纵剪生产线的速度匹配

1、纵剪生产线的速度匹配控制设计前言近年来，随着我国制造业的发展，金属板材的用量日益增长，对板材的规格种类要求也越来越多。板材加工纵剪线技术已日趋成熟。加工速度也越来越高。这样，各主机之间的运行速度师傅匹配成了生产能否顺利进行的重要因素。下面以1.0*1700规格纵剪线为例。分析生产过程中的速度匹配。1.课题背景1.1研究的背景和意义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

2、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85%。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

3、的竞争力一_、了忿先碑七二，.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那实章义，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要。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

4、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，溶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必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一T44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

5、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。Bs一T44一 4x1800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I2。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151的Pathfinder系列和ABB的DoPPING系列，基于6轴的ROBoT的柔性自动化系统开始进入

6、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

7、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

8、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，华中数控主要集中第一章绪论在数控机床行业，伴随靛九举颧控施的嵌展，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。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

9、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PLC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。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:(l)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(2)控制系统的设计。介绍了控赳手领的组成和控制要求，对控制面板及操作手柄进行详细说明。设计了校王扒的调速系续:介争变频器的调速原理及

10、应用，设置变频器的丰要参数，控制电机的转溥，进行变频调搏。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PLC和触摸屏的特点，进行PLC和触摸屏的选型，按照控制要求设计PLC和触摸屏的程序，对PLC控制变频器、PLC控制伺服、PLC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PLC与触摸屏的通信设置及系统的调试和运行等。2.纵横剪自动生产线2.1总体结构纵剪线由上料小车，单臂开卷机，辅助支撑，纠偏，纵剪机，张

11、紧机，出料小车等组成。其中在开卷机和纵剪机中间以及纵剪机和张紧机中间各有一个储料池，石板材的缓存区，还可防止前后电机不同步时拉伤板料。开卷机、纵剪机、收卷机均均采用直流电机驱动，哥电机尾部都带有模拟测速机检测速度。为了更精确的控制整线速度的匹配，自动运行时，我们采用编码器测速。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。a.上料小车b.引料压头c.开卷支撑d.开卷机e.托料

12、板f直头压辊g.校平机h.摆桥1.定尺送进机j.纵剪机k废边卷取机L横剪机m.输送带n.垛料装置(l)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，在装料租塑料过程中，开卷轴的轴面可以通过电磁阀控制其收缩和膨胀。开眷机上方有个引料压头，以便压住板料，防止板料向上翘起。(3)校平机主要户一对牵引辊和十五烬校平褥组成。辊和托料板，直头压辊从上方压住从开卷机过齐的板料，在校平机前面有个直头压防止料头散开且便于进料，托料板从下面托住板料·牵

13、弓!担由油红摔制其抬鹉或落下，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)鳄桥可以抬起或落王，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。当板料快送宾时，升起摆桥，可以傅料尾平稳地通过地坑。地坑中装有两对光曳开关，咚保证下垂在地坑中的握料有足够卯长度储量。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

14、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

15、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PLC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500毫米I7一I8。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

16、，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

17、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。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

18、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91一l0。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，选用巧辊的校平机，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

19、开关没有检测到板料时，向控制系统发出报警信号，使坪作人员根辑情况采粤相应的操作;当饭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。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

20、。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。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:(l)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

21、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。(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。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

22、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公盖，一.稼了礼剪切。旋转式详料方式的刀县你鼻周戎褥转，采用详续送料，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

23、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。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

24、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2.4生产操作过程(l)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

25、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。(10)压下定尺送料辊，将纠偏滚子分别轻轻靠紧板边。(11)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。(12)点动送料辊，将料头送过横剪机适当长度，剪去料头。(13)调整好落料架两侧挡板的位置，根据需要的板料长度调

26、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。(14)将堆垛工作台升到接料的初始位置。(15)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。(16)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。(17)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

