数控旋切机控制系统设计

高精度数控旋切机控制系统设计
摘要
聚四氟乙烯，一般称作“不粘涂层”，是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。

这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。

同时化学稳定性﹑电绝缘性﹑润滑性自润滑性和耐大气老化性能优良，不燃性能良好，力学强度较高。

具有塑料中最耐化学腐蚀，最佳介电性能和宽广工作温度范围等性能。

由于这些特点，使得正聚四氟乙烯在生产生活中应用十分广泛。

现在工业生产的聚四氟乙烯薄膜都是用旋切机通过加工成为薄膜，加工聚四氟乙烯的旋切机都是改装过的木工旋切机，木板旋切的精度，厚度要求不高，用机械控制的旋切机加工很难达到要求，并且这种旋切的结构很复杂，都是由齿轮等机械零件组织传动的，多的达到了7级传动，组装和润滑要求很高，加工出来的聚四氟乙烯薄膜质量不高，成本效率低。

本文所要研究的内容是:高精度数控旋切机自动控制系统，它是一个完全抛弃原有机械式或开关量式的数字化系统。

由可编程控制器PLC完成旋切刀具进给量的精确控制，将原来用凸轮完成的工作交给了高性能的PLC完成，这大大提高了控制精度。

设计通过PLC技术和传感技术对聚四氟乙烯的从上料到切断完全实现了机电一体化和自动控制，提高了传动的精确性，也为加工的均匀，厚度提供了保障，同时减轻了工人调试安装的工作量，实现自动化操作，提高了生产效率。

关键词：聚四氟乙烯；数控旋切机；可编程控制器；变频控制
Abstract
PTFE, commonly known as "non stick coating", is a use of the fluorine substituted all hydrogen atoms in polyethylene synthetic polymer materials. This material has the advantages of acid alkali, resistance to various characteristics of organic solvents, insoluble in all solvents. At the same time, chemical stability, electrical insulation, lubrication self-lubricating property and corrosion resistance performance, not burning performance is good, high mechanical strength. With plastic in the resistance to chemical corrosion, the best dielectric properties and wide working temperature range Etc. Because of these characteristics, the PTFE is widely used in the production and life.
Now the teflon film industry are using rotary cutting machine through processing to become film, processing PTFE rotary cutting machine is modified wood rotary cutting machine, wood peeling precision, thickness requirements is not high, it is difficult to meet the requirements of cutting machine processing machinery and control of rotary, structure and the rotary cutting very complex, are composed of gears and other mechanical components organization drive, more than 7 transmission, assembly and lubrication requirements are high, the teflon film quality produced is not high, cost low efficiency.
The research content of this paper is: automatic control system for high precision NC lathe, it is an abandoned the original mechanical or switch type full digital system. Precise control is achieved by programmable controller PLC rotary cutter feed, the original cam completed work to the high performance of PLC, which greatly improves the control precision. Design by PLC technology and sensor technology of polytetrafluoroethylene from expected cut completely realizes electromechanical integration and automatic control, to improve the precision of the transmission, but also for the processing of uniform thickness, provided a guarantee, while reducing the workload of workers installation commissioning, realize automation, improve production efficiency
Keywords:PTFE; NC lathe; programmable controller; frequency control
目录
摘要 (1)
Abstract (2)
第一章绪论 (5)
1.1课题的研究背景和研究意义 (5)
1.2数控旋切机的国内外研究现状 (6)
1.2.1数控旋切机的国外研究现状 (6)
1.2.2数控旋切机的国内研究现状 (6)
1.3方案背景技术简介 (8)
1.3.1数控技术的现状与发展 (8)
1.3.2可编程控制器（PLC）的现状与发展 (8)
1.3.3无卡轴旋切技术的现状和发展趋势 (9)
1.4本课题的主要研究内容 (10)
1.5本章小结 (10)
第二章数控旋切机系统特性及控制要求 (10)
2.1旋切机简介 (10)
2.2数控旋切机的结构形式 (11)
2.3数控旋切机的特点 (16)
2.4数控旋切机的控制要求 (17)
第三章数控旋切机电控系统的硬件设计 (17)
3.1系统概述 (17)
3.2数控旋切机电控系统的方案设计 (17)
3.3电控系统的下位机硬件设计 (19)
3.3.1下位机（PLC） (19)
3.3.2上位机 (21)
3.3.3变频器 (22)
3.3.4 伺服驱动器 (24)
3.3.5上位机与下位机的通讯接口 (26)
3.3.6 PLC与变频器接线 (26)
3.3.7 PLC与伺服驱动器接线 (28)
3.4本章小结 (30)
第四章数控旋切机控制系统的软件设计 (30)
4.1数控旋切机控制系统软件设计方案 (30)
4.2下位机PLC程序设计 (30)
4.3上位机监控系统软件的设计 (31)
4.3本章小结 (33)
第五章结论与展望 (34)
5.1主要研究工作及结论 (34)
5.2本课题的展望 (34)
参考文献 (36)
致谢 (38)
附录 (39)
第一章绪论
1.1课题的研究背景和研究意义
氟树脂是聚合物结构中含有氟原子的高聚物的产品的总称，聚四氟乙烯[1]综合性能优异，其耐热性﹑耐寒性都很好，具有广泛的高低温使用范围。

