自动滚切机系统

2024-10-27

自动滚切机系统（共3篇）

自动滚切机系统篇1

轿车隔热板衬铝箔,也称热屏蔽板,用于汽车发动机和驾驶舱之间的隔热,是为了保证驾驶和乘座舒适,它是传热工程上为减小热辐射而在相邻表面之间放置的金属薄板。目前该部件多为手工生产,在生产过程中不仅费时费力,而且不符合欧盟的工业卫生标准。为了实现PASSAT轿车纵梁隔热板衬铝箔的国产化,我们受上海某汽车配件厂的委托,开发了一套自动化程度较高的铝箔自动滚切机系统。

1 自动滚切机设计概要

本自动滚切机系统所要实现的叠料动作如图1,工序如图2所示。

设计原理图如图3。

为了方便,最终采用的系统工作原理如图4。

2 主要工序的实现过程

2.1 导向送料

被加工的铝箔原料为筒状卷料,开始加工时,把筒状卷料装在和外径与筒芯尺寸相同的一根轴上,轴的两端放在一对V型支架上。该轴的轴线必须与导向轴的轴线平行。这道工序是通过单个导向轮引导材料进入凸包机,凸包机也具有把料向前输送的作用。电机位于系统台架下部,输出的转矩通过链传动传递至此凸包机的主动轮上,链传动将电机的1450r/min的高转速降至凸包机的7～10r/min转速,铝箔通过导向轮均匀进入凸包机,经由凸包机向前缓缓输送。

2.2 凸包

铝箔经导向轮后进入凸包工序,在实现凸包的凸包机转动轴上,安装了一个旋转编码器。该旋转编码器的功能在于它会随着轴转动不断发出脉冲信号。当凸包工序中的转动轴转动一周时,旋转编码器产生200个电脉冲信号。这样,通过旋转编码器发出的信号(送入PLC),以及转动轴的半径,就可以计算出通过的铝箔长度。

2.3 牵引

凸包工序后的铝箔沿着送料平板向前运动,它会由于材料本身的张力而发生翘曲,使凸包后的铝箔难以进入最大间距为15mm的上下刀具之间,铝箔将出现堆积,所以需要再次对凸包后铝箔的运动进行限制,本系统采用一对摩擦转动轮(位于铝箔的两侧)对铝箔进行牵引。同时需要注意,在牵引铝箔的过程中,为了实现均匀牵引,传动轮与铝箔间需防止产生过大的拉力;但是牵引力也不能过小,如果牵引力过小,则传动轮与铝箔间会产生打滑现象,使铝箔向前输送时发生偏移,使系统不能正常工作。本系统采用了一对橡胶轮作为牵引轮,摩擦轮对滚,解决了上述的问题。该对橡胶轮中主动轮的动力也来自于系统的电机。

2.4 压痕

和传统的铝箔加工装置相比,压痕是新增的一道工序。目的是为了实现后续的自动叠料工序。压痕是通过一把刀,将铝箔的90%～95%截断,但是铝箔又并非完全截断。而每次截断的时刻均是通过根据旋转编码器发出的信号,由PLC编写好的程序所控制。控制部分由气动回路组成。刀具的运动均是通过气缸中活塞的上下运动来实现,气缸中活塞运动由一组电磁换向阀进行控制。刀具的上下运动为瞬间运动(上刀具快速向下运动,瞬间回到原位)。同时,由于刀具在切铝箔时,瞬间的运动使得在切断过程中产生热量,并必然会造成在刀具脱离铝箔时,铝箔粘着刀具。为了解决此问题,在刀具的旁边加装了一块落料板,由两个弹簧顶住。当刀具离开铝箔时,粘住的铝箔在上升过程中被落料板挡下。在弹簧力的作用下,铝箔与刀具进行分离。由于铝箔的厚度只有6～8μm,切割非常困难,这也是实现本自动化系统的难点。本系统在设计刀具时,采用上、下刀具无缝隙切割。本系统的刀具由上刀座、上刀具、下刀座、下刀具和导向杆组成。下刀具和刀座不动,上刀具略倾斜安装,使刀刃与下刀具刀刃之间成一夹角。该系统刀具的加工精度要求非常高。