27、，按下自动启动按钮，重新开始。(18)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。第二章纵横剪自动生产线。(19)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。开卷机速度测量。由于本线加工板料的特殊性，没有校平装置。而开卷臂上料卷的卷径是不断变化的，故在开卷机上检测其线速度比较困难。由于在储料池靠近开卷机的一侧增设了两个小的胶辊，它除了过度板料外，因胶辊上板料的线速度和开卷机是一样的，这样在其中一个胶辊的一端连接一个编码器，就可以很方便的测

28、出开卷机的放料线速度。这样测速的条件是保证运行时板料和连接编码器的胶辊接触良好。为防止运行时料池中的板料高于该胶辊，我们在料池一侧还设了两个检测开关，用来检测板料在料池中的高度。当料位高于上限位时，上限开关发讯，开卷机自动加速直到料位低于上限位，同样当料位低于下限位时，下限开关发讯，开卷机自动减速直到料位高于下限位。这样板料就始终运行在两个检测开关之间，从而保证了开卷机线速度检测精度良好，也防止了生产时由于开卷机运行过快料池底部堆料 纵剪机速度测量。相对于开卷机，纵剪速度册来那个就简单多了，因为板料是线性穿过上下纵剪辊，所以只要在上下辊的一个棍子末端连接一个编码器就可以。在本线中，纵剪的结构是

29、电机连接下辊，中间经过齿轮箱同步打动上辊旋转，故编码器只能连接上辊。收卷机速度测量。和开卷机正好相反，开卷机的卷径是越来越小，收卷的卷径是越来越大，这节测量线速度有些困难。为此在张紧机和收卷机之间加了一个滚筒，一来可以增加收卷的包角，二来由于滚筒的上沿略高于张紧的板料，故滚筒的速度始终和收卷机是同步的，这样在滚筒的一端加一个编码器，就可以vechu收卷机的线速度。这样测速的要求是：第一，滚筒的水平速度要好，即滚筒必须是圆的，否则高速运行时，即使圆度很小的误差也会很明显影响速度；第二，滚筒和收卷机的平行度要好，角度要合适，否则会影响收卷的质量；第三，滚筒本身的质量要好，以免时间长磨损严重，影响精

30、度。线速度计算。编码器测量单位是脉冲，需要计算将其装换位线速度单位m/min,再次以开卷胶辊为例，介绍一下计算过程。已知胶辊直径50mm，编码器脉冲1000p/R,编码器采样周期100ms。由于是直接连接，编码器旋转一圈，发出1000个脉冲，对应的长度是滚筒周长3.14*50=157mm，把100ms内编码器发出的脉冲数给D0，用D40贮存计算的线速度，那么D40=D0*157*60/100000。纵剪机和测速滚筒的测速计算方法是一样的。编码器都是1000P/R,采样周期都采用100ms，这里分别用D3和D6存贮其脉冲数，用D52和D70存贮其计算的线速度。说明一下，采样周期的大小根据生产线的

31、要求来定。哟版来说，周期越小，精度会越高。速度匹配。三台主机的线速度有了，就可以通过PLC集中控制，进行速度的比较匹配，其中，纵剪机为主速度，开卷和收卷以它为标准自动进行增减。纵剪机的速度是通过操作台手动给定的。为了防止测量和机械加工的误差一起的速度不匹配，如结构图中所示，我们在纵剪机和收卷机之间的料池中也加了两个检测开关检测料位的高度，料位超过上限，收卷机减速，料位低于下限，收卷加速，这样使板料始终运行在两个开关之间。有一点应该注意，就是开关调速时，编码器之间的速度比较是无效的，举例来说，料池1中料位高于上限，要求开卷机加速，这时如编码器比较要求开卷减速，就不能达到控制效果。另外，在主操作台

32、上，对开卷机和收卷机还设有微调旋钮，生产中可人工干预其速度。这样，整线运行时，就保证了生产的顺利进行。下面给出运行时速度比较的流程图，以便大家更清楚的了解控制过程。这里。用A代表开卷速度，B代表纵剪线速度，C代表收卷线速度。1. 纵剪生产线PLC控制系统设计纵剪生产线是目前制造类企业中广泛使用的设备，适用于家用电器、汽车、集装箱、造船等金属板料加工行业。为了使生产线具有较高的自动化水平，能够更好的满足板料加工的需求，开发研制了高性能的控制系统。生产线电气控制系统包括电柜、开卷操作台、纵剪操作台以及收卷操作台，3个操作台分别位于3台直流电机附近。整套系统采用plc集中控制，直流电机均由直流调速器

