（材料加工工程专业论文）基于微处理器的双锥辊辗压机控制系统的研究.pdf

摘要 环件轧制是一种生产无缝环形件的高效先进加工方法，它是借助于轧环机 使环件产生壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的连续局部塑性加工工艺。 双锥辊辗压机的两个锥辊接触面与机器主轴轴线左右对称，轧制力合力作 用线与机器主轴轴线重合。工作时，两锥辊绕机器主轴轴线旋转，接触工件时， 两者之问的接触摩擦力带动锥辊绕自身轴线旋转，锥辊在工件上面滚动轴向轧 制工件。 锻压设各的工作环境一般都很恶劣，长期的处于振动大、温度高、灰尘多 的工作环境中。许多的通用检测和执行元件都不能适应。在双锥辊辗压机中使 用可编程控制器( p l c ) ，使操作简便，工作可靠。 本文涉及到材料加工和控制工程的两个主要领域，对双锥辊辗压机的工作 原理进行了阐述，并在此基础上研究了双锥辊辗压机的计算机控制系统。主要 包括下面几个方面： ( 1 ) 介绍了轴向轧制的双锥辊辗压机的工作原理和特性以及双锥辊辗压机 的结构特点。 ( 2 ) 介绍了双锥辊辗压机油缸的结构特点，以及液压系统的组成和结构。 并且系统分析了液压系统主回路的工作原理和特点。 ( 3 ) 根据双锥辊辗压机的工作过程和控制要求，研究了双锥辊辗压机的 p l c 控制系统。 ( 4 ) 介绍了m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ，通用监控系统) 的工作原理，m c g s 是一套3 2 位的工控组态软件。可稳定的运行于 w i n d o w s 9 5 m e n t 2 0 0 0 x p 等多种操作系统，集动画显示、流程控制、数据采 集、设备控制与输出、网络数据传输等诸多强大功能于一身，并支持国内外众 多的数据采集与输出设备。 ( 5 ) 利用m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ) 组态实现了p l c 和上位机的串口通信，在实现数据采集和处理功能的基础上，开发了双锥辊辗 压机实时控制与监视系统，实现了双锥辊辗压机面板开关、按钮控制与上位机 “模拟开关”控制两种并行控制的方法。 关键词：双锥辊辗压机，可编程控制器，监视与控制通用系统，组态 a b s t r a c t r i n gr o l l i n gi sah i g he f f i c i e n tr o l l i n gm e t h o df o rm a n u f a c t u r i n gs e a m l e s sr i n g s ， w h i c hi sap r o g r e s s i v ep a r t i a lf o r m i n gt e c h n o l o g y t h ed i a m e t e ro ft h er i n gi s i n c r e a s i n ga st h ea r e ao ft h ec r o s s i n g s e c t i o nd e c r e a s i n gi nr i n gr o l l i n g t h ed o u b l et a p e r e dr o l l e r so ft h et w i nc o n er o l la x i a lm i l la r ea r o u n ds y m m e t r y w i t ht h ep r i n c i p a la x e so ft h em a c h i n e t h ea c t i v el i n eo fr o l l i n gf o r c ei ss u p e r p o s i t e dw i t ht h ep r i n c i p a la x e so ft h em a c h i n e w h e ni tw o r k s ，t h ed o u b l et a p e r e d r o l l e r sa r ec i r c u m r o t a t es u r r o u n d i n gt h ep r i n c i p a la x e so ft h em a c h i n e w h e ni t c o n t a c tt h ew o r kp i e c e ，t h ec o n t a c tf r i c t i o nf o r c em a k et h e t a p e r e dr o l l e r s c i r c u m r o t a t ew i t hi t sa x e s t a p e r e dr o l l e r ss c r o l lo nt h et o po ft h ew o r kp i e c ea n d r o l l i n gt h ew o r kp i e c e f o r g i n ga n dp r e s s i n ge q u i p m e n tw o r ki nap o o rc i r c u m s t a n c