（控制理论与控制工程专业论文）纵横剪自动生产线控制系统的设计.pdf

a b s t r a c t i i i 1l 1 1 i i i 1lllli 17 3 3 7 0 2 a tp r e s e n t ，l o n g i t u d i n a la n dl a t e r a ls h e a ra u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n ei sw i d e l yu s e di n m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，i ta p p l i e s t oh o u s e h o l da p p l i a n c e s ，a u t o m o b i l e s ，c o n t a i n e r , s h i p b u i l d i n ga n do t h e rm e t a lp r o c e s s i n gi n d u s t r i e s i no r d e rt om a k et h el i n ew i t hh i g h a u t o m a t i o nl e v e l ，s o 鹊t om e e tt h en e e d so fs h e e tm e t a lp r o c e s s i n g , w ed e v e l o p e dt h e l l i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o ls y s t e m 1 1 1 ep r o d u c t i o nl i n ei sc o m p o s e do fc h a r g i n gc a r , u n c o i l e r , l e v e l i n gm a c h i n e , s w i n g b r i d g e ，f e e d s l i t t i n gs h e a r , e o i l e rf o rt r i m m i n g s ，c r o s ss h e a r , c o n v e y e rb e l t ，t h el a y o u t a n do t h e rc o m p o n e n t s t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so fp l c ，t o u c hs c r e e n ，f r e q u e n c y c o n v e r t e r s ，a cs e r v os y s t e ma n do t h e rd e v i c e st or e a l i z et h eh i g hr e l i a b i l i t y , h i 曲 e f f i c i e n c ya n dh i g hp r e c i s i o nc o n t r 0 1 i tu s e sm i t s u b i s h if x 2 ns e r i e sp l c a sac o n t r o l l e r , u s e st h eo m r o ni n v e r t e r3 g 3 r vd r i v el e v e l i n gm a c h i n et ol e v e l i n gm a t e r i a l s ，u s e s l e n z es e r v od r i v e se v s 9 3 2 7 - e pd r i v et h ef e e d e ra c c u r a t ef e e d i n g ，u s e st o u c hs c r e e n m t 510o fw e i n v i e wa st h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c et os e tp a r a m e t e r sa n dm o n i t o r t h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h ec o n t r o ls y s t e mh a st h r e ew o r k - m e t h o d s ：c o m m o n ，s i g n a la c t i o na n da u t o m a t i c o p e r a t i o n t h em e t h o d so fc o m m o na n ds i g n a lc a l ld e b u g g i n gt h ee q u i p m e n t sb e f o r et h e p r o d u