2.5 切断

当达到一个隔热板衬铝箔零件所需要的长度后,需要切断铝箔。切断时间节点的控制和压痕时间点的控制类似,均是通过旋转编码器发出来的信号,由编写好的程序所控制。切刀的运动也是通过气动来控制。用一组电磁换向阀,通过气缸控制上刀具的运动。切断铝箔时也会出现在压痕工序中出现的问题,即在切断铝箔后,铝箔也会粘着刀具,所以也需在切断刀侧面加装一落料板。

2.6 牵引和压平

经过压痕或者切断工序后的铝箔,由于刀具对铝箔的切割,必然影响正常运行铝箔的运动,而且会造成铝箔部分突起,所以首先需要再次牵引铝箔。此处的牵引采用的是链传动模式,与导向牵引轮为反向传动。两个传动轮与牵引送料处的牵引轮同样,均是通过电机来驱动。同时,在叠料工序前,为了压平由刀具运动造成铝箔的突出部分,加装一压平转动轮。

2.7 叠料

与传动的加工程序相比,此处的叠料为自动叠料。由于压痕使铝箔90%以上的部分被切断,所以当一段铝箔下降时,由于自身重力的作用,下一段铝箔会自动地反向叠落在前一段铝箔上,这是本系统的一个突出特点。但是经过实践证明,叠料盘底面为平面时,偶尔也会出现叠料失败的情况。因此根据力学的原理结构,将叠料盘的底面制成突出的,这样保证了铝箔自动叠落的运动。

3 结论

本套系统是为了实现PASSAT轿车纵梁隔热板衬铝箔零件的国产化而开发的。在设计过程中重点解决了铝箔的自动折叠和切割问题,另外解决的一个重要问题是各工序之间运动的协调。该设备自投入生产以来,因操作简单和自动化生产,大大提供了生产效率。由于加工的零件符合欧盟的工业卫生标准,实现了该汽车配件的国产化,达到了预期的设计目的。

参考文献

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[7]孙桓,陈作模.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2006.

[8]西门子S7-200系统手册[Z].

自动滚切机系统篇2

在不锈钢带滚切加工工艺过程中,原料带钢经过滚切机纵向剪切成多条规定宽度的窄条钢,然后分别由一台卷取电机驱动的工字料盘卷取排列成型。其中卷取张力的控制是保证成品质量的重要因素,卷取控制不当时,会直接导致不锈钢带扭曲变形甚至崩裂[1]。因此有必要采取卷取张力及转速同时控制的卷取控制系统,实现不锈钢带的恒线速度恒张力卷取,同时满足较大的收卷调速范围,提高生产效率。传统的电气控制系统通常分为:1)直流电机调速系统,其优点是4象限运行性能良好,控制系统线性度和鲁棒性能高,可实现收卷拖动,放卷回馈制动运行,但直流电机调速系统复杂,可靠性差且需日常维护,采用晶闸管可控整流供电时对电网污染比较严重;2)力矩电机调速系统,其优点是电机转速随着转矩的增大而自然降低,因此不需要张力检测机构,结构简单,但系统控制灵敏度较差,卷取张力不均匀,仅适合电缆、原料钢带等对控制精度要求不高的应用场合。

本文介绍的电气控制系统采用无速度传感器的异步电机矢量控制系统,建立速度控制和张力控制相结合的数学模型,由人机界面与PLC交流,通过RS-485总线通信控制矢量变频器的运行状态,调节卷取电机转速,实现恒张力卷取的要求。

2 滚切生产工艺原理

不锈钢带滚切加工工艺如图1所示,主要由放卷、滚切、张力检测及卷取4个部分组成,其中卷取工序由10台电机独立构成。

原料带钢由放料机送入滚切机,经滚切机纵向剪切成一定数目和规格的窄带钢,每条窄带钢

分别由一台收料电机卷取。卷取时要求钢带必须保持一致的张力,以恒定不变的线速度进入料盘,然而随着料盘直径的变化,为保证不锈钢带恒张力恒线速度卷取,电机的转速需随之不断减小,收卷过程转速与卷径的变化关系如图2所示,这是卷取控制的设计重点,需要建立卷取对象的速度数学模型,保证图2工艺的实现,同时要控制卷取张力,达到优质的卷取和滚切工艺。