e l o c a t i n gi nb i g l i b r a t i o n s , h i 曲t e m p e r a t u r ea n dm u c hd u s tc i r c u m s t a n c e m a n yc h e c k i n ga n d p e r f o r m i n ga r ec a nn o ta d a p tt ot h i sc i r c u m s t a n c e t h et w i nc o n er o l la x i a lm i l lm a k e u s eo fp l c ，i tc a nm a k eo p e r a t ee a s i l ya n dw o r kc r e d i b i l i t y t h i sp a p e r , b a s e du p o nt w ot e c h n i c a lf i e l d s m a t e r i a le n g i n e e r i n ga n dc o n t r o l e n g l n e e r i n g ，p r o c e e d st oe x p o u n d t h ew o r kp r i n c i p l eo ft h et w i nc o n er o l la x i a lm i l l b a s e du p o nt h i sp r i n c i p l e ，s t u d yt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo ft h et w i nc o n er o l l a x i a lm i l l ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w ： ( 1 ) i n t r o d u c et h ew o r kp r i n c i p l e ，s t r u c t u r ep e c u l i a r i t ya n di d e n t i t yo ft h et w i n c o n er o l la x i a lm i l l ( 2 ) i n t r o d u c e st h ec o n f i g u r a t i o ns p e c i a l t yo ft h eo i lv a t ，t h ec o n s t i t u t ea n dt h e c o n f i g u r a t i o no ft h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m a l s os y s t e m i ca n a l y z et h ew o r k p r i n c i p l ea n di d e n t i t yo ft h em o s tl o o pi nh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m ( 3 ) b a s e du p o nt h ew o r k i n gp r o c e s sa n dc o n t r o l l i n gd e m a n do ft h et w i nc o n e r o l la x i a lm i l l s t u d yt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h et w i nc o n er o l la x i a lm i l l ( 4 i n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm c g s ，m c g si sa s e to f3 2b i tm c g s ， a n di tc a nw o r ks t a b l ei nw i n d o w s 9 5 9 8 m e n t 2 0 0 0 x pa n ds oo n a n di ti n v o l v e s m a n yf u n c t i o n ，s u c ha st h em a n i f e s t a t i o no ft h ea n i m a t i o n ，t h ec o n t r o lo ff l o ws h e e t ， t h ed a t ac o l l e c t i n g ，t h ec o n t r o la n do u t p u to fe q u i p m e n t ，t h en e tw o r kd a t ad e l i v e r i n g ， l i a n di tc a nw o r kt o g e t h e rw i t hm a n yd a t ad e l i v e r i n ga n d o u t p u te q u i p m e n t s ( 5 ) f o u r t h ，t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dc o m p u t e rh a sb e e n c o m p l e t e dw i t hu s i n gt h es o f t w a r em c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ) h o wt oc o l l e c ta n dd i s p o s ed a t ai ss t a t e ds i m p l y w i t ht h i sa b o v e ，t h ec o n t r o l l i n g s y s t e mo ft h et w i nc o n er o l la x i a lm i l li sd e v e l o p e d a n dp a n e lc o n t r o lb a s e d m o n i t o r i n gi sr e a l i z e d k e yw o r d s ：t h et w i nc o n er o l la x i a lm i l l ，p l c ，m c g s ，c o n f i g u r a t i o n i i i 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 回转锻造具备省力、节材、节能、生产效率高、制件精度商、模具寿命长 而生产成本低、无震动和冲击、劳动条件好等等诸多优点，发展回转锻造的设 备和工艺可促进锻造技术进步。 回转成形锻压机工作时，模具与工件局部接触而相对滚动，接触面积小， 金属与工具表面为滚动摩擦，因而单位面积变形抗力小，工件成形所需工艺力 小。锻压机的主要优点有：设备吨位小，相对刚度大，产品精度高；模具寿命 长，生产成本低；无振动，噪声低，生产环境好，等等。 目前，能进行轴向轧制的锻压机有径向轴向辗环机、摆动辗压机和单锥辊 轴向模轧机。径向。轴向辗环机只能加工( 孔径，外直径) 比值较小的圆环件； 摆动辗压机轧制力合力作用线偏心位置周期性变化，传动系统和机床结构很复 杂，造价高，性价比很低，只能用作冷锻机，加工直径q b 2 0 0 m m t l 的回转体锻 件；单锥辊轴向模轧机轧制力合力作用线位置偏心，带下模的工作台需与锥辊 同步转动，传动系统和机床结构也很复杂，造价高，性价比也比较低。为了适 应加工( 孔径，外直径) 比值较大的圆环件小孔类法兰、齿轮、拖拉机及坦克 履带支撑轮、火车车轮等较大型的隧转体锻件，因此研发了双锥辊轴向模轧机。 新型双锥辊辗压机的出现正是针对目前已有的锻压机的各个不足之处研制 生产出的新型锻压机。双锥辊辗压机的工作是准静压加工，无震动，噪音低， 所以采用双锥辊辗压机既节能，又改善了劳动环境，经济效益和社会效益都十 分显著。 双锥辊辗压机适用于热加工，而且不易损害模具，降低了工作成本，提高 了生产效率，减少了相应的设备成本。并且在新型双锥辊辗压机中应用可编程 控制器( 简称p l c ) 这种新型的自动化控制技术，使操作简便。由于编程语言 的统一，使得技术的推广方便。这非常符合现代化建设的时代需求。 1 2 锻压设备控制应用与发展的概况陉3 l 4 5 1 环件轧制又称环件辗扩或扩孔，它是借助环件轧制装备一轧环机( 又称辗 武汉理工大学硕士学位论文 扩机或扩孔机) 使环件产生壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成行的塑性加工工 艺【6 1 。 轧环机是轧制无接缝环件的一种锻压设备，锻压设备控制不同于冷加工设 备，有它自身的特点： ( 1 ) 锻压设备工作环境恶劣，如振动大、温度高、灰尘多，许多通用检测 仪器及其执行元件不能适应、可靠性差、寿命短，必须从元件到系统采取相应 的措施。 ( 2 ) 可靠性要求高。 ( 3 ) 影响工艺稳定的因素较多，不易稳定。如预制坯的尺寸形状、重量、 温度的高低及其均匀性等等。因此要求控制硬件和软件方面具有相应的容错措 施。 ( 4 ) 要求的驱动功率大，响应速度快。 ( 5 ) 控制糟度相对冷加工控制系统的要求低，如位置精度一般低于o o l m m ， 但系统必须坚固耐用。 随着电子计算机技术的迅速发展，机械行业的自动化水平在近2 0 年来有了 显著的提高。锻压设备因为上述的特点，因此其控制技术的发展有其自身的特 点。 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 年则剧增至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，使其不断能够控制多种锻压设备，而且能方便的予以扩展，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经发展成以下几类： ( 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 2 武汉理工大学硕士学位论文 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的应用于生产。 