c t i o nl i n ei sr u n n i n ga u t o m a t i c a l l y i fe v e r y t h i n gi sn o r m a l ，w ec a nr e a l i z et h e a u t o m a t i co p e r a t i o no ft h ep r o d u c t i o nl i n e t h es y s t e ms e c u r i t yc o u l db eg u a r a n t e e d e f f i c i e n t l yb yu s i n gm u l t i l a y e r e ds e c u r i t ym e a s u r e ，e n s u r et h eo p e r a t o r sa n dm a c h i n e s s e c u r i t y e v e r y t h i n gh a sg o n ew e l la f t e rt h ep r o d u c t i o nl i n eh a sp u ti n t oo p e r a t i o n p r a c t i c ep r o v e st h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi sr u n n i n gs t a b l y , f u n c t i o ni sr e l i a b l e ，c o n t r o l a c c u r a c yi sl m - - l 0 1 m m ，i tm e e t st h en e e d so fp r o d u c t i o np r o c e s s ，a n di m p r o v e st h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y k e yw o r d s ：t h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e ；p l c ；t o u c hs c r e e n ；a cs e r v o i叠r t曩 第一章绪论 目录 1 1 1 研究的背景和意义l 1 2 国内外研究现状1 1 3 研究的内容3 第二章纵横剪自动生产线 2 1总体结构5 2 2 开卷校平机构6 2 3 送料剪切机构8 2 3 1 送料机构。8 2 3 2 剪切机构9 2 4 生产操作过程1o 第三章控制系统的设计 3 1 控制系统组成13 3 2 控制要求1 3 3 2 1控制方案13 3 2 2 工作方式1 4 3 3 操作台1 5 3 3 1 开卷操作台1 5 3 3 2 主操作台18 3 3 3 垛料操作台2 0 3 4 校平机的变频调速2 0 3 5 送料机的伺服驱动2 2 第四章系统的软件设计2 9 4 1p l c 程序设计2 9 4 1 1工作方式选择的程序2 9 4 1 2p l c 控制变频器31 4 1 3p l c 控制伺服3 3 4 1 4p l c 控制横剪机3 4 4 1 5 送料长度的数据运算3 4 4 2 触摸屏程序的设计3 8 4 2 1 触摸屏的选择3 8 4 2 2 触摸屏与p l c 的通信设置4 0 4 2 3 触摸屏的画面设计4 0 第五章系统调试 4 7 5 1硬件调试4 7 5 2 软件调试4 7 5 3 系统试运行4 7 结论 参考文献 攻读学位期间的研究成果 致谢 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 4 9 5 1 5 5 5 7 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论弟一早珀下匕 随着我国工业技术的蓬勃发展，对金属板料的剪切生产有了越来越高的要求， 生产过程控制系统的高度自动化要求、产品的质量精度要求都越来越高。各种先进 技术以综合应用方式谋求生产过程实现智能化、高自动化、高效能化，这也反映了 生产的高科技水平和发展方向。 随着社会生产力的发展，工业技术的进步，生产制造业的发展呈现出三种明显 的趋势。首先，自动化水平越来越高。生产设备从手工到机械，直到自动化。生产 率大大提高，生产节奏加快。其次，柔性化水平也越来越高。随着市场竞争的需要， 多品种、小批量产品生产日益增多。在欧美和日本的制造业中，中小批量生产的产 品在数量上约占8 5 。再次，生产规模不断扩大，专业分工越来越细。 而目前我国的大部分自动剪切生产线虽然实现了自动化，但仍有部分生产线工 艺落后，经常发生一些故障，灵活性差，不利于产品多样化的需求，生产效率和精 度不高，且维修困难、设备老化，已经严重影响了经济效益和生产效益，而国外的 剪切控制系统价格昂贵，为了在激烈的市场竞争中占据有利地位获得较好的竞争力 和经济效益，研制出具有更高自动化程度的剪切生产线对于提高我国自动化水平， 改变生产的落后局面具有重要的现实意义，同时提高金属冷轧卷材剪切的精度和效 率，也可以提高生产能力，扩大生产规模，降低工人劳动强度，提高产品质量，适 应产品在国内外市场竞争的需型1 1 。 