3 电气控制系统原理

图3所示为一个单元卷取机的电气控制系统,系统以可编程控制器(PLC)为控制核心,触摸屏(F940GOT)为人机界面,通过FX2N-485-DB通讯扩展模块实现系统信息交流;采用高性能的矢量控制变频器(VF)驱动卷取电机(M),脉冲旋转编码器(PG)与高速计数模块FX2N-1HC组成速度检测单元,张力摆辊与A/D转换模块组成张力检测单元[2]。

生产线运行时,PG实时检测不锈钢带的运行线速度,并将脉冲信号送入PLC高速计数模块(FX2N-1HC);接近开关传感器对卷辊计圈,每转一圈即不锈钢带绕满一周计一个数送入PLC,通过内部存入的卷径模型计算出电机当前转速指令,经RS-485总线传输到变频器(VF),由变频器根据该转速指令驱动卷取电机,保证了不锈钢带在卷取过程中线速度恒定;此外在系统中引入张力检测环节,与张力调节器共同构成张力前馈校正闭环,达到恒张力控制效果。张力检测主要由张力测量辊、位移传感器、弹簧张力机构等组成,其主要作用是检测不锈钢带卷取时的张力,并与给定张力比较,其差值线性变化成模拟信号通过A/D转换成数字量信号给PLC。因此,PLC既接受速度指令又接受张力前馈补偿信号,由内部建立的系统控制模型进行信号综合和运算,获取实际频率(速度)指令给变频器,进而控制电机以满足恒张力卷取的工艺要求[3]。

4 控制模型的建立

4.1 卷取速度控制模型

用PG实时检测不锈钢带运行线速度的方法是由周期采样原理,设单位周期时间为T0,采集的脉冲数为C0,旋转编码器选2000脉冲/转,编码器码盘直径为D,则线速度为

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在不锈钢带卷取过程中,料盘直径不断增大,钢带每转一圈卷辊直径增加2倍的钢带厚度。设D0为料盘的初始卷径,d为不锈钢带的厚度,v0为不锈钢带运行线速度,n*为电机当前速度控制模型下的转速指令。系统采用接近开关传感器对卷辊计圈来实时地检测卷径,设传动比为i,计数为N,可以得到在N圈时

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由式(2)整理得:

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将式(1)代入式(3)得速度控制模型:

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4.2 卷取恒张力控制模型

由式(4)可知,在没有加入张力检测环节时电机转速n*由脉冲旋转编码器采集的脉冲数C0及接近开关传感器采集的圈数N决定,此控制模型只能保证不锈钢带在稳态下的恒线速度运行;为同时满足不锈钢带在动态下的恒线速度恒张力运行,采取了速度和张力前馈校正相结合的控制模型,即:在卷取速度指令信号上叠加了张力前馈补偿信号ΔF值如图4所示。

张力检测采用线性位移传感器,其输出值(Ff)是与不锈钢带的张力(F)成正比的模拟量,将Ff与给定张力指令Fg比较后,其偏差通过P调节器运算后,得到输入、输出关系:

ΔF=Kf(Ff-Fg) (5)

ΔF经模数转换后对应的转速偏差为Δn。不锈钢带在恒张力稳态下运行时(Ff=Fg,Δn=0),电机实际转速指令为

n=n* (6)

而在钢带实际张力偏离给定张力动态下运行时(Ff≠Fg,Δn≠0),电机实际转速指令为

n=n*±Δn (7)

在动态下运行时,当张力变大,则n=n*-Δn,使电机实际输出速度减小;反之,当张力变小,则n=n*+Δn,迫使电机的实际输出速度增大,使得不锈钢带在张力出现波动的情况下Ff→Fg,Δn→0。

因此,利用张力补偿偏差信号Δn可以在动态下快速修正不锈钢带承受的张力,使之始终保持与给定张力相等,通过适当的前馈补偿,可以保证速度控制系统具有良好的稳定性与收敛性[3,4,5]。