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经掌握了计算机控制技术，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。 1 3 引入可编程控制器对双锥辊辗压机控制的必要性 1 3 1 可编程控制器的定义和特点 最初，可编程逻辑控制器( p r o g r a z n m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 简称p l c ， 只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。随着计算机技术的发展，可编程逻 辑控制器的功能不断扩展和完善，其功能远远超出了逻辑控制的范围，具有了 p i d 、a d 、d a 、算术运算、数字量智能控制、监控、通信联网等多方面的功能， 它已变成了实际意义上的一种工业控制计算机。于是，美国电器制造商协会 ( n e m a ) 将其正式命名为可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e t ) ，简 称p c 。由于它与个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的简称p c 相同，所以人们 习惯上任将其称为p l c 。 可编程控制器是由工业专用微型计算机、输入输出设备、保护及抗干扰隔 离电路等构成的微机控制装置。具有顺序、周期性工作的特性，从应用角度看 3 武汉理工大学硕士学位论文 可编程控制器具有如下特点： ( i ) 可靠性高。由于可编程控制器在i o 环节采用了光电隔离、滤波等多 种措施。系统程序和大部分的用户程序都采用e 2p r o m 存储，输入输出端口均 采用继电器或光电藕合器件，采取了隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干 扰能力，一般p l c 的平均无故障工作时间可达到几万小时以上。 ( 2 ) 适用于恶劣的工业环境。采用封装的方式，适合于各种振动、腐蚀、 有毒气体等的应用场合。 ( 3 ) 体积小、重量轻、功耗低。由于在制造时采用了大规模集成电路和微 处理器，用软件编程替代了硬连线，便于安装，达到了小型化。 ( 4 ) 编程方便易学。第一编程语言( 梯形图) 是一种图形编程语言，与多 年来工业现场使用的电气制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员 学习。 ( 5 ) 通用性好、扩展能力强。由于可编程控制器采用模块化结构，一般有 c p u 模块、电源模块、通信模块、p i d 模块、模拟输人模块、模拟输出模块等。 可以用这些模块灵活地组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选 取不同的模块即可。一个型号的p l c 可用于控制几个i o 点到几百个i o 点的 控制系统。 ( 6 ) 与外部设备连接方便。采用统一接线方式的可拆装的活动端子排。提 供不同的端子功能适合多种电气规格。 ( 7 ) 使用方便。对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，若输入输出 做很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线作较大的修改，减 少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。 ( 8 ) 控制功能强。p l c 所采用的c p u 一般是具有较强位处理的位处理机， 为了增强其复杂控制功能和联网通信等管理功能，可以采用双c p u 的运行方式， 使其功能得到极大的加强。 ( 9 ) 性价比高。与其他控制方式相比，性价比较高。 这些显著的特点，使p l c 在我国已成为数显、数控之后在技术改造和设备 更新中的三大技术之一。 1 3 2 可编程控制器的工作原理 可编程控制器的工作原理可以简单的表述为在系统程序的管理下，通过运 行应用程序完成用户任务。个人计算机与p l c 的工作方式有所不同，计算机一 4 武汉理工大学硕士学位论文 般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或i o 扫描方式。当键盘 有键按下或i o 口有信号时则中断转入相应的子程序，而p l c 在确定了工作任 务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作 任务管理及应用程序执行都是以循环扫描方式完成的。如图卜l 所示： 图卜1 可编程控制器循环执行程序的过程 1 3 3 可编程控制器系统与继电接触器系统工作原理的差别 继电接触器指以电磁开关为主体的低压电器元件，用导线依一定的规律将 它们连接起来得到的继电器控制系统，接线表达了各元器件之间的关系。要想 5 武汉理t 大学硕士学位论文 改变逻辑关系就要改变接线关系，显然是比较麻烦的。