33、控制。3.1控制系统组成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。(l)可编程控制器(PLC)一台。PLc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RS485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

34、能卑好地协调运转。种摸屏与PLC之间通过RS一232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。PLC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PLC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。3.2控制要求3.2.1控制方案根据纵

35、剪自动生产线的工艺流程和要求，提出以下控制方案:采用PLC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PLC中，经过PLC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。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

36、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PLC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PLC中的程序，完成伺服电机工作状态的

37、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，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

38、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:(l)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。(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

39、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:(l)升:送料小车升起。青岛大学硕士学位论文(2)降:送料小车下降。(3)进:上料小车移进。(4)出

40、: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:(l)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)OPI调速开启带灯按钮。选择电位器

41、OPI有效，以便调节校平机的速度。(6)校平机OPI调速电位器。在oPI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。(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，电机与眷筒脱开，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。(10)开卷压头正/反选择开关。控制开卷压头电机的正转和反转。(11)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。(12)开卷芯轴涨/缩选择开关。控制开卷机卷筒的涨缩。(13)上料小车进/出、升/降选择开关。功能同手持

42、按钮盒。(14)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。(15)托料板起/落、伸/缩选择开关。控制托料板的起落、伸缩。(16)校平牵引辊起/落转换开关。控制牵引辊起落。(17)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。青岛大学硕士学位论文(18)单动带灯按钮。选择和指示工作状态。(19)联动指示灯。指示工作状态。(20)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。各按钮开关或指示

43、灯详细功能如下:(l)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)工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

44、发生故障时，该灯亮。故障代码显示在触摸屏的信息页面上。(10)摆桥起/落按钮。一控制摆桥解落，为方便绎作，在开卷操作台上也有类似的设置。(11)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。(12)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。(13)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，送料机按当前长度毋定送出一张板料，但不自动剪切，当开料到料尾时可用这种方法完成。在自孙运行其程中，按下停止按钮，伺服送

45、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。(14)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。(15)校平机正转/反转启停按钮。控制校平机正转或反转的启停。(16)OP2调速开启带灯按钮。选择电位器OP2有效，以便调节校平机的速度。(17)OP2调速调节电位器。在OP2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。(18)输送带反点按钮。反向启动输送带。(19)输送带启停按钮。控制输送带的启动和停止。(20)纵剪机启停带灯按钮。控制纵剪机的启动和停止。(21)收边机启停按钮。控制收边机的启

46、动和停止。(22)A/B扭矩调节。调节两台收边机的速度。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:(l)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。(4)出料辊道进/出转换开关。控制出料小车的进、出。(5)垛料辊道进/出/升/降转换开关。控制垛料架的进、出、升、降。(6)翻料按钮。控制翻料气阀的动作。(7

47、)打料按钮。控制打料气阀的动作。(8)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，使各动作元件迅速断电。3.4校平机的变频调速本控制系统中采用变频器，驱动校平机来校平板料。在现代工业生产实践中，变频器起着极其重要的作用。它是计算机技术、现代控制技术和通信网络技术的有机结合，具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、应用操作方便、节能效果明显等优点。在当今改造传统工业、改善工艺流程、提高自动化水平和产品质量、实现绿色工业的进程中，变频器己经成为主要的技术手段。它的应用范围不断拓宽，从早期应用于风机、水泵、机床、机械加工、电力系统等工业控制领域，延伸到空调、洗衣机等家用

