切割機的柔性控制方法

劉 丹，李紀剛，孫維連，李 寧

（河北農業大學 機電工程學院，保定 071000）

0 引言

在產品多樣化、規模化發展對加工設備可控化、柔性化等需求下，隨著電力電子技術、控制技術等發展，切割設備得到了突飛猛進的發展。其控制方式也有了更進一步的提高，柔性控制系統作為生產過程中自動化的發展方向，也開始受到了流程式或過程工業的密切關注[1]。彭麗文，姚斌等人針對厚度為0.1～3.5mm的印制電路板在研磨過程中剛度差的問題采用基于電流控制的柔性研磨方式控制磨削力并保持其可以得到恒定值[2]。鄭曉斌，薛毓強等人介紹了新型柔性拋光機控制系統的組成，確定了以三菱公司的Q系列可編程控制器PLC為核心，通過串行通訊控制三 菱FRA740系列變頻器實現電機的無級調速和半閉環恒拋光力控制[3]。針對本文自動切割機需要保證所截取的試樣的金相組織與原部件組織一致的特點，要求在截取過程中試樣受熱、受外力作用要均勻且盡量的小[10]。為了使控制系統具有現場可塑性和不同環境下的高適應性，控制系統采用了柔性控制模式，在切割過程中可以自動調節壓力或保持壓力恒定，減少切割振動；還可以進行低速切割硬工件，高速切割軟工件的速度調節。

1 歐姆龍PLC與西門子變頻器之間通訊

1.1 系統硬件配置

本切割機控制系統采用ORMON的CP1HX40DT-D型PLC和西門子MM420變頻器對三相交流異步電動機進行轉速控制。該西門子變頻器提供了多種兼容的通信接口，選用了RS-485進行數字通信改變電機的運行狀態，省略了A/D轉換過程。它傳送的是數字量，僅用光電耦合器就能滿足隔離要求，有效地提高系統的抗干擾能力和EMC，而且節約了成本。選用的EVIEW的觸摸屏作為人機操作界面可以進行數據監測、數據輸入和開關控制等。

1.2 系統的硬件連接

歐姆龍的CP1H型PLC有兩個選件板進行串行通訊，一個為RS232口，用來作為與人機界面觸摸屏的連接串口，另一個選件板，根據控制系統要求，所配備的選件板為RS422/485選件板（CP1W-CIF11）用來與西門子變頻器進行通訊—采用的是RS-485。硬件連接如圖1所示。

1.3 PLC與變頻器之間的設置

PLC選件板的設置：歐姆龍RS-422A/485選件板可安裝到CP1H CPU單元的選件板槽位2,在選件板的背面有動作設定撥動開關，將4設定為OFF，其他的均為ON。

PLC的軟件設置：采用的是定制的通訊設置：波特率為9600，數據長度為8位，偶校驗，停止位為1位，模式為RS232C，是無協議通訊所要求的通訊格式之一。

為了實現與PLC的通訊，西門子變頻器需進行參數設置：P0003設定為2，表明是專家級訪問；P2010設定為6，USS的波特率為9600；P2011設定為0，表明USS節點地址為0；P0700和P1000均設定為5，允許通過USS對變頻器進行控制，發送主設定值。

圖1 控制系統結構框圖

2 閉環調速的柔性控制方法分析

2.1 切割力與電流關系分析

砂輪片切削工件類似于平面磨削過程,其切削力可根據磨削力的計算公式推導而來。在切削過程中同樣存在著三向力,即砂輪片徑向切削力Fn,砂輪片切削切向力Ft以及沿縱向(軸向)的分力Fa。由于Fa對切削過程影響很小,通常不計[4]，因而受力分析圖如圖2所示。切削過程中,并不是砂輪片圓弧上每一點都和工件接觸,計算切削力同磨削類似以單個磨粒為對象并將磨粒簡化為圓錐體進行受力分析。然后再對其接觸面積上的磨粒進行積分求取切削力。

圖2 切割力受力分析圖

由文獻[5]可以得到切削深度與電流和砂輪片轉速之間的關系式如下：

其中，ηe為電動機效率，D為砂輪片外徑，N為砂輪片轉速，U為電動機的工作電壓，I為電動機的工作電流，cosφ為電動機的功率因數，α為假想圓錐磨粒的半角， ρ為磨削力比（1.5～3）。根據上面的理論公式表明，切削力與帶動砂輪工作的主電動機的功率成一定的比例關系，即在電壓一定，轉速一定時的情況下切削力與主電機的電流成正比關系。