5 控制系统的实现

5.1 系统硬件设计

单台收料机电气控制系统的组成如图5所示。

目前,PLC已经是完全微型计算机化的工业产品, PLC控制系统体积小,可靠性高;更易使用和维护,且能在工厂环境下进行编程;便于扩充和修改功能,又具有向中央数据采集系统传递信息的能力。本文采用FX2N-64MR型PLC作为核心控制器,其除了具有一般逻辑和计算功能外,还具有PLSY高速脉冲串(最大20kHz)直接输出、RAMP电机变频软启动/软制动及高速实时中断响应等特殊处理功能,可以非常方便地对卷取电机的转速进行控制,图6给出PLC的外部端子接线图。

为方便操作减少硬件接口,本文采用F940GOT触摸屏作监控生产工况的人机界面,利用触摸屏专用FX-PCS-DU/WIN-C组态软件进行设计主画面、参数设定、运转设定、参数显示、状态信息、报警信息和帮助等画面。可通过PC机对其控制界面、图像参数或曲线进行离线编辑,并通过COM1口下载到人机界面即可使用。人机界面与PLC之间通过RS-422通信接口以主从方式进行连接,由PLC对人机界面的状态控制区和通知区进行读写达到两者之间的信息交互。生产线运行过程中,通过与触摸屏提供的COM0口与PLC通讯,获取生产线的实时数据,同时还可以方便地设定系统各种工况需要的参数,实现人机现场对话操作。

PLC-VF之间采用RS-485通信协议,其特点是平衡发送接收,传输距离长、抗干扰能力强和具有多站能力。工业环境常有噪声干扰传输线路,而FX-485-BD通信模块的通信方式是通过采用可编程序控制器中的RS指令方式实现PLC与变频器的全双工串行通信,能有效地防止干扰。RS指令是使用RS-232或RS-485功能扩展板及特殊适配器进行发送接收串行数据的指令。数据的传送格式由特殊数据寄存器D8120设定[6]。

5.2 系统软件设计

图7是根据前述不锈钢带滚切机恒张力卷取控制的原理及PLC程序设计方法和生产工艺要

求,设计的控制软件程序流程图。

程序开始后,先初始化,给数据寄存器赋承受张力值、不锈钢带厚度值。检查各类开关的状态,正常后进入程序扫描方式。在实时检测不锈钢带行走线速度时会利用到PLC内部高速计数器和定时器,因此先复位便于计算线速度。控制方式分为手动和自动,手动一般用于调试和参数设定时选用,正常运作在自动方式。PG将线速度信号采集送入PLC计算出实时线速度v,传感器将卷辊直径信号采集送入PLC计算出实时直径D,从而计算出电机转速信号n*,同时由张力摆检测过来的张力偏差信号Δn与n*叠加实现对不锈钢带恒张力卷取。

6 结束语

本文针对滚切机生产工艺对不锈钢带恒张力卷取的控制要求,设计出一种构造简单、生产效率高、运行稳定可靠的电气控制系统。系统由PLC作为控制核心,以高性能矢量控制变频器作驱动器件,通过人机界面与PLC交流,利用RS-485总线通信控制变频器对卷取电机的速度和张力进行调节;建立了速度和张力补偿校正相结合的数学模型,实现了对不锈钢带的恒张力卷取,经实际运行证明系统稳定可靠,可以满足对0.2~0.5mm原不锈钢带的分条工艺。本系统达到的主要性能为:最大滚切速度达到vm=30m/min,卷径比为Dm∶D0=3∶1,最大分条数目m=10。

摘要：在不锈钢带滚切加工工艺中,原料带钢要经过放卷、滚切、分条卷取3道工序完成。其中放卷与卷取过程是整条生产线的2个重要环节,按滚切工艺要求要确保不锈钢带在恒线速度恒张力条件下进行放料和卷取。采用高性能矢量控制变频器分别驱动放卷、滚切和卷取轴的执行电机,以滚切机传动为基准速,并建立了速度反馈和张力前馈校正相结合的数学模型,实现对不锈钢带恒张力卷取。

关键词：滚切机,卷取控制,恒张力,不锈钢带

参考文献

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[5]惠晶.采用通用变频器的三连轧机传动控制系统[J].电气传动,1997,27(4):16-18.