48、电器，如今己发展到数控系统、航空航天等高科技技术领域。变频器通常是指将频率固定的工频交流电，变换成频率可调的三相交流电的电力控制装置，实质上它是运动控制系统中的功率变换器。从结构上看，变频器分为间接变频和直接变频两大类。间接变频是先将工频交流电源变换为直流，再经过逆变器将直流电变换为电压和频率可控的交流电，简称为“交一直一交”变频器。直接变频器是将工频交流电直接变换为电压和频率可控的交流电，不需要中间整流环节，简称为“交一交”变频器，目前在中小容量的变频器中，“交一直一交”变频器的应用最为广泛，它的基本结构如图3.6所示。变频器通常由整流电路、直流中间电路、逆变电路、可控频率三相交流电源输出电

49、路、控制电路和保护电路等构成。其中，整流电路用于将工频交流电变换为直流电。直流中间电路用于提供稳定的直流电源<恒压或恒流)，有的变频器还提供交流电动机反馈制动时的再生电流通路。逆变电路主要用于将直流电源变换为频率和电压均可以控制的三相交流电源。交流输出电路一般包括输出滤波电路、驱动电路以及反馈电路等。上述这些电路部分通常称为主电路。控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变器开关管的导通和关断，从而配合逆孪电跨完成逆变任务。在变频技术中，控制电路和逆变路同样重要，都是衡量变频器质量的重要指标。控制电路大多采用计算机技术，以实现自动控制和增强变频器的功能。保护电路主要包括输

50、入和输出地过压保护、欠压保护、过载保护、过流保护、短路保护、过热保护等。在不少应用场合，变频器自身还有过速保护、失速保护、制动控制等辅助电路。根据变频调速的原理可知，只要改变加在定子绕组上的三相电源频率，转速就可以改变，从而达到对运行电机进行动态调节的目的。根据生产线的控制要求，本控制系统选用欧姆龙的变频器，型号为:3G3RVB4300一ZV1，为柜内安装型，最大适用电机容量为30KW。欧姆龙3G3RV一ZV1系列变频器采用欧姆龙最新矢量控制算法，结合高集成的制造技术，融入现代人性化的设计风格及安全规范，同时由于涵盖了风机泵类专用功能、闭环矢量控制功能、宽广的功率范围、高次谐波对策欧姆龙专用监

51、控软件以及网络总线功能，3G3RV一ZVI系列变频器可以为各种应用提供完美的方案。欧姆龙3G3RV一ZV1系列变频器的主要功能有:(l)带PG矢量控制:实现力矩控制、零伺服功能等。(2)多种自学习模式:旋转型、静止型、线间电阻型自学习模式。(3)全领域全自动力矩提升功能。(4)恒转矩与递减转矩负载类型的便捷选择。(5)脉冲串输入输出功能。(6)内置PID控制器。(7)内置RS485通信接口，支持现场总线。(8)功率范围为:0.4KW-300KW。生产线运行时，通过操作面板上的电位器OPI或OPZ控制变频器来驱动校平机，调节校平机的运行速度。按照控制要求对变频器的参数进行相应的设置。本系统中变频

52、器的主要参数设置如表3.1所示。3.5送料机的伺服驱动送料机构由控制系统、驱动系统和传动送料装置三部分组成。控制系统给驱动统发送信号，使得驱动系统来控制送料装置的运动，这三个部分的结构框架如图3.7所示。传动送料装置是主要是由送进辊来夹持板料向横剪机定尺送料，可以根据触摸屏上设定的长度和加工工件数，精确地送料。目前，送料系统中大多采用步进电机或者是伺服电机作为执行电动机，可以通过脉冲信号和方向信号来对电机进行控制。步进电动机是自动控制系统中常用的执行元件，它是一种将电脉冲信号转换成角位移的电动机，其转子角位移与输入脉冲的个数成正比，在时间上与输入脉冲同步;它的转动速度与电脉冲频率成正比，通过改

53、变电脉冲频率就可以调节步进电机的转速，而它的旋转方向是由步进电机绕组的通电顺序决定的。步进电动机有如下特点:(l)电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比;转速与脉冲频率成正比;转向与通电相序有关。当它转一周后呀有累积误差，具有良好的跟随性。(2)由步进电动机与驱动电路组成的开环控制系统，既非常简单、廉价，又非可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环控制系统。(3)步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。然而步进电动机也存在着一些不足之处，比如，步进电动机存在振荡和失步现象，因此在使用时还必须对控制系统和机械负载采取相应的措施;并且步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能