而可编程控制器在它的 接口上接有各种元器件，而各种元器件之间的逻辑关系是通过程序来表达的， 改变这种关系只要重新编排原来的程序就行了，比较方便。 从工业应用来看，可编程控制器的前身是继电接触器系统。在逻辑控制场 合，可编程控制器的梯形图和继电器线路图非常相似。但是这二者之间在运行 时序问题上有着根本的不同。对于继电器的所有触点的动作是和它的线圈通电 或断电同时发生的。但是在p l c 中，由于指令的分时扫描执行，同一个器件的 线圈工作和它的各个触点的动作并不同时发生。这就是所谓的继电接触器系统 的并行工作方式和p l c 的串行工作方式的差别。 1 3 4 引入p l c 对双锥辊辗压机控制的必要性 双锥辊辗压机控制部分的设计有三种方案可以选择：采用传统的继电器一 接触器控制系统、p l c ( 可编程控制器) 控制系统和微机控制系统。究竟选取那 种方案更合适，这要从技术的适用性、经济上的合理性进行论证。 继电器一接触器控制的优点是电路图较直观形象，装置结构简单，价格便 宜，抗干扰能力强，因此被广泛应用于各类生产设备及控制系统中。它可以方 便地实现简单和复杂的、集中和远距离生产过程的自动控制。但是继电器一接 触器控制线路的缺点主要是：由于采用固定接线形式，其通用性和灵活性较差， 在生产工艺要求提出后才能制作，一旦做成就不易更改。另外，不能实现系列 化生产。并且由于采用有触点的开关电器，触点易发生故障，维修量较大等。 微机控制系统虽然具有体积小、自动化程度高、适用性强、维修简便等优 点，但造价昂贵且对工人的计算机水平要求较高。 锻压设备的工作环境一般都很恶劣，长期的处于振动大、温度高、次尘多 的工作环境中。许多的通用检测和执行元件都不能适应。而p l c 控制器内部有 几百个固态继电器，几十个定时器计数器，具有停电记忆功能。它还采用了 多层次抗干扰技术和精选元件措施，增加了自诊断、纠错等功能，使其在恶劣 工业环境下与强电设备一起工作，运行的可靠性和稳定性显著提高，控制系统 故障仅为继电器控制方式的1 0 。且p l c 采用易学易懂的梯形图语言，它是用 计算机软件构成人们惯用的继电器模型，行成一套独具风格的以继电器梯形图 为基础的形象编程语言，使电器操作人员用起来得心应手，不存在计算机技术 与传统电气控制技术之间的专业“鸿沟”。此外，在使用过程中，当生产工艺 流程改变或生产线设备更新时，只要改变控制程序就可满足要求，而不必改变 武汉理工大学硕士学位论文 或很少改变p l c 机的硬件设备。 综上所述，p l c 结构紧凑、坚固耐用，具有较强的环境适应性和较高的抗干 扰能力，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。因此， 本次研究的控制系统将采用p l c 控制系统。 1 4 利用m c g s 实现实时控制与监视 组态软件产品大约在上世纪8 0 年代中期在国外出现，在中国也有近2 0 年 的历史。早在8 0 年代末9 0 年代初，有些国外的组态软件如o n s p e c 、p a r a g o n 等就开始进入中国市场。大约在1 9 9 5 年底至1 9 9 6 年，组态软件在中国开始有 较快的发展，更多的项目中正式有了单列的组态软件预算，越来越多的专业销 售商和系统集成厂家也加入这个市场，组态软件已经在中国确立了其应有的地 位，并逐步进入了上升期。 目前中国市场上的组态软件产品按厂家划分大致可以分为三类，即国外专 业软件厂商提供的产品，国内外硬件或系统合作厂商提供的产品，以及国内自 行开发的国产化产品。 美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h ，堪称组态软件的“鼻祖”，率先推出了 1 6 位w i n d o w s 环境下的组态软件，在国际上具有较高的占有率。在3 2 位w i n d o w s 环境下，i n t o u c h 已受到其他产品的猛烈冲击。美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 产 品在中国市场也由来已久，澳大利亚c i t 公司的c i t e c h ，是组态软件中的后起 之秀，在世界范围内扩展的很快，在中国市场常见的其他国外专业软件公司的 组态软件还有原美国h e u r i s t i c s 公司的o n s o p e c 、i n t e cc o n t r o l 公司的 p a r a g o n 、i c o n i c s 公司的6 e n e s i s ，以色列p cs o f t 公司的w l z c o n 以及美国 u s d a t a 公司的f a c t o r yl i n k 等。近年来，一些美国著名硬件或系统产商亦推 出了日趋成熟的组态软件产品，如美国g e 公司的c i m p l i c i t y ，美国a b 公司的 r s v i e w 。这些软件通过大力加强与其他硬件产品的驱动支持和软件内部的各种 功能，而发展成为通用的组态软件“。 国产化的组态软件也正在成为市场上的一支生力军，近年来已有一定影响 力的产品有组态王、s y n a l l 、m c g s 、力控等。国产化的组态软件具有较强的价 格竞争优势。