本课题的目的就在于设计一套具有较高自动化水平的纵横剪自动生产线控制系 统，使其能够更好的满足板料加工的需求，提高生产效率，降低成本，增强企业的 国际竞争力。 1 2 国内外研究现状 自动剪切生产线是对金属卷料进行开卷、校平、定尺、剪切( 包括横剪、纵剪) 的组合加工设备，广泛应用于家电、汽车、集装箱、食品包装、石油化工、造船、 装饰材料等金属板材加工行业。特别是近年来，汽车、家电等行业的飞速发展，需 要大量的薄板材料，而这些材料大都是卷材，这就对自动生产线产生了很大的需求。 早期的开卷剪切设备多用单台的普通剪板机，劳动强度大、定位误差大，会带 来材料的浪费。开卷自动剪切生产线的主要优点是具有高的生产效率、高的材料利 用率、高的自动化程度以及好的产品质量等。 在产品的生产中，实现生产自动化对于提高生产率和保证操作安全具有重要意 1 青岛大学硕士学位论文 义，同时对于企业的发展也有很重要的作用。通过调研发现，目前流行以下自动剪 切生产线： s t 4 4 系列生产线：主要由开卷机、校平机、中间输送架、剪板机、落料台等 几大部分组成。它能有效地控制卷的跑偏，定长尺寸准确，生产效率高，料头送入 校平机后，能自动地完成金属卷板的开卷、校平、剪切、落料的全过程。 b s t 4 4 - 4 1 8 0 0 系列自动型生产线：该系列生产线由开卷机、校平机、中间输 送架、剪板机、机动送料架、落料台等部分组成。它能有效地控制板料的跑偏，定 长尺寸准确，料头进入校平后，能自动地完成金属卷板的开卷、校平、剪切、落料 的全过程。除此之外，还可根据用户的要求改变校平和送料的速度【2 】。 国内自动剪切生产线厂家较多，有济南二机床集团有限公司、沈阳机床集团、 广西机床厂等。国外比较典型的自动生产线是i s i 的p a t h f i n d e r 系列和a b b 的 d o p p i n g 系列，基于6 轴的r o b o t 的柔性自动化系统开始进入市场。伴随着电子 技术的发展，联机连线、联网等技术都得到了充分的应用，包括远程诊断、分布式 控制技术、总线技术以及计算机控制技术都在自动生产线上得到了一定的应用。 自动送料机构是剪切加工生产实现自动化的基本机构，它的自动化程度及送料 精度的高低，直接影响着板料的生产效率以及整体的自动化水平。自动剪切生产线 的关键装置是自动送料机构，它决定了成品生产的速度和精度。早期的送料装置多 采用油缸一齿条一离合器一滚筒送料方式，由于其存在着离合器打滑、油缸冲击力无法 受控，送料精度偏差较大，这也是液压系统和机械传动系统无法解决的固有原因。 目前剪切生产线的配置中应用较为广泛的是加装辊轮的送料机( 或气动送料机) ，这 种生产线的操作性良好；另一种是加装多工位送料装置，搭配开卷装置、校平装置 等组成的生产线，由于加工的金属卷材的搬运明显减少，在生产中的应用呈现逐渐 增多的趋势。 随着电子技术的飞速发展，计算机控制技术以及现代控制理论的应用，交流伺 服驱动技术飞速发展，伺服电机的成本又有了大幅度的下降。目前，国外品牌的交 流伺服系统在中国占有较大的市场份额，主要品牌有日本的欧姆龙、三菱、松下、 富士等；美国的罗克韦尔、达那赫、帕克等：德国的西门子、法国的施奈德等。其 中，日本品牌以良好的性价比和较高的可靠性占据了较大的市场份额，而欧美品牌 在高端设备和生产线上较有竞争力，其市场策略是高性能、高价格，以全套生产线 的自动化为解决方案，最近这些高端品牌也不断寻找本地合作伙伴力图打入中低端 市场。台湾的交流伺服系统的技术水平和价格水平都居于进口中端产品和国产品牌 之间，在竞争中主要突出性价比优势，主要品牌有台达等，中国国内的品牌主要有 和利时电机、华中数控等厂家，其中和利时电机面向整个自动化产业机械市场提供 步进、无刷、伺服等系列产品，在技术上和品牌上有一定优势，华中数控主要集中 2 第一章绪论 在数控机床行业，伴随着这几年数控行业的大发展，其出货量也保持了快速增长， 有较强的实力，国产品牌在技术路线上与日系产品接近，在市场上有一定的竞争力。 交流伺服自动送料装置的动力来自交流伺服电动机，具有柔性化、智能化的特 点，工作性能和工艺适应性很强。在我国，较先进的自动送料装置是三合一伺服系 统送料机，该送料机中所用的是日本松下公司的交流伺服系统和三菱公司的p l c 及 可编程终端，它可任意设定送料长度，操作方便，安全及稳定性较好。目前国外对 自动剪切生产线的送料系统普遍是由永磁同步伺服电动机、高精度减速机、送料辊 等构成，减少了误差，确保送料精度的稳定，控制灵活，操作方便【3 】 【5 1 。 1 3 研究的内容 本文研制了一套具有较高自动化水平的纵横剪自动生产线控制系统，主要完成 以下内容： ( 1 ) 生产线的总体分析。