纵剪生产线的速度匹配

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，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。

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[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。

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，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。