北京亚控的组态王是国内比较早出现的组态软件产品之一，至今 也有五年的历史了。m c g s 思想比较独特，属于比较另类的产品，有很多特殊的 概念和使用方式。大庆三维公司的f o r c ec o n t r o l ( 力控) ，在3 2 位w i n d o w s 下 武汉理工大学硕士学位论文 体系结构具有较为明显的先进性。当前计算机的发展日新月异，围绕着工控计 算机自动化集成系统新产品技术的推陈出新，组态软件将会在其中扮演越来越 重要的角色。 组态软件和其他工业控制软件一样向大型化和小型化发展。成熟的商用软 件技术如高级动画技术、分布式运算、大型数据库技术等逐渐在组态软件上得 到应用。随着计算机网络的飞速发展，组态软件也出现了分布式、网络化的趋 势，比如组态软件直接支持i n t e r n e t 远程访问功能已经成为一个基本的要求。 而组态软件的小型化是为了满足嵌入式计算机在控制系统中的应用。组态软件 的发展将促使我国工业自动控制技术的应用不断上一个新的台阶。 m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ，通用监控系统) 是一套 用于构造和生成计算机监控系统的开发平台，它能够在基于m i c r o s o f t 的各种 3 2 位w i n d o w s 系统上运行。在此平台下设计人员可方便的根据控制要求和下位 机( p l c ) 具体程序开发出相应的操作系统，其界面友好，便于操作和识别控制。 m c g s 通过i 0 驱动程序从现场i o 设备获得实时数据，对数据进行必要的 加工后，一方面以图形方式直观地显示在计算机上，另一方面按照组态要求和 操作人员的指令将控制数据送给i 0 设备，对执行机构进行控制或者调整控制 参数。 m c g s 以线程为单位分时并行处理，充分利用了w i n d o w s 操作平台多任务、 按优先级分时操作的功能，使p c 机广泛应用于工程测控领域成为可能。 1 5 本论文的研究内容 本课题研究的任务就是在基于双锥辊辗压机工艺特点的基础上，引入可编 程控制器，通过利用组态软件研究一套基于可编程控制器和上位机监控的双锥 辊辗压机控制系统，使双锥辊辗压机具有实时监控的功能，并且对一些数据实 现在线监测。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章双锥辊辗压机工艺特点 2 1 双锥辊辗压机成形原理及其特点 双锥辊轴向轧机原理如图2 - 1 所示。该机床有两个锥辊分别装在机器主轴 轴线两侧。两锥形轧辊回转线与机器主轴轴线相交于一点，交角a = 4 5 。，锥 顶角1 3 = 9 0 。主电机减速箱驱动回转头旋转，实现两锥辊绕机器主轴轴线公 转，工作台装在滑块上，在液压缸活塞的驱动下，工作台与锥形轧辊距离渐近 直到接触工件时，两者之间的接触摩擦力带动锥辊绕自身轴线自转，即为轧辊在 工件上面滚动轴向轧制工件。滑块的继续运动形成锥辊对工件的连续轴向轧制 加工。 图2 - 1 双锥辊辗压机的原理 轧制的特点是：* l n 过程中轧辊对轧件局部加压，接触面积小；轧辊与轧 件之间为相对滚动，摩擦力小于一般锻造时的滑动摩擦力，单位面积上平均变 形抗力小；作为等于接触面积与单位面积上平均变形抗力两项乘积的锻造变形 工艺力就小得多。这就减少了设备自重，降低了造价，也提高了设备的相对刚 度，提高了锻件的加工精度。同时，模具的工作环境与一般锻造相比也得到改 善，其造价低，寿命长，降低了生产成本。两个锥辊接触面与机器主轴轴线左 彩 ；艟r# 武汉理工大学硕士学位论文 右对称，轧制力合力作用线与机器主轴轴线重合，大大改善了机身的受力状态。 由于机器工作时，只有主转头旋转，两锥辊被动旋转，下模只作上下平动，所 以传动系统和机床结构就非常简单。因此其具备省力、节材、节能、生产效率 高、制件精度高、模具寿命长而生产成本低、无振动和冲击、劳动条件好等诸 多优点。 2 2 双锥辊辗压机的结构特点 新型双锥辊轴向轧机由主机、高压泵站、供电柜和操作台四部分组成。主 机包括整体框架机身、带双锥辊的主转头、硬齿面减速器标准减速箱、四面调 节间隙的滑块导轨及含顶料缸的复合液压缸，高压泵电动机2 2 k w , 额定压力 2 5 m p a ，操作系统采用渐近开关和可编程控制器p l c 。 双锥辊轴向轧机的额定压力为4 0 0 0 ( 2 x 2 0 0 0 ) k n 。双锥辊轴向轧机的机身为 整体形框架结构，剐性良好；主转头由电动机经皮带轮、减速箱、联轴节驱动 旋转；液压缸的活塞推动滑块自下向上运动完成轧制进给运动。滑块的运动过 程为快进一工进一停止一回程一顶料一顶料杆回程结束。 机身由底座、侧板、六柱焊接起来的框架、顶盖、固定连接体、导轨等组 成。顶盖和固定连接体都是用螺钉和框架紧定连接。框架的下部内侧四角各装 一个导轨，每一个导轨有两排螺钉从两个方向固定它。其中一排五个螺钉中有 两个面顶出，三个拉紧作用，用来调整导轨间隙，另一侧有三个t 型槽螺钉用 于导轨调整到位后锁紧。四个导轨支撑滑块，每一个都能调整，方便装配，补 偿磨损，延长导轨的使用寿命。 2 2 1 变速箱传动系统 传动系统包括皮带轮、减速机和连轴节共三部分。