自动滚切机系统篇3

延期体旋切机是雷管生产中用来精确剪切延期体的装备, 使用延期体旋切机对延期体进行剪切, 有效保证了铅芯药粉的密度, 降低在搬运过程中药粉脱落对延期体的影响。利用PLC程序控制延期体旋切机的校直、送料、夹料、剪切等动作, 可减少工人与重金属铅的直接接触危害, 达到人工剪切所不能达到的精度和工艺秒量, 实现生产过程的连续化和自动化。根据延期体旋切机的动作原理, 设计延期体自动旋切机的控制系统, 包括气动执行单元、PLC控制单元、触摸屏显示与操作界面。

1 延期体旋切机的结构与动作过程

延期体旋切机结构包括料盘装置、校直装置、夹料装置、送料装置、刀盘装置。

延期体旋切机动作过程:将料盘的延期体牵引, 通过步进电机驱动滚轴丝杆前进, 带动夹具送料, 水平和垂直方向的多组矫直轮将延期体矫直, 下信号轮的高精度编码器检测延期体的行走长度, 当实际长度和设定长度相等时步进电机停止送料, 机械手夹紧延期体, 高速旋切刀伸出将延期体切断。工艺流程如图1所示。

2 延期体旋切机气动设计

根据延期体旋切机的动作过程, 需要5组执行气缸来驱动, 分别是夹具气缸、双导轨夹料气缸、推刀气缸、定尺轮气缸、信号轮气缸。每个气缸的入口安装节流阀, 以调节气缸的动作速度, 确保气缸动作的可靠性。由于各气缸行程短, 动作简单, 产品类别不一致, 气缸的动作时间也不一致, 所有气缸均没有安装磁性开关, 通过程序设定时间进行动作控制。根据延期体旋切机气路控制要求, 设计气动控制回路如图2所示。

3 延期体旋切机PLC控制系统设计

3.1 I/O分配

延期体旋切机PLC控制系统I/O分配如表1所示。

采用增量式编码器及AB相正交计数方式, 每剪切一次对编码器码数进行清零, 避免累计误差。料检测接近开关实时监测有无物料, 保证延期体旋切机在无料的情况下自动停机, 提高安全性。步进电机送料实现精准定位, 具有自锁功能。根据设计要求和I/O分配, 选用西门子PLC 6ES7 214-2BD23-0XB8 CPU224XP。

3.2 电气原理

根据延期体旋切机I/O分配表, 设计PLC控制系统, 如图3所示。PLC供电、触摸屏电源、编码器电源等输入信号均为外部输入24VDC, 电磁阀的供电均为外部输入24VDC, 步进电机驱动器信号输入均为5VDC。电源的正负极和步进电机启动器端子一一对应, 步进电机驱动器端子PLS+、PLS-为脉冲输入端子, DIR+、DIR-为步进电机反转端子。

3.3 软件设计

手动控制时, 通过触摸屏“旋切刀输出”M3.3来控制旋切刀电磁阀输出, 手动程序如图4所示。当触摸屏上“旋切刀输出”按钮按下时, Q0.4得电, 当“旋切刀输出”按钮释放时, Q0.4失电。其他电磁阀手动输出程序与此类似。

自动控制程序主要包括编码器清零部分、自动剪切部分、自动送料部分。

编码器自动清零程序如图5所示。

自动剪切程序如图6所示。剪切具备长度、时间保护功能, 当设定长度小于1mm或剪切时间小于3s时无法自动剪切。

3.4 触摸屏画面

采用威纶通触摸屏作为人机界面, 触摸屏与PLC之间通信方式为RS-485。为了方便操作和故障处理, 触摸屏具备自动报警显示功能、数据掉电保护及存储功能, 操作界面如图7所示。

4 试验结果

研制的延期体旋切机通过现场工业的试验, 其剪切的精度和效率都达到当初的设计目标。其剪切的效果如图8所示, 人工剪切由于用力不均匀, 导致工艺粗糙, 而旋切机剪切效果明显优于人工剪切。

剪切精度和剪切效率如表2所示。

5 结语

该延期体旋切机已用于雷管生产企业的延期体剪切工作中, 使用效果好, 运行安全可靠, 可拓展性强, 操作简单, 可以实现一人多机操作, 提高了生产效率和产品精度。