介绍生产线的总体结构，对生产线中的开卷校平机构 和送料剪切机构这两个重要部分进行了详细说明，介绍了生产工作过程。 、 ( 2 ) 控制系统的设计。介绍了控制系统的组成和控制要求，对控制面板及操作 手柄进行详细说明。设计了校平机的调速系统，介绍变频器的调速原理及应用，设 置变频器的主要参数，控制电机的转速，进行变频调速。设计了送料控制系统，在 送料机构中为提高送料精度，使用了具有较高控制精度的交流伺服系统，对交流伺 服送料系统进行重点分析，通过伺服专用软件进行伺服参数的设置，使其满足控制 要求。 。 ( 3 ) 控制系统的软件设计及系统测试。根据控制方案并结合p l c 和触摸屏的 特点，进行p l c 和触摸屏的选型，按照控制要求设计p l c 和触摸屏的程序，对p l c 控制变频器、p l c 控制伺服、p l c 控制横剪机以及长度的数据转换等程序进行了介 绍，进行了p l c 与触摸屏的通信设置及系统的调试和运行等。 3 青岛大学硕士学位论文 4 第二章纵横剪自动生产线 2 1总体结构 第二章纵横剪自动生产线 该生产线能够精确控制板材加工尺寸，可将使整卷金属板材自动完成校平、剪 切、堆垛等生产过程。整条生产线主要有上料小车、开卷机、校平机、摆桥、定尺 送进机、纵剪机、废边卷取机、横剪机、输送带、排料架、堆垛台等，如图2 1 所 示。它们由集中控制的液压系统和电气系统完成各自的动作 6 1 。 a n 曰 图2 1 生产线总体结构图 钆上料小车b 引料压头c 开卷支撑d 开卷机e 托料板直头压辊g 校平机 h 摆桥i 定尺送进机j 纵剪机k 废边卷取机1 横剪机m 输送带n 垛料装置 ( 1 ) 上料小车由底盘及托料架组成，底盘的四个行走车轮在两条铁轨上，由电 机控制其行走，料架由油缸推动升降。 ( 2 ) 开卷机负责打开卷料，向校平机输送板料。开卷机卷筒由电机带动可以正 反转，可主动放料也可以收回板料，在装料和卸料过程中，开卷轴的轴面可以通过 电磁阀控制其收缩和膨胀。开卷机上方有个引料压头，以便压住板料，防止板料向 上翘起。 ( 3 ) 校平机主要由一对牵引辊和十五根校平辊组成。在校平机前面有个直头压 辊和托料板，直头压辊从上方压住从开卷机过来的板料，防止料头散开且便于进料， 托料板从下面托住板料。牵引辊由油缸控制其抬起或落下，便于将板头牵入校平机。 校平辊为上七下八布置，负责将板料校平，确保校平质量，其转速由变频调速装置 进行调节。 ( 4 ) 摆桥可以抬起或落下，其主要作用是通过使从校平机过来的板料平稳地进 入定尺送料辊内。当板料快送完时，升起摆桥，可以使料尾平稳地通过地坑。地坑 中装有两对光电开关，以保证下垂在地坑中的板料有足够的长度储量。摆桥表面覆 胶木板，保护板料表面不被划伤。 ( 5 ) 定尺送料机由纠偏装置和送料辊组成。纠偏装置在板宽两侧设有三组纠偏 5 青岛大学硕士学位论文 辊子，纠偏辊支撑在可移动滑座上，当板宽变化时，转动手轮经丝杠带动滑座进退， 让纠偏辊靠在板边，导正进料方向，防止板料在剪切过程中左右偏摆，影响剪切精 度。送料辊的主要功能是向横剪机定尺送料。 ( 6 ) 纵剪机刀轴安装在活动支座及固定支座上，刀轴上装有带刀座的刀盘，刀 盘可以在刀轴上自由移动，其轴向位置由螺钉固定，活动支座及固定支座内分别嵌 有座套，刀轴装在座套上，由扳手经丝杆螺母带动其转动以改变两刀轴间的距离。 刀轴为主动旋转，刀轴运行平稳，精度高。纵剪机的两侧下方各配有一台废边卷取 机，用来卷取被纵剪机剪下的板材两边的废料，由电机控制其转动和收取，手动涨 缩方便卸料。 ( 7 ) 横剪机用来对板料进行横向剪切，刀具由上向下剪切板料。在横剪机上装 有行程开关，以控制其上行和下行的位置。 ( 8 ) 输送带由电机带动皮带将剪切下的板料输送到落料架上，它由电机带动皮 带转动。 ( 9 ) 垛料装置由翻转落料架、排料架、升降料台和出料轨道组成。翻转落料架 包括侧挡料架、可移动后挡板、托料翻转支撑架等部分。侧挡料架可根据被剪板料 的宽度进行调整，后档料架可根据被剪板料的长度进行调整，托料架由气缸推动。 开始堆垛时，堆垛轨道升至最高接料位置，调整好挡料板，随着堆垛板料高度的增 加，光电开关向p l c 发送信号，使支撑台下降至下死点，待板料达到一定的高度时， 全线运行停止。启动出料轨道电机，将堆垛好的板料送出。堆垛工作台可以堆垛的 板重为5 吨，升降料台的最大有效升降量为5 0 0 毫米【1 7 j 哺j 。 2 2 开卷校平机构 在生产线中，开卷校平机构用来对金属板料进行开卷和校平，通过变频器对校 平机进行变频调速，来校平板料，从而保证所剪切的板料的平整性。 开卷机是金属板料开卷的专用设备，可以根据需求组成开卷、校平、剪切的生 产线和其他板材制品的生产线，广泛应用于汽车、集装箱、家用电器、装饰等行业。 在本控制系统中，开卷机作为上料的初始端，在设备结构上采用悬臂式的开卷 机，其具有刚性好，开卷张力大等优点，同时可以根据实际卷料的重量，使用辅助 装置以增加其稳定性。 校平机是板料加工中常用的设备，校平机的定型主要取决于被校板料的厚度、 材质和要求。