其化学稳定性﹑电绝缘性﹑润滑性自润滑性和耐大气老化性能优良，不燃性能良好，力学强度较高。

具有塑料中最耐化学腐蚀，最佳介电性能和宽广工作温度范围等性能。

正聚四氟乙烯的这些特点，使其在生产生活中应用十分广泛，包括通用机械，电子电气和化学工业等领域[2]。

现在工业生产的聚四氟乙烯薄膜都是用旋切机通过加工成为薄膜[3]，加工聚四氟乙烯的旋切机都是改装过的木工旋切机，木板旋切的精度，厚度要求不高，用机械控制的旋切机加工很难达到要求，并且这种旋切的结构很复杂，都是由齿轮等机械零件组织传动的，多的达到了7级传动，组装和润滑要求很高，加工出来的聚四氟乙烯薄膜质量不高，成本效率低。

在旋切机的控制方面，绝大多数生产厂家在薄膜生产过程中，主要采用机械和人工操作相结合，自动控制程度低，劳动强度大，加工精度不高，影响产品的质量。

以单片机为核心研制成的圆木旋切机自动控制系统，既可以按加工厚度要求进行薄膜旋切，还可以跟踪进刀量和圆木旋转速度来保证薄膜加工厚度均匀性，但由于单片机的特性，在实际加工中还有一些问题没有办法解决。

如操作、显示全是数码，对具体应用的操作工人来说并不是太方便，故受到一定的限制。

随着现代工业的飞速发展，普通机床已不能满足加工精度及提高劳动生产率方面的要求。

集微电子技术、计算机技术、机械技术于一体的数控机床的出现使加工精度提高，产品制造周期缩短，且改善了工作环境，大大提高了劳动生产率，因而数控技术越来越受到生产企业的重视，数控机床得到了广泛的应用旋切机行业也不例外，数控旋切机的研发和应用势在必行[4] [5]。

由此我们采用数控系统来控制旋切机的传动，这样就减少了传动的级数，提高了传动的精确性，也为加工的均匀，厚度提供了保障；数控系统友善的人机交
互装置，可以减轻工人调试安装的工作量，实现自动化操作，提高了生产效率。

1.2数控旋切机的国内外研究现状
1.2.1数控旋切机的国外研究现状
在工业发达国家数控旋切机的研究已经达到了较高的水平，薄膜的制造精度和加工质量越来越好，如国外精密旋切机旋切薄膜的厚度精度可达0.02mm。

为了防止薄膜的开裂和对旋转木段的制动，目前一些国家已采用辊子压尺代替传统的平压尺。

1970年加拿大进行了游控压尺的试验，该压尺固定安装，压尺架用气动控制，可作水平移动，用这种压尺对木段加压稳定。

法国、美国和加拿大试制了一种振动式旋刀装置，可提高薄膜质量。

日本发明一种微调装置，使旋切精度进一步提高。

此外，国外几个主要生产胶合板的国家，在提高旋切速度和提高木材利用率方面都取得了进展。

如意大利安格洛克里莫纳公司制造的S2P860SF-2020等型号的旋切机是比较先进的，该机带有自动伸缩双卡轴和加压装置转速一般为200-300r/min生产效率达70M3/人/日；加拿大的油压、双卡轴、并带有抗弯装置的旋切机，转速300r/min；西德、美国、加拿大等国还在旋切机上装有厚度自动调节装置，可缩短改变厚度的调整时间。

为了提高旋切机的生产能力，西德、美国、加拿大、芬兰、意大利等国的旋切机上，均装有自动伸缩双卡轴和防止木芯弯曲的加压装置，以及木段转速自动调节器等，因此可使木芯直径减小。