减速机如行星齿轮减速 器。连轴节也是凸缘连轴器，主轴只有一个转速。 2 2 2t 作台 工作台上固定通用模座。下面内腔固定活塞连接座。通用模座附带压盘和 弹性的外模主正套，用于固定模具。工作台本体又作滑块，四角导向面上镶有 镶钢导轨，工作台是机器的主要工作执行机构，它作为滑块在油缸活塞驱动下， 在机身导轨内作上下往复运动。油缸往复运动的导向是机身上口字布置的四个 1 0 垫望堡三查堂堡主堂堡堡苎 导轨，机器使用中导板磨损严重时会因导向间隙大而降低导向精度，此时可以 通过推拉螺钉组来调整导向间隙。调整导向间隙时需保持工作台和主转轴的同 轴度，以避免偏载对油缸的不利影响。 2 2 3 双锥棍辗压机的组成 双锥棍辗压机由锻压部分、液压缸部分、润滑部分、减速机部分、电器部 分、液压站部分、电动机部分、附件部分等组成。具体结构如图2 - 2 所示： 壤蘸机帮特 锻雕部分 掏潜拓分 壤廉缸潍分 图2 - 2 双锥辊辗压机结构简图【1 川 2 3 双锥辊轧制金属流动趋向1 1 1 佞 、 磷赫。 献拶b 。 图2 - 3 接触面上金属流动趋向 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 锥辊轧制是曲率由小变大的轧辊在轧件高度变小的过程中轴向轧制工件。 两轧辊与轧件的接触面积相对工件中心对称分布。根据金属塑性流动的最小阻 力定律，可以绘制出轧制薄环件时接触面上金属流动趋向如图2 - 3 所示。- 接触面 上金属流动趋向分四个区域：a 区、c 区的金属为径向流动，形成径向宽展，a 区的 金属流向圆心，有使孔径变小的作用，c 区的金属向外流动，使工件直径增大。b 区为前滑区，d 区为后滑区，两者都是切向流动，形成切向延伸，导致孔径的内、外 圆半径增大。b 区+ d 区的面积远大于a 区+ c 区，所以变形的特征表现为切向延伸 为主，即内孔和外圆都是增大，径向略有宽展。 2 4 本章小结 本章介绍了双锥辊辗压机的工作成形原理及其特点，并且分析了辗压时的 金属流动趋向。介绍了双锥辊辗压机的结构特点。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章双锥辊轴向轧机液压系统 机器的液压系统由液压执行机构和供液系统组成。工作执行机构是复合油 缸( 差动缸和项料缸) 。供液系统由柱塞泵、低压泵、过滤器、油箱、管道、各 种阀门和指示仪表组成。 系统有控制回路和主回路，分别以相应的油泵供油，使各工作执行件获得 所需要的动力并在控制系统下依程序完成要求的动作。系统采用泵直接传动的 供液方式，结构简单，使用方便可靠。如图3 - 1 所示： 3 2 油缸 图3 - 1 双锥辊辗压机照片 本机采用液压驱动工作台和顶料机构的往复运动，设计了独特的大缸套小 缸的复合油缸。驱动工作台的大缸是具有三腔的差动缸，大缸的活塞做成驱动 顶料机构的小缸。快进时，大缸后端盖小油腔进压力油，主活塞下油腔负压进 油，主活塞上油腔卸荷出油；空行程到位工进时，主活塞下油腔进压力油，小 油腔负压进油，上油腔卸荷出油 工进到位保压时，下油腔和小油腔封闭；工 退时，主活塞上油腔压力进油，下油腔和小油腔卸荷出油，差动缸完成一个工 作循环。顶料活塞杆下油腔压力进油，上油腔卸荷出油，顶料杆上行。顶料杆 上行到保压时下油腔封闭。上油腔压力进油，下油腔卸荷出油，顶料杆恢复原 位。一个工作循环完成。 油缸内的压力应随不同工作的实际需要，通过溢流阀来调整系统压力值油 武汉理_ 丁大学硕士学位论文 压表显示。 3 3 控制回路 控制回路的额定油压1 6 m p a ，由外啮合单级齿轮泵供油，主要用途是如2 0 、 2 4 、3 1 等液压控阀提供压力稳定的压力油。 3 4 主回路 主回路由额定油压2 5 m p a ，由柱塞泵供油。主要用途是为主油缸和顶料油缸 提供压力用油液，驱动工作台和顶料机构的上下往复运动。其工作过程是： y v o 、y v 2 、y v 5 得电，快速缸腔进压力油，单向阀2 5 打开，主油缸下腔负 压进油，主油缸上腔经换向阀2 9 卸荷出油，工作台快进。 s q 2 发信号，y v o 、y v 2 得电，单向阀2 5 闭，快速缸腔进压力油，经顺序阀 2 l 、调速阀3 6 、换向阀2 4 主油缸下腔进压力油，y v 5 闭合主油缸上腔经顺序阀 2 8 换向阀2 0 卸荷出油，工作台工进。 s q 3 发信号，y v 2 、y v 0 失电，阀2 0 闭，主油缸下腔和快速缸腔停止进压力 油，保压、工作台静止。 延时继电器发信号，y v o 、y v l 得电，经阀2 0 、顺序阀2 8 主油缸上腔进压 力油，经换向阀2 4 ，调速阀2 2 、顺序阀2 1 主油缸下胶卸荷出油，经单向阀3 0 快速缸腔卸荷出油，工作台工退。 s q l 发信号，y v o 、y v 3 得电，经阀3 3 顶料缸下腔进压力油，顶料缸上腔经 阀3 3 卸荷出油，项料杆进。 y v o 、y v 3 失电，经阀3 2 闭，顶料缸下腔、顶料缸上腔停止进油，项料杆静 止。 延时继电器发信号，y v o 、y v 4 得电，经阀3 3 顶料缸上腔进压力油，顶料缸 下腔经阀3 3 卸荷出油，顶料杆退。 延时继电器发信号，完成一个工作循环、自检、复位。 