板料越厚则所需结构的刚性要越好，辊数越少。校平机主要应用于矫 正各种规格的板材，适用于各种冷、热轧板材的校平。由于其操作方便、简单，应 用范围遍布机械、冶金、建材、化工、电子等多个行业，特别在造船、机车车辆、 金属结构工厂等行业，成为生产中不可缺少的必需产品。 6 第二章纵横剪自动生产线 一般情况下校平机分为：拉伸校平、压力校平和辊式校平等几种，其中，辊式 板材校平机是对板材进行多次正反弯曲，使多种原始曲率逐步变为单一曲率， 并最终将其校平。按照辊轮排列方式的不同，辊式板料校平机可以分为上辊单 调式、辊列平行式和辊列不平行三种机型。 上辊单调式板料校平机的每根上排工作辊均可以单独的升降调整，主要用 于中厚板的校平，但是工作辊径和辊距较大，从而造成校平的精度较差，一般 作为粗校机使用。 校平机中的辊列平行式的上下两排是互相平行的两列工作辊，上排工作辊 可以上下的移动，此种校平机主要用于中厚型板料的校平。辊轮校平机中的辊 列平行式的上下工作辊可以成一定的角度，上排工作辊可以上下移动，可以与 下排的工作辊形成一定角度的倾斜，其主要用于薄中型板料的校平【9 j 【1 0 j 。 根据本生产线的要求，并综合上述三种机型的优缺点，该生产线采用相对 简单且经济实用的辊轮可调型的平行式校平机，选用1 5 辊的校平机，辊轮为上 7 下8 布置。 - 、 开卷校平机构的总体结构如图2 2 所示。全线自动运行时，开卷机是一个被动 机构，靠校平机的动力来带动开卷机的转动，将卷料打开。校平机之后是一个可以 储存板料的地坑，通过调整校平机的速度来控制地坑中的板料量，地坑中有两对光 电开关，用来感应物料的位置，当地坑中的低位光电开关检测到板料过多时，就需 要降低校平机的校平速度，当地坑中的高位光电开关没有检测到板料时，向控制系 统发出报警信号，使操作人员根据情况采取相应的操作；当板料位于高位光电开关 和低位光电开关之间时，表明当前的校平及送料速度是合适的，满足生产的要求。 开卷机校平机 地坑 一 纩 ( 吵 on o n n o n n 光电开关 u u u u u o u ( ) v li 图2 2 开卷校平机构的总体结构 7 青岛大学硕士学位论文 2 3 送料剪切机构 2 3 1 送料机构 送料机构主要由纠偏装置和送料装置构成，如图2 3 所示。 纠偏装置位于活套转弯处与送料辊之间，主要由机架、沿板边布置在滑座上的 三对纠偏辊子、托辊及纠偏调整机构组成。主要功能是限制板料的横向移动，保证 板料的对角精度。 三对纠偏辊轮座在两块可移动的滑座上，可以经过手轮沿板宽方向进行调节， 可适应不同板宽的需要，转动手轮，其中两个滑座由螺杆螺母带动沿导轨移动。两 个手轮都装在操作侧，调整方便、简单、可靠。纠偏辊间装有托料辊，板料能够可 靠平稳地经过该装置。 送料装置主要由机架、送料辊等组成，该装置与纠偏装置装在同一机座上。主 要功能是将板料按设定的长度送到剪切机构，进行剪切。送料辊为主动旋转，由伺 服系统来进行控制。 图2 3 送料机构示意图 下送料辊座在两侧机架内，上辊座在一个可以升降的横梁上，油缸与机架连接 将夹送力施加在送料辊上。上下辊的安装机架上带有支撑辊，用来增强夹送辊的刚 性，使送料更加地平稳，从而提高送料质量。上辊由油缸驱动升降，上辊的位置可 以进行上下调节，从而可以适应不同厚度板料的需要。 目前的送料系统主要采用以下两种送料方式： ( 1 ) 采用油缸一齿条一滚筒送料的方式。这种方式就是液压系统结合机械传动系 统的送料方式，但是这种送料方式中存在着离合器打滑、油缸的冲击力无法受控等 原因，从而导致送料的精度偏差比较大等问题。 3 第二章纵横剪自动生产线 ( 2 ) 采用电动机驱动送料的方式。这种送料方式包括步进式和伺服式等方式， 此控制方式的技术比较成熟并且送料的精度高，所以本生产线采用这种具有一定应 用价值的送料方式【l l 】【1 3 】。 2 3 2 剪切机构 目前剪切系统中的剪切主要分为纵向剪切和横向剪切两种类型。纵向剪切是从 纵向对板料进行剪切，即将板料分条。横向剪切是从横向对板料进行剪切，将板料 剪成一定的长度。根据刀片形状的不同，剪切机可分为平行式剪切机、圆盘式剪切 机和飞剪机等几种类型。平行式剪切机主要用于对板料进行横向剪切，圆盘式剪切 机的刀片被加工成圆盘状，用于纵向剪切运动着的板料，将板料纵向分条。 定长剪切系统根据剪切刀座的设计方式，大致上可以分为三类：走停送料、静 态剪切；连续送料，往复式同步动态剪切；连续送料、旋转式同步动态剪切。 走停式送料方式的刀座是固定不动的，采取间歇式送料，剪切方式为静态剪切， 由于其刀座是固定不动的，因此待剪切的板料在被剪切的那一瞬间是完全停止的。 往复式送料方式其刀具做直线往复运动，采用连续送料，剪切方式为同步动态 剪切。旋转式送料方式的刀具做圆周式旋转，采用连续送料，剪切方式为同步动态 剪切。往复式和旋转式都是连续送料类型，在剪切板料时的瞬间，刀具与材料是同 步运行的，因此是动态剪切，也称为“飞剪机。 