，p l c 用梯形图编程，模拟量 的运算在编程时不太直观，编程比较麻烦，但在解算逻辑方面，表现出快速的优点， 在微秒量级，解算1 k 逻辑程序不到l 毫秒，它把所有的输入都当成开关量来处理， 1 6 位( 也有3 2 位的) 为一个模拟量。而d c s 把所有输入都当成模拟量，解算个逻 辑是在几百微秒至几毫秒量级。对于p l c 解算一个p i d 运算在几十毫秒，这与i e s 的运算时间不相上下，大型p l c 使用另外一个c p u 来完成模拟量的运算，把计算结 果送给p l c 的控制器，不同型号的d c s ，解算p i d 所需时间不同，但都在几十毫秒的 量级“”。所以说在开关量逻辑关系复杂的场合p l c 比d c s 有优势，在模拟量运算比 较多的场合d c s 比p l j c 有优势。 单片机价钱比较低廉，应用很灵活，可以采用通用的计算机语言( 如c 语言) 编程，但它最大的弱点在于控制系统比较小，i o 控制点相比p l c 和d c s 少很多，不 适合应用于大型工业控制场合，适用于小的单机系统，比如现在的洗衣机控制多用 单片机来完成。 连续高速五金件生产线的控制系统是以大量的开关量逻辑关系运算辅以少量模 拟量运算的系统，由上面分析可以看出，p l c 作为五金件生产线的主控系统最有优 势，同时考虑到西门子p l c 在国内大中型p l c 中6 0 的市场份额，易于维修和更换、 功能强大的特点。最后选用诬门子$ 7 - 3 0 0 系列作为本线的主控制器，其中c p u 选用 带p r o f i b u s d p 功能的s 73 1 5 - 2 d p “”，它有p r o f i b u s 和m p i ( i p i 是基于r s 4 8 5 通 讯方式的基础上一种点对点的通讯方式【3 3 1 ) 两个通讯口。 p r o f i b u s 是现在正在迅速发展一种现场总线技术，它是安装在生产过程区域的 现场设备仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的种串行、数字式、多点通 信的数据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者， 现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总 线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。现 场总线技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术是 一次工业现场级设备通信的数字化革命“”。现场总线技术可使用一条通信电缆将现 1 6 华中科技大学硕士学位论文 场设备( 智能化、带有通信接口) 连接，用数字化通信代替4 - 2 0 m a 2 4 v d c 信号，完 成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。d p 是p r o f i b u s 现场总线使用一种总线 存取协议。该协议是通过o s i 参考模型第二层( 数据链路层) 来实现的“”。它包括 了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。 选用带现场总线功能的p l c 有一个重要的原因是，本线产品的最终成型要依赖 于压力机的冲压，而压力机的冲压力的大小和压力机的滑块行程有关，一种模具和 五金件对应种滑块行程，而压力机的滑块体积和重量很大，在实际生产中由于长 期连续生产，滑块的行程位置有可能发生偏移，从而影响五金件的冲压效果，甚至 对模具的安全也产生影响，所以需对压力机的滑块装一个检测它行程大小的位置检 测开关，考虑到压力机滑块行程大小的重要性和现场总线数据传输可靠性、快捷性， p r o f i b u s 传输速度可到9 6 k b 1 2 m b “”，选取的滑块行程检测开关是通过 p r o f i b u s _ - d p 方式和主控制器进行通讯的。 冲压力 图3 1 滑块允许负荷曲线 ( 2 ) 压力机主电机及其控制器的选择 压力机的滑块上下运行是主电机通过齿轮、离合器、曲轴等直接带动的也就 是说在运行中。压力机的主电机启动时是带大的负载启动的，压力机冲压频率是和主 华中科技大学硕士学位论文 电机的转速成正比的。直流电机有交流电机所不能比拟的良好的启动性能和调速性 能，直流电机特性曲线如下图3 2 所示，直流电机直接接入电网并施加额定电压时， 起动电流将很大，一般情况下能达到额定电流的1 0 - 2 0 倍【棚，这样大的起动电流将 产生很大的电枢力，使直流电机有很大的启动力矩，能很快克服静态转矩而启动起 来，即有很好的启动特性，满足快速起停，同时直流电机的调速过程是线性的【捌1 2 1 1 。 所以综合比较选用能承受脉动电压与电流急剧变化( 负载变化) 之工况、体积小、性能 好、重量轻、输出功率大、效率高、换向良好的国产z 4 系列直流电机作为压力机主 电机。 n r i o 图3 2 直流电机机械特性 由图3 1 的曲线可知，压机的负荷是在不断交化的，在上死点负荷最小，电机 正常启动时一般是在上死点，在下死点到最大公称力，电机额定功率的选择以下死 点来确定。 对子连续工作制的电机，根据负载转矩和转速，计算出所需的功率p 。，选择电 机的功率p h 略大于折算到轴上的负载功率p 。1 2 2 】。 n 畛吣赢m ( 3 1 ) 9 5 5 0 、 上式中 n ：折算到电机轴