在理论研究方面，一些国家也取得了很大的进展。

如加拿大FORINTEK 公司的CHUNPIJ专门研究薄膜旋切基本理论，FORINTEK公司在薄膜研究上也有很大的成就。

法国CHUNG机械加工实验室的MARCHAL研究了高密度木材旋切的瞬间相位交点改进的变化，他们用大量研究试验找出了切削速度和切削角对旋切质量的影响，并研究了切削力和这些因素的关系。

为了探索新的旋切技术，国外正在研究试验用超声波进行薄膜旋切。

1.2.2数控旋切机的国内研究现状
在我国，旋切机己有较长的使用历史。

1949年建国以来，我国人造板机械制造业发展经历了一个从无到有，从小到大，从测绘仿制到自行研究的全过程。

信
阳木工机械有限责任公司是国内最大的人造板与木工机械研究、生产和出口企业，1973年就已经开始旋切机的研发，并于1977年成功生产我国第一台“液压双卡轴恒定线速度旋切机”，可加工木材直径达到12～120cm，加工长度198～275cm，板材厚度可达0.8mm，主轴变速范围0～180r/min。

其驱动电机采用可控硅-直流拖动，可以方便的地实现无级变速，并可在设定转速范围内实现恒定线速度，方便与卷板机构配合操作。

该设备的成功研制可以极大地提高板材生产效率，并可以实现特定应用区段恒功率调速，从而满足旋切机恒功率特性的需求，使电机容量得到充分利用，节省能源。

近三年，对于数控旋切机的研究主要如下：浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的丁攀和浙江农林大学工程学院的赵大旭[6]等提出一种新型数控旋切机的结构方案，旋切过程中，随着聚四氟乙烯剩余直径减小，两个驱动辊分别沿直线进给，其进给轨迹具有一定夹角，提出了新的旋切公式，这个公式可以兼顾高的木材利用率和宽的加工范围；广东城市职业学院的鲁霞和厦门大学的胡国清推导出液压系统流量计算公式，从而得出旋切过程中液压缸的流量必须随刀刃进给速度按一定规律变化，以保证旋切机正常工作的结论[7] [8]；河南农业大学机电工程学院的丁攀和河南工程学院的张峻晖等，提出了一种木材产品在线旋切系统的总体设计方案[9]，设计了以PLC为控制核心的变频调速控制系统，为在线旋切系统的设计生产提供了指导方向与理论基础；河北工业大学的张涛对旋切机的进给机构提出了采用变导程丝杠进给的新设计，对旋切机的基本运动及受力参数进行了相关计算并对关键部件进行了有限元分析；漳州职业技术学院的杨素珍提出一种结合前馈和基于单神经元网络在线参数自整定PID控制的复合控制器，仿真结果表明该控制器能有效消除系统干扰，且收敛迅速[10] [11]。

在旋切机的控制方面，绝大多数胶合板生产厂家在薄膜生产过程中，主要采用机械和人工操作相结合，自动控制程度低，劳动强度大，加工精度不高，影响胶合板产品的质量。

以单片机为核心研制成的圆木旋切机自动控制系统，既可以按加工厚度要求进行薄膜旋切，还可以跟踪进刀量和圆木旋转速度来保证薄膜加工厚度均匀性，并且使圆木剩余木芯部分直径减小为40mm左右，但由于单片机的特性，在实际加工中还有一些问题没有办法解决。

如操作、显示全是数码，对具体应用的操作工人来说并不是太方便，故受到一定的限制。

1.3方案背景技术简介
1.3.1数控技术的现状与发展
数控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术，机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争[12] [13]。

从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：
（1）用户界面图形化，用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。

由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。

（2）科学计算可视化，科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。

（3）内装高性能PLC数控系统，内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。

编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。

（4）模块化、专门化与个性化是为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化使机床性能价格比显著提高并加快优化。

硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。

根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，做成标准化系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。

个性化是近几年来特别明显的发展趋势。

1.3.2可编程控制器（PLC）的现状与发展
目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。

如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远
程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱[14]。

经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，应用大致可以归纳为:用于顺序控制、用于过程控制、用于运动控制、用于远程控制、用于信息控制[16]。

现在，世界上有200多家PLC生产厂家，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色。

其中，美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。

欧洲PLC产品主要制造商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司。

日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（SAMSUNG）、LG等，这些生产厂家的产品占有80%以上的PLC市场份额。

