基于PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)定尺剪切控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

生產(chǎn)飲料筒、油漆筒（桶）、機(jī)油筒（桶）等薄板類金屬容器的第一道工序就是把厚為0.2～0.5mm、寬為320～1200mm的卷板按所生產(chǎn)容器的不同剪成不同長(zhǎng)度的板料，然后送到下面的工序，如套色印花、焊接、脹型、封口（底）等最終成型。由于后面的工序，特別是套色印花工序?qū)﹂L(zhǎng)度偏差的要求甚高，為±0.25mm/1000mm（對(duì)角線偏差為±0.4mm/1000mm），單位時(shí)間的剪切數(shù)量較高，一般不少于50/min，普通的剪切設(shè)備達(dá)不到上述要求。有經(jīng)濟(jì)實(shí)力的大型企業(yè)從國(guó)外進(jìn)口生產(chǎn)線，這種生產(chǎn)線從板料的開(kāi)卷、校平、定尺剪切到最終成型，由工控計(jì)算機(jī)作上位機(jī)，控制多臺(tái)PLC，既由計(jì)算機(jī)根據(jù)動(dòng)作需要向PLC寫(xiě)入或讀出數(shù)據(jù)，達(dá)到控制整條生產(chǎn)線的目的。這種生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。對(duì)于中小企業(yè)，我們研制了一種僅需1臺(tái)PLC控制的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、剪切精度和剪切產(chǎn)量達(dá)到和超過(guò)上述要求的高精度定尺剪切系統(tǒng)。

剪切系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，系統(tǒng)的機(jī)械部分由夾送機(jī)構(gòu)和剪切機(jī)構(gòu)兩部分組成：夾送機(jī)構(gòu)由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，上下夾送輥的加緊力調(diào)至剛好壓緊板料，使板料在兩輥中按設(shè)定的速度無(wú)滑動(dòng)滾動(dòng);剪切機(jī)構(gòu)與一般剪床同，只是剪切的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自高壓氣體。

系統(tǒng)的電氣控制部分采用日本光洋的SU系列可編程序控制器;包括SU-5M（CPU模塊），U-01SP單軸伺服定位控制摸塊;U-05N16點(diǎn)DC12/24V輸入模塊;U-01T8點(diǎn)AC220V繼電器輸出模塊等;人機(jī)界面為CL-02DS液晶漢字顯示設(shè)定單元。伺服系統(tǒng)采用日本安川的交流伺服電機(jī)SGMGH-20ADA61和SGDM-20AD數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器。

2、定尺剪切控制

2.1 控制原理

在手動(dòng)狀態(tài)（板料安裝）時(shí)，夾送輥可作正反2個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在自動(dòng)工作情況下，夾送輥的轉(zhuǎn)動(dòng)方向如圖1所示。若確定單位脈沖的移動(dòng)量和編碼器每轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)，當(dāng)夾送輥的直徑一定時(shí)，夾送輥每轉(zhuǎn)一定的角度或圈數(shù)，板料的移動(dòng)長(zhǎng)度也就確定了。當(dāng)PLC檢測(cè)到伺服電機(jī)反饋的脈沖數(shù)達(dá)到所設(shè)定的目標(biāo)值（既長(zhǎng)度）時(shí)，PLC發(fā)出信號(hào)，交流伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，方向控制閥的電磁鐵通電，氣缸執(zhí)行剪切動(dòng)作。剪切機(jī)構(gòu)的每一次剪切使接近開(kāi)關(guān)獲得1個(gè)脈沖，此脈沖即可計(jì)算剪切數(shù)量，又能作為下1個(gè)循環(huán)的開(kāi)始信號(hào)。