飞剪机用于横向剪切运动着的板料，在剪切过程中，刀具随着板料的运动同时 将板料定长剪断，一般用来将板料剪切成一定的长度。由于飞剪的横剪机是在板料 前行的过程中实现剪切，所以其结构与控制方法要比一般的剪切机复杂的多，很难 达到剪切的精度和生产工艺的要求，所以本生产线的横剪机采用走停送料、静态剪 切的控制方式，而为了提高生产效率，纵剪机采用连续送料、旋转式同步动态剪切 的方式【1 4 】f 1 5 】。 纵剪机其刀片是圆盘式的，以便从纵向剪切板料，将板料分条。机架内最大可 容纳板料宽度为1 6 米。纵剪机在送料机送料的同时，对前行的板料进行纵向切条。 刀盘可以在刀轴上自由移动，其轴向位置由紧钉螺钉固定。纵剪刀盘的位置可以通 过扳手经螺杆带动偏心套的转动以改变刀轴间的距离。 在对板料进行纵向剪切时，板料的两边一般情况下比较粗糙，所以应该切掉两 边的废边，因此在机架的两侧各配备了一台废边卷取机，主动旋转以卷取纵剪机剪 切下来的废料。 横剪机采用液压油缸驱动式，使刀架由上向下剪切。在横剪机上有上、下两个 行程开关，控制刀具的运行位置【1 6 】。 9 青岛大学硕士学位论文 2 4 生产操作过程 ( 1 ) 打开控制柜上的电源总开关，接通主操作台上的电源开关，启动油泵，主 操作台上的工作状态为非联动工作方式。 ( 2 ) 抬起引料压头，落下前摆桥。 ( 3 ) 将卷料基本对称地吊放在上料小车上，开动上料小车至开卷机卷筒轴线处， 点动操作小车升降，使卷料孔心升起至与开卷机卷筒轴线重合。 ( 4 ) 根据卷料宽度尺寸点动上料小车至相应位置。升起辅助支撑，上料小车落 下并退出。 ( 5 ) 涨紧开卷机芯轴，正向点动开卷机。 ( 6 ) 压下引料压头，剪断捆扎带。若板料较厚时，通过直头压辊和托板的配合 使用，将料头扳直。 ( 7 ) 抬起校平牵引辊，正向点动开卷机，使料头进入校平机。 ( 8 ) 落下校平牵引辊，抬起引料压头，落下托板。 ( 9 ) 升起摆桥，抬起定尺送料辊，调整纠偏滚轮位置，按下校平机正向运行按 钮，转动校平机调速旋钮，将料头送过定尺送料辊。 ( 1 0 ) 压下定尺送料辊，将纠偏滚子分别轻轻靠紧板边。 ( 1 1 ) 落下摆桥，转动校平机调速旋钮，将板料储入地坑的中间位置。 ( 1 2 ) 点动送料辊，将料头送过横剪机适当长度，剪去料头。 ( 1 3 ) 调整好落料架两侧挡板的位置，根据需要的板料长度调整打料架至适当 位置，使被剪板料可以落入其中。如果需要对板料进行纵剪，则按照需要调节纵剪 机的位置，并使两侧的收边机处于工作状态。 ( 1 4 ) 将堆垛工作台升到接料的初始位置。 ( 1 5 ) 在触摸屏上设置好剪切长度、剪切张数等参数，按下主操作台上的工作 方式一栏的联动按钮，转至联动工作方式。 ( 1 6 ) 确认没有人员在危险区域，“自动就绪”灯亮，按下自动启动按钮，生产 线即进入连续运行状态。在自动运行时，应注意适当调节校平机速度和送料速度， 使生产线能够协调匹配运行。 ( 1 7 ) 当堆垛板料达到一定高度时，挡住光电开关后，平台就自动下降一定高 度。堆料至适当高度或设定剪切张数到达，停止自动工作。移出堆垛台上的板料， 装入新的托料板，按下自动启动按钮，重新开始。 ( 1 8 ) 当卷料接近料尾时，应适当减慢校平速度和送料速度。随着地坑料位的 增高，随着升起摆桥。待料尾接近送料辊时，按下停止按钮，停止自动工作，手动 操作将料尾送出。 1 0 第二章纵横剪自动生产线 ( 1 9 ) 将剩余尾料手动送出。严禁严重变形的料头、料尾进入校平机和送料机， 以防划伤辊面，从而影响送料精度。 青岛大学硕士学位论文 1 2 第三章控制系统的设计 3 1 控制系统组成 第三章控制系统的设计 根据纵横剪自动生产线的控制要求，控制系统主要由以下几部分组成。 ( 1 ) 可编程控制器( p l c ) 一台。p l c 获取各种外部的输入信号，如：按钮及 开关的输入信号，根据预先设定的参数及控制方案，控制各种外部设备的动作，通 过r s 4 8 5 通讯接口与伺服驱动器进行通信，以控制伺服电机的运转，使整套生产线 能够按照控制要求进行协调动作，从而满足生产和控制要求。 ( 2 ) 触摸屏一台。触摸屏用来进行参数的设定和相关动作的控制，同时将设备 的动作信息反映给用户。通过触摸屏，用户可以方便地看到控制系统当前的工作状 态，如：当前的送料速度、板料的剪切长度、剪切张数、报警信号等信息，从而对 各种事件作出反应，使系统能更好地协调运转。触摸屏与p l c 之间通过r s 2 3 2 串 口通信实现数据交换，为用户提供了良好的人机交互界面。 ( 3 ) 伺服驱动器及伺服电机一套。p l c 与伺服驱动器进行通信，以控制伺服电 机的转动位置及速度，通过横剪机，对在触摸屏上所设定的板料的长度进行剪切。 这是送料装置的核心执行机构，通过在伺服驱动器上设置合适的参数，可以更好地 提高送料的精度。 ( 4 ) 变频器一台。在变频器上设置相应的参数，接受从p l c 来的信号，根据 控制要求控制交流异步电机的转速，从而实现对卷料的校平，是校平机的核心执行 机构。 ( 5 ) 光电开关、行程开关、电机等设备，具有接收外部信号或驱动外部设备等 作用。 控制系统的结构如图3 1 所示。 3 2 控制要求 3 2 1 控制方案 根据纵横剪自动生产线的工艺流程和要求，提出以下控制方案： 采用p l c 作为核心控制单元，由其来控制生产线各部分的动作，通过与触摸屏 之间的通信，在触摸屏上进行相应的设置，如：剪切长度的设定、剪切张数的设定、 速度设定等操作，并根据当前所选择的工作方式，来执行相应的动作，来满足相应 的控制要求。生产线中各种信号传入p l c 中，经过p l c 处理后，将信号传给相应 的执行机构，以控制生产线的各个控制单元。 1 3 青岛大学硕士学位论文 触摸屏控制面板操作手柄 工工土 p l c 丁t工工上工 各变 伺 种 频 服 各 电 光 器 驱 种纵 机电 动 液 剪 器 压 机 的及 及和 运 行 0 + 电横 行 程异 伺 磁 剪 开 步服 阀机 关 电电 机机 图3 1 控制系统结构图 系统有单动、普通和联动三种工作方式，在联动方式下，只需按下启动按钮， 整条生产线就会自动运行起来。单动和普通工作方式是与联动工作方式相互独立的 部分，其目的是为了进行生产线各部分的调试及一些特殊的动作需要而设定的。 校平装置通过变频器来控制电机进行校平速度的控制，其与后面地坑中的物料 检测装置相互联系，当地坑中的低位光电开关检测到板料过多时，对电机调速来降 低校平机的速度；当地坑中的高位光电开关没有检测到板料时，向控制系统发出报 警信号，提醒操作人员板料已接近料尾，从而使操作人员根据情况采取相应的操作； 当板料位于高位光电开关和低位光电开关之间时，表明当前的校平及送料速度是合 适的。 送料装置中的伺服系统是核心执行元件，其接受从p l c 来的信号来控制送料的 长度、速度等操作，使其与整个生产线的动作相协调，通过在伺服驱动器里设置合 适的参数，以保证送料的精度。送料装置与后面的剪切装置相配合，通过执行p l c 中的程序，完成伺服电机工作状态的驱动信号输出，以满足控制要求。 输送及堆垛装置用来进行板料的输送和堆垛，并通过出料轨道将堆垛好的板料 送出。 3 2 2 工作方式 本生产线共有三种工作方式：单动方式、普通方式和联动方式。 单动和普通方式可以用来对设备进行单独操作，但普通方式是用来点动操作的， 1 4 第三章控制系统的设计 单动方式是用来对单个设备的连续操作的，如对开卷机来说，在普通方式下，按下 开卷机的正转按钮，则开卷机正转，松开手后，开卷机停止转动；在单动方式下， 按下开卷机的正转按钮，则开卷机正转，松开手后，开卷机仍然正转，按一下开卷 机的停止按钮，开卷机才停止转动。 联动方式用来生产线的全线启动运行，当准备就绪时，在联动工作方式下按下 启动按钮，则生产线全线启动运行。 单动方式时，单动指示灯亮；联动方式时，联动指示灯亮；普通方式时，单动 指示灯、联动指示灯均灭。 三种工作方式的切换方法如下： 单动方式啼联动方式：按一下联动按钮。 单动方式普通方式：按一下单动按钮。 联动方式单动方式：按一下单动按钮。 联动方式普通方式：按一下联动按钮。 普通方式单动方式：按一下单动按钮。 普通方式联动方式：按一下联动按钮。 在设置工作方式时，仍需考虑以下因素： ( 1 ) 考虑到对不同加工过程的控制以及操作方面的要求。 ? ( 2 ) 具有三种工作方式的相互转换的功能。 ( 3 ) 为了避免程序混乱和发生机械碰撞事故，在同一时间内只能选择一种工作 方式。 夸 ( 4 ) 考虑安全因素，设置相应的保护措施，避免生产线在运行时事故的发生。 3 3 操作台 为了方便就近操作，该生产线共有三个操作台：开卷操作台、主操作台和垛料 操作台。每个操作台上各有一个操作面板，可以对相应设备进行操作，其中开卷操 作台还附带有手持按钮盒。本生产线共有三种工作方式，在每种工作方式下操作面 板上各个按钮的作用有所不同，在没有说明时则此按钮的作用是相同的。 3 3 1 开卷操作台 开卷操作台主要完成对开卷机、压头、校平机和摆桥等机构的手动或调整操作。 附带的手持按钮盒可对上料小车进行操作，从而完成上料和退料等工作。 手持按钮盒如图3 2 所示。各按钮功能及操作说明如下： ( 1 ) 升：送料小车升起。 1 5 青岛大学硕士学位论文 ( 2 ) 降：送料小车下降。 图3 2 手持按钮盒 ( 3 ) 进：上料小车移进。 ( 4 ) 出：上料小车移出。 开卷操作台上的操作面板如图3 3 所示。 各按钮开关或指示灯详细功能如下： ( 1 ) 摆桥起落按钮。控制摆桥的起落。为了方便操作，在主操作台上也有相 同的按钮。 ( 2 ) 开卷机正转启停带灯按钮。正向启动或停止开卷机，在普通工作方式时为 点动操作，在单动和联动方式时为启停操作。 ( 3 ) 开卷机反转启停带灯按钮。反向启动或停止开卷机，在普通工作方式时为 点动操作，在单动和联动方式时为启停操作。 ( 4 ) 校平机正转启停反转启停带灯按钮。在普通方式时，两个按钮点动操作 校平机。在单动方式下，按一下按钮，启动校平机，再按一下按钮，校平机停止动 作。