PLC在型材辊压生产线飞剪控制系统中的应用

>型材辊压生产线是生产汽车门、窗等型材的关键设备，其剪切系统自动化程度及定尺精度的高低将直接影响企业生产效率及产品质量。型材剪切一般有定尺停剪和飞剪两种。定尺停剪控制简单，定尺精度高，但生产效率低，特别是对于有缝焊机的辊压线，频繁起停将会影响焊机焊极的使用寿命；飞剪控制比较复杂，方法也较多，相对简单的一种就是由型材本身带动剪切工作台实现飞剪的方法[1～2>。这种剪切方法只适用于刚性较大的型材，而对于截面积较小的型材必须加牵引机，控制复杂。针对上述不足，我们设计了一种采用直流伺服机驱动、PLC控制剪切工作台实现连续不停机剪切的飞剪控制系统。应用结果表明，该系统运行可靠，同步精度较高，定尺误差较小，适用于剪切各种规格的型材，不仅提高了企业生产效率及产品质量，而且具有广泛的推广应用价值。
1　采用伺服机的型材辊压生产线飞剪控制系统的组成
型材飞剪系统是一种连续剪切型材的加工机械，相对于定尺停剪系统，可提高生产效率。采用伺服机的型材辊压生产线飞剪控制系统原理如图1所示。


图中，S1、S2、S3为接近开关，S4、S5、S6为滚轮式行程开关，负责工作台的终端停车及超程保护。伺服机通过丝杠拖动工作台运动，由液压缸带动刀具完成冲切任务，其运行过程如下：
(1)型材以恒速向前移动，由测长轮测定型材长度，当到达预定值时，起动伺服机，工作台开始移动。
(2)当工作台与型材的移动速度达到同步时，液压缸动作，刀具开始冲切，接近开关S2检测到冲切到位信号时，刀具抬起。
(3)工作台继续移动，当刀具回到初始位置时，接近开关S1有信号输出，伺服机反转，工作台高速返回。
(4)到接近开关S3位置时，工作台停止，根据切割的根数，决定是继续运行还是停车。
2　飞剪伺服同步控制系统的组成与参数计算
伺服同步控制系统由直流伺服驱动器、伺服同步控制器、PLC及测长轮等组成，其控制系统结构框图如图2所示。


测长轮光电编码器输出的脉冲信号分两路，一路送给PLC的高速计数口，做测长用；另一路先经光电隔离及F/V环节将频率信号转换成电压信号，再经放大器放大后，作为伺服驱动器的速度给定信号。连续剪切时，必须保证工作台的移动速度与型材线速度严格同步，在F/V变换器与伺服驱动器参数确定的情况下，放大器放大倍数的确定将是实现伺服同步的关键。已知系统参数如下：
F/V环节输入输出特性：Kf=(0～25kHz)/(0～5V)；
伺服驱动系统：最大给定电压=5V，额定转速ne=1500r/min，转速反馈系数α

=/ne=1/300(V．min．r－1)；
测长轮直径：DL=110mm=0.110m；
光电编码器每转脉冲数：N=5000；
型材最大移动速度：Vm=15m/min=0.25m/s；
丝杠节距：T=10mm=0.01m。
3　PLC控制系统的组成及软件设计
型材辊压飞剪系统采用日本富士NB1系列可编程序控制器控制，可实现定尺停剪、飞剪及剪切长度、剪切根数的自动控制，同时具有自保护、自诊断和报警等功能。剪切长度及剪切根数等参数由PLC通过串行通信从上位机读入。PLC剪切控制系统的输入信号包括：测长轮光电编码器LF输出的电脉冲(A、B两相)，接近开关S1～S3，行程开关S4～S6，伺服准备好信号VRDY；输出信号包括：伺服上电SON1，伺服使能ENBL(Y115)，伺服速度给定Y117、Y116、Y120、Y121，冲切电磁阀、抬起电磁阀、加速阀及溢流阀等，其PLC外部接线图略。控制流程如图3所示。

系统通过对光电编码器LF输出脉冲的检测来计算对应的型材长度。NB1系列U型PLC的高速计数指令功能是当条件满足时发出一中断信号，并控制相应的动作。由于系统剪切长度是可以改变的，故需要通过PLC中算术运算将剪切长度转换成对应的脉冲数。
为了使系统能够安全可靠工作，对软件和硬件均作必要的处理。软件主要是延时保护，因为系统工作过程主要是顺序动作。当某一工序到下一工序的时间超过确定值时，说明该工序的相关部分出现故障，命令系统停止运行，等候维修。图中长度检测到延时是根据型材的剪切长度与轧制速度的比值来确定；剪切到位和刀具抬起延时是根据冲切刀具动作的快慢来确定，本系统取3s；Y115为伺服使能信号，延时打开的目的是保证工作台高速返回停车时有足够的制动时间。硬件是采用4个保护开关，前两个是接近开关S1、S2，主要是检测型材是否切下和刀具是否抬到位，若未按规定动作，则视为故障，系统停止运行；另两个是限位开关S4、S6，作用是在前面保护均失效，工作台到达S4(或S6)位时，强制系统停止运行。
本系统充分利用了PLC的逻辑运算、数值处理、高速计数、中断及沿触发等功能，使整个系统控制方便灵活，外围设备减少，并能大大缩短现场的安装和调试周期。
实际调试过程中发现，连续飞剪的定尺精度往往不如定尺停剪的精度高，其主要原因如下： (1)测长轮与型材之间有相对滑动，使计数不准，可设法增加测长轮与型材之间的摩擦力，如增大气阀压力等；
(2)工作台每次返回的初始位置不一致，可增加一初始位置定位系统，提高位移控制精度，但系统要相对复杂一些；
(3)伺服同步精度低，剪切时工作台相对于型材有相对运动，可适

当调整电位器RP1。
(4)由于伺服同步控制器在转速环外，因此系统元件(包括放大器、F/V变换器和电阻等)参数值随环境温度的变化对定尺精度有一定的影响，可在此基础上增加一位置环。
4　结束语
该系统自1998年8月在凌云汽车零部件有限公司通过项目验收并开始投运，连续两班无故障运行至今，目前仍运行良好。由于系统采用上位机及PLC控制，定尺停剪与飞剪任意选择，设定参数可在线调整，因此系统具有操作简单，维修方便，控制精度较高，适用范围广等特点，大大提高了企业的生产效率及产品质量，使企业效益明显提高。剪切长度为2680mm的型材，定尺停剪误差≤±0.5mm，飞剪误差≤±1mm。运行结果表明，本剪切系统已达到该厂90年代引进的德国原装生产线飞剪控制系统的自动化水平及控制精度，系统可进一步推广应用，以发挥更大的经济效益。


参考文献

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2王文彩，李广才.直焊管飞锯切割微机控制系统.电测与仪表，1990，27(3)：37～39
3冯培昌，藏云泉，周晓云.飞剪及轧后设备的微机参数检测与控制系统.电气传动，1993，23(6)：29～35
4陈伯时.电力拖动自动控制系统.第2版.北京：机械工业出版社，1992.