2.2 參數(shù)設(shè)置

（1） 一般參數(shù)的設(shè)置

a） 主軸轉(zhuǎn)速（自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，下同）的確定：確定主軸的轉(zhuǎn)速要兼顧2個(gè)方面，一是生產(chǎn)能力，二是轉(zhuǎn)動(dòng)慣性。轉(zhuǎn)速不是越快越好，太快，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大，達(dá)不到精確停止的要求，剪切長(zhǎng)度精度不高;當(dāng)然，慢了，達(dá)不到生產(chǎn)力的要求。

b） 脈沖當(dāng)量的確定：在本例中，之所以能進(jìn)行高精度定尺剪切，實(shí)際上就是精確的控制夾送輥每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)的角度（脈沖當(dāng)量）。當(dāng)夾送輥直徑一定時(shí)，它轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)一定的弧長(zhǎng)，既為板料移動(dòng)的長(zhǎng)度。從理論上說(shuō)，脈沖當(dāng)量越小，剪切長(zhǎng)度精度越高，但對(duì)控制系統(tǒng)的要求也越高，不經(jīng)濟(jì)。一般情況下，脈沖當(dāng)量比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)即可。

c） 脈沖編碼器反饋的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（分周比）的確定：脈沖當(dāng)量確定以后，這個(gè)參數(shù)就好確定了。設(shè)計(jì)時(shí)，夾送輥的直徑已定，則其周長(zhǎng)也已確定。只要用主動(dòng)輥的周長(zhǎng)除以脈沖當(dāng)量，即為脈沖編碼器反饋的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。該數(shù)應(yīng)為整數(shù)，當(dāng)?shù)脭?shù)為小數(shù)時(shí)，與脈沖當(dāng)量一同作一些調(diào)整即可。應(yīng)注意的是確定的脈沖編碼器反饋的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)必須在所選的脈沖編碼器最大的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)范圍之內(nèi)。

d） 伺服驅(qū)動(dòng)器工作模式：速度控制模式。

（2） 智能模塊的參數(shù)選擇

U-01SP智能模塊的參數(shù)共有21個(gè)，主要參數(shù)有：

a） 設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速時(shí)智能模塊發(fā)出的脈沖頻率FBF:U-01SP智能模塊與數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器配合使用，可以在交流伺服電機(jī)額定的轉(zhuǎn)速內(nèi)任意設(shè)定，這個(gè)設(shè)定值就是FBF：

FBF（kHz）=主軸轉(zhuǎn)速（RPS）×脈沖編碼器反饋的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（PPR）該參數(shù)必須在智能模塊的最大FBF范圍之內(nèi)。

b） 主軸手動(dòng)速度的確定：根據(jù)手動(dòng)安裝板料的需要，一般設(shè)定為主軸轉(zhuǎn)速的10%～20%。

c） 加、減速時(shí)間，即主軸從0轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速（或反之）所需要的時(shí)間：主要根據(jù)剪切的板長(zhǎng)確定，剪切的板長(zhǎng)較短時(shí)，該時(shí)間可短些，反之，可長(zhǎng)些。對(duì)于本例，可選500～1000ms。

d） 緊急停止時(shí)間，在自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，從額定轉(zhuǎn)速到停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生意外時(shí)，控制系統(tǒng)需急停，以減少對(duì)系統(tǒng)和機(jī)器的損傷。該時(shí)間可少些，一般選500ms以內(nèi)。其余參數(shù)可用該模塊出廠時(shí)的原設(shè)定值或根據(jù)需要設(shè)定。

2.3 程序設(shè)計(jì)

這里使用的SU-5M型PLC與大多數(shù)型號(hào)的中型PLC在程序設(shè)計(jì)上并無(wú)大的差異，由于采用了高級(jí)語(yǔ)言編程，更接近計(jì)算機(jī)的流程圖設(shè)計(jì)思路。特別需要指出的是U-01SP單軸伺服定位控制模塊采用類似數(shù)控CNC系統(tǒng)的G語(yǔ)言，編程方便、功能強(qiáng)大。