在联动方式下，按钮失去作用。 ( 5 ) o p l 调速开启带灯按钮。选择电位器o p l 有效，以便调节校平机的速度。 ( 6 ) 校平机o p l 调速电位器。在o p l 调速有效时，用来调节校平机的速度， 使其与生产线的总体速度相匹配。 ( 7 ) 急停按钮。当出现紧急危险情况时，迅速按下该按钮，切断控制电源，使 各电机等动作元件迅速断电。普通停止过程时，尽量不用该按钮。 1 6 第三章控制系统的设计 图3 3 开卷机操作台上的操作面板 ( 8 ) 开卷电机脱开状态带灯按钮。控制开卷电机与开卷机卷筒的连接与脱开。 在单动和普通方式下，按一下按钮则灯亮，电机与卷筒脱开，再按一次按钮则灯灭， 电机与卷筒连接。 ( 9 ) 开卷压头起落选择开关。上料时用来压紧或放松卷料。 ( 1 0 ) 开卷压头正反选择开关。控制开卷压头电机的正转和反转。 ( i i ) 开卷支撑起落选择开关。控制开卷辅助支撑起落，支撑开卷卷筒，增加 承重能力。 “( 1 2 ) 开卷芯轴涨缩选择开关。控制开卷机卷筒的涨缩。 ( 1 3 ) 上料小车进出、升降选择开关。功能同手持按钮盒。 ( 1 4 ) 直头压辊起落选择开关。上料时用来压紧卷料。板料较厚时，通过直头 压辊和托料板的配合使用，将料头扳直。 ( 1 5 ) 托料板起落、伸缩选择开关。控制托料板的起落、伸缩。 ( 1 6 ) 校平牵引辊起落转换开关。控制牵引辊起落。 ( 1 7 ) 校平辊间隙调节左升左降、右升右降转换开关。调节校平间隙以达到 校平板料的效果。 1 7 青岛大学硕士学位论文 ( 1 8 ) 单动带灯按钮。选择和指示工作状态。 ( 1 9 ) 联动指示灯。指示工作状态。 ( 2 0 ) 全线停止按钮。使生产线停止运行。 3 3 2 主操作台 主操作台负责全线操作和自动运行。在触摸屏上可设定和显示各种参数以及故 障信息等。主操作台上的操作面板如图3 4 所示。 图3 4 主操作台上的操作面板 各按钮开关或指示灯详细功能如下： ( 1 ) 电源指示灯。当接通主电源时，该灯亮。 ( 2 ) 控制电源转换开关。当总电源接通时，再把本开关扳向“通 位，即接通 系统控制电源，生产线进入可操作状态。 ( 3 ) 电铃。生产线自动运行前，按下电铃，电铃响，提醒生产线旁的工作人员 1 8 第三章控制系统的设计 注意安全。 ( 4 ) 急停按钮。当出现紧急危险情况时，迅速按下该按钮，可切断控制电源， 使各动作元件迅速断电。 ( 5 ) 油泵启动带灯按钮、油泵停止按钮。控制油泵的启停。 ( 6 ) 工作状态单动带灯按钮。用来选择和指示工作状态。 ( 7 ) i 作状态联动带灯按钮。在联动工作状态下按下全线运行启动按钮，则启 动自动运行。 ( 8 ) 全线就绪指示灯。当自动运行条件满足时，该灯亮。 ( 9 ) 故障指示灯。当系统发生故障时，该灯亮。故障代码显示在触摸屏的信息 页面上。 ( 1 0 ) 摆桥起落按钮。控制摆桥起落。为方便操作，在开卷操作台上也有类似 的设置。 ( 1 1 ) 送料辊落起转换开关。控制送料辊的抬起或落下，以方便调节压力或穿 料和送出料尾。 ( 1 2 ) 送料辊进退转换开关。在非联动方式下，手动操作进、退送料辊。在联 动方式下，该转换开关不起作用。 ( 1 3 ) 全线运行启动和停止按钮。这两个按钮用来启动和停止全线的自动运行。 当准备就绪后，在联动方式下按启动按钮启动全线自动运行。在非联动方式下，按 自动启动按钮，送料机按当前长度设定送出一张板料，但不自动剪切，当开料到料 尾时可用这种方法完成。在自动运行过程中，按下停止按钮，伺服送料装置会马上 停止。如果此时当前板料未送到位，则进入暂停状态。 ( 1 4 ) 剪切机剪切回程转换开关。在单动和普通方式下，该转换开关控制横剪 机的剪切和回程，在联动方式下，该转换开关不起作用。 ( 1 5 ) 校平机正转反转启停按钮。控制校平机正转或反转的启停。 ( 1 6 ) o p 2 调速开启带灯按钮。选择电位器o p 2 有效，以便调节校平机的速度。 ( 1 7 ) o p 2 调速调节电位器。在o p 2 调速有效时，用来调节校平机的速度，使 其与生产线的总体速度相匹配。 ( 1 8 ) 输送带反点按钮。反向启动输送带。 ( 1 9 ) 输送带启停按钮。控制输送带的启动和停止。 ( 2 0 ) 纵剪机启停带灯按钮。控制纵剪机的启动和停止。 ( 2 1 ) 收边机启停按钮。控制收边机的启动和停止。 ( 2 2 ) a b 扭矩调节。调节两台收边机的速度。 1 9 青岛大学硕士学位论文 3 3 3 垛料操作台 垛料操作台主要负责对垛料架和板料出料的操作。垛料操作台上的操作面板如 图3 5 所示。 各按钮开关或指示灯详细功能如下： ( 1 ) 翻料架a 进出、翻料架b 进出转换开关。调节翻料架a 、b 的位置。 ( 2 ) 侧挡板a 进出、侧挡板b 进出转换开关。调节侧挡板a 、b 的位置。自 动运行开始时，要先使侧挡板稍宽一些，待来料后再进行适当的调节。 ( 3 ) 后挡板进退转换开关。调节后打料架的位置