液压原理如图3 2 所示； 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 9 淤 丫v oy v i丫v r v iy v 4 y v !r v 6y v ： m 2i y js q is 日己s q 3s q 4s 0 5 s 0 6 慷倥+ 快上 1 一 十 - l -十 十 - i - 工上- i - i -+- h - i - 保压 + l h - i - 快下- i -十十+十 - i - 懂下十- h- f - + - i - 1 刚斟上+ - i -+ + - i - 丁贝科下 - k -+- i - i - i - 3 5 本章小结 图3 - 2 液压原理图 本机采用液压驱动工作台和顶料机构的往复运动，设计了独特的大缸套小 缸的复合油缸。驱动工作台的大缸是具有三腔的差动缸，而系统采用泵直接传 动的供液方式，结构简单，使用方便可靠。通过一个工作循环中工作台和顶料 机构的上下往复运动，介绍了主回路和油缸的工作流程。 武汉理t 大学硕士学位论文 第4 章双锥辊辗压机控制系统设计 4 1p l g 控制系统设计的一般步骤及内容 设计p l c 控制系统的一般步骤如图4 - 1 所示 工艺过程 i 分析控制要求 确定用户i o 设备 i 选择p l c 机型 分配i o 点、设计i o 连接图 绘制接线图 编制技术文件 i 编写程序调试程序 图4 - ip l c 控制系统设计步骤 ( 1 ) 根据生产的工艺过程分析控制要求，需要完成的动作( 动作顺序、动 作条件、必须的保护和联锁等) ，操作方式( 手动、自动、连续、单周期、单步 等) 。 ( 2 ) 根据控制要求确定所需要的输入、输出设备。据此确定p l c 的i o 点 数。 ( 3 ) 选择p l c 机型及容量。 ( 4 ) 定义输入、输出点名称，分配p l c 的f o 点，设计i o 连接图。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 根据p l c 所要完成的任务及应具备的功能，进行控制台的设计，绘制 接线图。 ( 6 ) 根据控制流程图进行p l c 程序的设计。 4 2 工艺过程 双锥辊辗压机工作前，先将工件安装到固定在床身下横梁上的模具中。主 电机减速箱驱动回转头旋转，实现两锥辊绕机器主轴轴线公转，工作台装在滑 块上，在液压缸活塞的驱动下，工作台与锥形轧辊距离渐近直到接触工件时， 两者之间的接触摩擦力带动锥辊绕自身轴线自转，即为轧辊在工件上面滚动轴 向轧制工件。滑块的继续运动形成锥辊对工件的连续轴向轧制加工。当完成加 工要求时，工作台下行到初始的位置，顶料杆顶出工件然后退回，完成一个工 作循环。 4 3 控制流程 本机床采用三菱可编程器来控制辗压机的运动。使工作台完成快进工进一 保压回程顶料顶料杆回程等动作循环。循环流程如图4 2 所示： 堂p 拶 函一 工作台。隧退l 一 番秽 垂萄圃一 1 一 拶 r 匕x 上 面丽蔺 图4 - 2 自动循环流程图 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 1 主轴运动控制 点动：将s a d ：置手动位置，按下主轴点动按钮s b l l ，主轴工作于“y ”接 法供点动，松丌s b l l 主轴停止转动。 启动：将s a d 置循环位置，按下主轴启动按钮s b i o ，主轴先于“y ”启动， 然后自动运行“”连接，s b 9 是主轴停止按钮。 4 3 2 液压站电机( m 2 、m 3 ) 的电气控制 s b l 3 是液压站电机m 2 、m 3 的启动按钮，s b l 2 是液压站电机的停止按钮。 4 3 3 工作台运动的电气控制 按液压站启动按钮s b l 3 启动液压站电机m 2 、m 3 ，使其正常工作后，将选择 开关s a l 置于手动位置，以快速按钮s b 5 、s b 7 控制工作台的快速向上或向下点 动，按下s b 6 工作台向上工进，按下s b 3 或者s b 4 ，工作台工作于顶料上或顶料 下运动的点动控制。 按工艺要求调整限位开关s q l 、s q 2 、s q 3 的距离，并将s q l 、s q 2 之间的距 离为“x ”，s q 2 、s q 3 之间的距离为“y ”，输入到光栅数显表内。 将选择开关s a l 置于自动循环位置，掀主轴启动按钮s b l 0 ，机床将从原位 开始完成以下的运动： 工作台快速向上( 选择开关s a l 置循环位置，撞块压下限位开关s q l ) 一向 上进给( 光栅数显表走完x 值、撞块压下限位开关s q 2 ) 一保压2 秒后卸压( 光 栅数显表走完y 值，撞块压下限位开关s q 3 ) 一工退一工作台回原位( 撞块压下 限位开关s q l ) 一顶料上一保压一顶料下。 4 4 确定p l o 机型，分配i 0 点 根据双锥辊辗压机的工作状态流程图，p l c 控制系统的输入信号有2 7 个， 均为开关量。其中各种单操作按钮1 7 个，行程开关3 个，自动、手动选择开关 4 个( 占4 个输入点) 。p l c 控制系统的输出信号有1 0 个，其中3 个用于驱动主 轴电机的接触器k m l 、k m 2 和