舉例：G00 X（位置值） F（速度值）;代表一個(gè)典型的階梯形定位指令。

單軸伺服定位控制模塊U-01SP的控制信號(hào)通過(guò)模塊所占I/O定義號(hào)對(duì)應(yīng)。

（1） PLC上電后，首先進(jìn)行初始化處理：把為系統(tǒng)建立的參數(shù)表從CPU寫(xiě)入智能模塊U-01SP、檢查系統(tǒng)有無(wú)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)有無(wú)錯(cuò)誤、語(yǔ)法有無(wú)錯(cuò)誤，檢查結(jié)果判斷為正常時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入伺服準(zhǔn)備狀態(tài)，這其中包括進(jìn)入到動(dòng)作方式（手動(dòng)、自動(dòng)）選擇、數(shù)據(jù)監(jiān)控狀態(tài)（伺服數(shù)據(jù)讀出）、伺服異常（數(shù)據(jù)出錯(cuò)、系統(tǒng)出錯(cuò)、語(yǔ)法出錯(cuò)）處理完畢狀態(tài)。

（2） 在手動(dòng)狀態(tài)下，按下主軸正、反轉(zhuǎn)按鈕，主軸可驅(qū)動(dòng)板料前進(jìn)、后退;按下手動(dòng)剪切按鈕，剪去板頭。此狀態(tài)一般在新安裝板料時(shí)使用，手動(dòng)剪切不計(jì)數(shù)。

（3） 在自動(dòng)狀態(tài)下，料批（剪切長(zhǎng)度、剪切張數(shù)）在人機(jī)對(duì)話裝置CL-02DS液晶設(shè)定顯示單元上設(shè)定完畢后（實(shí)際上料批可在PLC上電后任意動(dòng)作方式下設(shè)定），CL-02DS將料批數(shù)（十進(jìn)制數(shù)）轉(zhuǎn)換成BCD數(shù)，存入到CPU的指定寄存器中，程序根據(jù)已確定的脈沖當(dāng)量進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)，再將脈沖數(shù)變換成BIN數(shù)，存入到U-01SP內(nèi)的指定目標(biāo)寄存器而成為目標(biāo)值。然后，人機(jī)對(duì)話裝置CL-02DS進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。按下自動(dòng)剪切按鈕，主軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)的周長(zhǎng)就是目標(biāo)值的脈沖數(shù)與脈沖當(dāng)量的乘積。到了目標(biāo)值后主軸停止，氣缸執(zhí)行剪切動(dòng)作，剪刀回位的同時(shí)，計(jì)量剪切 張數(shù)，然后重復(fù)上次操作。直至達(dá)到剪切張數(shù)的目標(biāo)值后停止。

由于圓周率的存在和轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，主軸每次轉(zhuǎn)過(guò)的實(shí)際周長(zhǎng)與應(yīng)該轉(zhuǎn)過(guò)的周長(zhǎng)還會(huì)有一點(diǎn)差異，雖然很小，在1mm以內(nèi)，但對(duì)于±0.25mm的長(zhǎng)度精度還有影響，這樣，在程序中按需要設(shè)定幾個(gè)尺寸段進(jìn)行一定數(shù)量的脈沖補(bǔ)償（分段補(bǔ)償），最終完全達(dá)到了剪切長(zhǎng)度精度要求。

3、結(jié)束語(yǔ)

適當(dāng)改變脈沖當(dāng)量、夾送輥直徑和脈沖編碼器反饋的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，剪切精度可提高一個(gè)數(shù)量級(jí);剪切動(dòng)作換成液壓缸執(zhí)行，能剪厚板，可用于機(jī)械、汽車等其它行業(yè)。該系統(tǒng)已在濟(jì)南、深圳等地投入使用，經(jīng)過(guò)近一年的運(yùn)行，剪切長(zhǎng)度精度、剪切速度完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求和用戶要求，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。該產(chǎn)品填補(bǔ)了我省空白，現(xiàn)已通過(guò)技術(shù)鑒定，正批量生產(chǎn)。

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