1.3.3无卡轴旋切技术的现状和发展趋势
近年来，社会各界己明显意识到森林资源的危困，我国旋切机的研究正在木材高效利用方面做文章，研制出了木材利用率高的旋切机，即无卡轴旋切。

这种旋切机与传统的旋切机不同。

传统的木材旋切薄膜采用有卡轴旋切，轴旋切机，由于存在卡芯，小于一定直径的木材就无法旋切，这些机械式的单卡木段旋切后的剩余木芯直径大。

卡头直径越大，木段旋切后的剩余木芯直径也越大，这无疑是给日趋枯竭的木材资源雪上加霜。

如果采用卡头直径小，在旋切大直径木段时，由于木段和卡头的接触面太小，木段承受不了切削所需的扭矩，而使木段拧芯出现打滑现象。

无卡轴旋切机的研制成功使我国的胶合板设备有了一个较大进步[15] [16]。

近年来，数控加工技术的应用和计算机技术的普及，预示着高新科技正在向各个领域进军，无卡轴旋切机将向实现自动控制方向发展[17]。

在旋切过程中，可以根据旋切材料生产工艺的状况，预先制定各种工艺参数，从而自动控制整个生产过程，大大降低了劳动强度，简化了操作过程，提高了生产率和产品质量。

1.4本课题的主要研究内容
本课题的主要研究内容是基于PLC的数控旋切机控制系统设计，包括控制系统的方案设计、硬件设备选型和连接、PLC程序的设计编写、触摸屏程序的设计和编写。

根据数控旋切机的控制要求，对整个数控旋切机控制系统的配电图和PLC接线图进行绘制，完成整个系统的电气设计，并依照电气设计图进行配电接线和PLC接线。

触摸屏监控系统能够实现数控机床启停控制、数据实时显示、参数设置、报警信息显示等功能。

1.5本章小结
本章在介绍课题背景和研究意义的前提下，重点介绍了数控旋切机的国内外研究现状，数控技术的发展现状，可编程程控制器PLC发展现状等方案背景技术，最后对本课题主要研究内容进行了阐述。

第二章数控旋切机系统特性及控制要求2.1旋切机简介
旋切是旋转主运动与水平或垂直方向进给运动互相配合，刀具沿切向以片材厚度将棒材连续展开的一种加工方法。

例如，高位式聚氨酯软泡旋切是将被加工的海绵柱置于张紧的带刀上方，边转动边慢慢下降进给；低位式则是海绵柱在带刀下方只转动不进给，由带刀向下进给；数控旋切机和数控旋切机加工则是使棒料卡在头轴与尾轴之间被带动回转，旋刀沿水平方向向棒料中心线进给，旋刀沿切向旋切出连续而薄的片带，头尾轴回转一周的旋刀径向进给量，即为片带厚。

旋切机主要由卡轴箱、刀床、刀床进给机构、机座、主传动系统及操纵控制系统等部分组成[18]。

卡轴箱分左、右两部分，用来夹持并带动木段旋转。

刀床用于安装旋刀和压尺，并根据旋切的薄膜厚度来调节压尺位置，以保证所需的压榨
率。

刀床进给机构由进给箱及进刀座两部分组成，进给箱用来改变薄膜的旋切厚度，而进刀座把进给箱输出轴的旋转运动变为刀床的直线进给运动。

现代大型旋切机还设有防弯压辊装置。

以上部件都装在机座上。

机座用型钢焊接或用铸铁铸成箱形结构，具有良好的强度、刚度和抗振性能。

还要让料在旋切过程中不至于转速变化而影响薄膜厚度，主传动的功率是旋切机中耗能最大的部位。

操纵控制系统主要通过对操纵把柄的位置转换来实现旋切的各个功能。

旋切机的主要技术参数包括旋切木段的最大长度、最大直径、旋切薄膜的厚度、旋切刀片的长度、卡轴和卡爪的直径、卡轴转速和主电机功率等。

2.2数控旋切机的结构形式
一般情况下，数控机床的机械结构相对于普通型的要简单一些，但制造精度以及各方面的配合要求较高。

本机主要由进给系统、夹持机构、有卡-无卡转换机构、大卡头-小卡头转换机构、驱动系统、刀头摆动机构、数控系统七部份组成[19]，如图2.1所示。

进给步进电机通过大小齿轮以及蜗轮、蜗杆连接滚珠丝杆，驱动刀架，构成减速后的进给系统、主要完成进给切削功能；安装在挤压板架上的小摩擦辊和安装在横梁上的两根大摩擦辊由导向机构组成具有夹持功能的机械机构，用于夹持木芯；主驱动电机通过减速机拖动横梁上的两根大摩擦辊转动，经同步链轮将动力传递到挤压板架上的小摩擦辊构成木芯驱动系统，通过表面摩擦力带动木芯旋转；旋刀安装在刀架上并由刀头摆动机构实现切角调整（即改变后角的置，后角控制接近a=A-B/R的值，来实现本课题中切角的调整的目的），刀架上安装了大刀具，使开始切削时把木头切圆，以保护主刀具；同时横梁固定在机座上。