2.2 閉環調速柔性控制的原理

當加工方式和加工材料一定時, 切削力會隨著軸向進給量和切削深度ap的增大而增大, 隨著砂輪速度的升高而降低。要控制磨削力,就要從降低切削力三個要素入手。工件的切割尺寸決定了切割深度，為不可變因素；而進給速度又相對影響較??；對自動切割機來講，可以選擇調整砂輪轉速來控制切削力。切削力與電流成正比關系，隨著切削深度的增加，切削力增大，電流值就會有一定比例的增大。歐姆龍PLC通過采樣西門子變頻器中主電機的電流大小與預期電流進行比較，根據比較后的結果利用PLC本身存在的PID控制算法進行控制輸出頻率值從而調整主電機的工作頻率，從而調節砂輪轉速，最終控制切割力使其基本保持恒定。閉環控制系統組成框圖如圖3所示。

采用CP1H型PLC中存在目標值濾波型二自由度PID控制算法進行速度調節。二自由度控制算法的核心是其對給定值的響應和對擾動的響應采用了不同的控制算法,這樣既可以有效抑制超調又可以有效改善系統動態響應[7]。通過PID控制頻率輸出從而保證切割電流小于閾值切割力對應的電流或保持電流值為恒力，從而滿足切割工藝的要求。

圖3 閉環控制系統框圖

3 軟件設計流程

PLC對變頻器的通訊可分為五個階段:1）PLC通訊請求利用TXD指令發送到變頻器；2）變頻器數據處理；3）從變頻器返回數據給PLC，PLC利用RXD指令接收數據信息；4）PLC處理返回數據；5）PLC再次返回應答[6]。PLC利用定時中斷程序采樣在一定時間內電流值，再通過PID調節，保持切割力恒定，從而微調速度值實現柔性切割。在電機啟動后一段時間空轉，監測空載電流，如果正常說明電機運行良好，繼續運行；整個進程中檢測電流的電流值，電流快速升到堵住電流值附近說明發生故障，立即停止電機轉速。閉環控制系統的程序流程圖如圖4所示。

圖4 閉環控制程序流程圖

4 結論

本控制系統采用了RS-485現場總線技術，利用電動機的實際電流值作為反饋信號保持切割過程中的恒切割力控制。由 PLC、變頻器實現三相交流異步電動機變頻閉環調速控制系統，防止由于砂輪堵轉造成的不良后果，提高了系統運行的穩定性。將砂輪堵轉現象由原來的堵轉率為15%，降低到了堵轉率為5%左右。通過檢測變頻器中電動機實際電流的大小來實現切割過程中對切割力控制的柔性控制功能，還可以響應切割變化的需求，對于切割質量有一定程度的提高，同時提高了切割效率。

[1] 楊慶柏, 柔性控制[OL], 遼寧電機工程科普, 2003. 04.http://wenku.baidu.com/view/5b37ee0f52ea551810a6872e.html.

[2] 彭麗文, 姚斌, 等. 基于電流控制的柔性研磨技術[J], 廈門大學學報(自然科學版). 2011, 11(50)6: 998-1001.

[3] 鄭曉斌, 薛毓強. 新型柔性拋光機控制系統的設計與實現[J]. 電工電氣. 2010 , 1: 55-57.

[4] 馬建永, 孫維連, 王會強, 等. 農機具金相切割機的研究與設計[J], 農機化研究, 2010. 7(7): 77-80.

[5] 李伯民, 趙波. 現代磨削技術[M], 北京: 機械工業出版社2003: 254 -261.

[6] 周宇. PLC與變頻器的RS-485串行控制應用[J], 國內外機電一體化技術. 2010. 01: 109-111.

[7] OMRON CP1H Chinese Program Manual[M]. 2005.

[8] SIEMENS MicroMaster420 universal manual[M].Automation and Drives Group of Simens(China)Co.Ltd.4.6-4.20.

[9] OMRON CP1H Chinese Operation Manual[M]. 2005.

[10] 孫維連, 楊鈺瑛, 王會強. 大型金相試樣切割機的設計與研究[OL]. [2011-06-27].