54、力较差。在自动控制系统中，使输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统成为随动系统，又称伺服系统，伺服系统的主要特点是:(l)准确的检测装置。用来组成速度和位置闭环控制。(2)有多种反馈比较原理与方法。根据检测装置实现反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较三种。(3)高性能伺服电动机。用于高效和复杂型面加工的数控机床，由于伺服系统经常处于频繁的起动和制动过程中，因此要求电动机的输出力矩与转动惯量的比值要大，以产生足够大的加速或制动力矩。(4)宽调速范围的速度调节系统。伺服系统具有高性能的宽调速系统。在机械制造行业，伺服系统应用得最为广泛

55、，各种高性能机床运动部件的速度控制、运动轨迹控制，都是依靠各种伺服系统完成的。伺服系统的性能是决定机床加工精度和生产效率的主要因素。伺服系统的性能主要有三个方面:(l)稳定性。这是指在给定输入或外界干扰作用下，能否在短暂的调节过程后达到新的或者恢复到原有的平衡状态。(2)快速性。快速性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快。一方面要求调节过程要快;另一方面，为了满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。(3)准确性。准确性是指伺服系统的控制精度，一般用稳态误差来衡量。它是衡量伺服控制系统性能的又一重要指标。伺服电动机又称执行电动机，是伺服系统中的执行元件。伺服电动机

56、把所吸收到得电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电机具有以下特点:(1)能够避免失步现象。伺服电机带有编码器，将位置信号反馈至伺服驱动器，与开环位置控制器一起构成闭环控制系统。(2)宽速比、恒转矩，具有稳定的转矩特性，不会出现振荡现象。(3)控制灵活，可通过修改参数来改变伺服系统的工作方式和运行特性等状态，来满足不同的控制要求。伺服电机分为直流和交流伺服电机两大类。直流伺服电机具有准确的速度控制、原理简单、使用方变等优点，但是却存在着机械结构复杂、易产生磨损微粒、维护和保养负担重等缺点。而交流伺服电机将定子与转子的位置进行互

57、换，即将直流伺服电机的永磁定子变为交流伺服电机的永磁转子，这样互换的结果是省去了机械换向器和电刷，取而代之的是电子换向器或逆变器，这样就克服了直流伺服电机存在的机械换向器和电刷等部件所带来的各种缺点，使得交流伺服电机以其优良的控制性能和高可靠性在工业自动化领域得到了越来越广泛的应用。本生产线的控制系统中选用德国伦茨的9300一EP位置型伺服控制器，伺服驱动器的型号为EVS9327一EP，伺服电机的型号为MCA19SC35。该伦茨交流伺服系统能够在驱动电机的同时具有控制电机运行的逻辑和运动控制功能，从而充分满足控制系统的要求。伦茨9300一EP位置型伺服控制器内置精确的位置控制功能，可精确实现绝

58、对和相对定位功能，配合高性能、高可靠性、高精度伺服电机实现精确定位，完全满足控制系统对机器动态性、稳定性以及定位高精度的要求。同时还具有调试方便、维护成本低、寿命长等特点。伺服控制方式为伺服放大器控制伺服电机按照给定速度指令实现速度控制，伺服电机内部旋转编码器同时作为速度和位置反馈，根据设定的加速度、运行速度和长度，在伺服控制器中，定位功能模块自动完成速度和位置的控制。送料控制系统总体流程所示。其中各流向的含义如下:a:表示触摸屏将设定的送料长度、速度、次数等参数传送至PLC;b:表示从PLC反馈至触摸屏的需要监控的系统工作状态;c:表示PLC给伺服驱动器发送送料开始指令;d:表示伺服驱动器给伺服电机发送送料开始指令;e:表示伺服电机反馈给伺服驱动器运行到位信号;f:伺服驱动器返回给PLC送料到位信号;g:PLc向横剪机发出剪切的信号;h:横剪机向PLC返回剪切完成的信号。在本控制系统中，PLC侧选用FX卫N一485一BD通信板，通过R