底箱内安装了由数控系统控制的转换机构，用以实现有卡、无卡轴的转换功能；大-小卡头的转换装置安装在卡轴箱内，用来完成大、小卡头的转换功能；底辊安装在底箱上，在放入木头时，与三个主辊协同运转，自动寻找聚四氟乙烯的中心，实现自动定心功能，整个加工过程中，完全可以达到无人干预，所以整个设备可以封闭化，这样提高了安全度。

1.机座
2.刀床进给点机
3.蜗杆
4.进刀座
5.丝杆
6.蜗轮
7.侧箱
8.大刀具
9.旋切刀10.刀头摆动机构11.刀床及挤压板架12.压头（小摩察辊）13.木芯14.大卡头15.小卡头16.主摩察辊17.导向机构18.横梁19.底辊20.压力感应器
图2.1数控旋切机结构示意图
数控旋切机中旋切木段的受力情况：旋切时旋刀和压尺对木段的作用力如图2.2所示。

旋切时旋刀对木段的作用力有切削力F1、劈力F2和对木段的挤压力F3。

切削力与旋刀相对木段的运动方向一致，其大小与木段的树种、旋切长度以及切削条件等因素有关。

劈力是旋刀前面作用于薄膜带并使它反向弯曲的力，导致木材沿切削力作用方向劈裂，在薄膜背面形成大量裂纹，它主要由切削角、树种及切削条件等决定。

旋切对木段的挤压力指向并垂直于木段表面，在很大程度上取决于旋切条件，如旋切后角和木段直径。

有压尺作用时旋刀对木段的作用力与没有压尺作用时相比是有些差别的。

它还应包括由压尺引起的附加作用力。

旋
刀作用于木段的合力R1按平行四边形合成。

图2.2旋切和压尺对木段的作用力
压尺对木段的作用力有压榨力F4及摩擦力F5。

压榨力通过旋刀刀刃指向木段，它与压榨率及压尺形式有关。

压尺与薄膜的摩擦阻力与压榨力及薄膜和压尺间的摩擦系数有关。

压尺作用于木段的合力为R2。

旋刀和压尺对木段的总作用力R由于影响的因素很多，可按单位旋切长度上的切削阻力来估算，其作用方向与水平面的夹角在40º～70º。

旋切机的工作过程如图2.3所示：工作时，聚四氟乙烯是卡在两个固定的驱动辊和不断向前进给的压尺辊之间的。

驱动辊的作用是给聚四氟乙烯摩擦力使其做旋转的主运动，同时压尺辊不断向前做进给运动，以保证刀具能连续不间断的切削聚四氟乙烯。

所以当薄膜厚度是个定值时，刀具进给的速度是时间的函数。

，聚四氟乙烯转速为n，这里我们假定板厚为m，聚四氟乙烯的初始直径为D
，两个驱动辊的中心距为a，刀具驱动辊与压尺辊直径均为d，驱动辊转速为n
的进给速度为v，刀刃在平面坐标系上的水平位移坐标为x。

图2.3旋切机主要工作部分二维示意图
这里我们假设两个驱动辊跟聚四氟乙烯之间是没有相对滑动的，三个驱动辊中，1和2是固定不动的，在旋切机工作过程中，驱动辊3由液压缸驱动，一边做自转运动，提供聚四氟乙烯旋转的摩擦力，一边做进给运动，推动聚四氟乙烯直线运动。

驱动辊的线速度与聚四氟乙烯的线速度是相等的，即：
D×n=d×n0
切刀与驱动辊3固连，并且在驱动辊1和2的水平中心面上，由图我们得到刀刃的坐标为：
为了得到刀刃的进给速度，对上式两边求导，得：
由于
D×d=d×n0
所以
从上式可看出，在d、a、m确定的情况下，刀刃进给速度v与圆木直径D。