鋼卷上料自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

壽軍波

（杭州寶井鋼材加工配送有限公司，浙江 杭州 310019）

0 引 言

鋼材剪切設(shè)備中，為了順利上料并保證加工產(chǎn)品對(duì)角線和邊部疊齊，滿足產(chǎn)品質(zhì)量，首先需要將鋼卷垂直對(duì)中上料到開卷機(jī)卷筒上，再在開卷機(jī)卷筒上水平對(duì)中。目前，國(guó)內(nèi)外剪切設(shè)備的上料工藝多數(shù)采用手工上料的方式進(jìn)行開卷機(jī)卷筒上垂直和水平對(duì)中，不僅費(fèi)時(shí)而且存在較大的安全隱患。

李福云[1]曾將模糊控制引入鋼卷小車自動(dòng)定位控制，用來對(duì)鋼卷小車由于質(zhì)量不同而引起的慣性滑差進(jìn)行補(bǔ)償，消除上料中存在的定位不準(zhǔn)問題。

本研究依托杭州寶井鋼材加工配送有限公司技改項(xiàng)目，利用原有PLC控制系統(tǒng)，通過適當(dāng)增加傳感器和執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)鋼卷自動(dòng)上料，以代替原有的手工上料操作。

1 工藝流程分析

目前鋼卷手工上料工藝流程[2]如圖1所示。主要流程環(huán)節(jié)分述如下。

1.1 水平移動(dòng)

本研究在操作臺(tái)上把帶有鋼卷的上料小車水平移動(dòng)到卷筒外側(cè)邊，準(zhǔn)備上卷到開卷機(jī)。

圖1 手工上料工藝流程

1.2 垂直對(duì)中

本研究在操作臺(tái)上目測(cè)判斷上料小車使鋼卷中心線A與卷筒中心線C重合程度，反復(fù)升降到二者基本重合(F-H±20mm)后，水平移動(dòng)上料小車，直至把鋼卷套入卷筒。

1.3 水平對(duì)中

本研究在操作臺(tái)上水平移動(dòng)上料小車，目測(cè)判斷中心線B與D基本重合后，進(jìn)入開卷區(qū)，用卷尺測(cè)量鋼卷是否對(duì)中，反復(fù)調(diào)整直至中心線B與D重合(E-X±5mm)。

手工上料進(jìn)行垂直對(duì)中時(shí)，由于存在視覺盲區(qū)，需一人目測(cè)鋼卷水平中心線A的高度值F，并指揮另外一人反復(fù)操作調(diào)整，直到A與開卷機(jī)中心線C水平高度值H的偏差≤±20 mm時(shí)，才能保證卷料順利套入卷筒；導(dǎo)致操作費(fèi)時(shí)且需兩人配合操作。

手工上料進(jìn)行水平對(duì)中時(shí)，靠目測(cè)無法保證鋼卷垂直中心線B與卷筒垂直中心線D重合，需用卷尺測(cè)量外側(cè)尺寸E與內(nèi)側(cè)尺寸X，反復(fù)操作上料小車水平移動(dòng)，直到E和X尺寸的偏差 ±5mm，以保證水平對(duì)中，從而導(dǎo)致操作費(fèi)時(shí)且需相關(guān)人員進(jìn)入設(shè)備運(yùn)行區(qū)域測(cè)量尺寸，存在安全隱患。

由于手工上料存在以上缺陷，影響生產(chǎn)效率，并對(duì)操作工人身安全構(gòu)成威脅，有必要通過技術(shù)改造，自動(dòng)測(cè)量卷料的水平/垂直位置來自動(dòng)控制小車水平/垂直移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼帶自動(dòng)上料，來提高生產(chǎn)效率，消除安全隱患。

2 自動(dòng)對(duì)中裝置主回路設(shè)計(jì)

自動(dòng)上料系統(tǒng)適用于在剪切機(jī)上鋼卷自動(dòng)上料對(duì)中，本研究在原有手動(dòng)上料系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加三相直線排桿馬達(dá)[3]、光電管、位置編碼器等元件以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料的硬件配置，針對(duì)不同卷筒長(zhǎng)度需設(shè)計(jì)不同的對(duì)中桿長(zhǎng)度。

2.1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)對(duì)中機(jī)構(gòu)圖如圖2所示。

垂直對(duì)中高度編碼器[4]安裝在上料小車的基座上，自漲緊卷線裝置與高度編碼器聯(lián)接，拉線的一端固定在上料小車升降油缸活塞桿的一端，另外一端纏繞在自漲緊卷線裝置上；當(dāng)升降油缸上升時(shí)，拉線從自漲緊卷線裝置上被漲緊拉出或當(dāng)升降油缸下降時(shí)，自漲緊卷線裝置自動(dòng)收回多余拉線并同步漲緊；自漲緊卷線裝置隨著拉線被拉出或縮回發(fā)生旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)高度編碼器旋轉(zhuǎn)；使油缸升降的直線位移量轉(zhuǎn)化為編碼器的旋轉(zhuǎn)位移量，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后即為小車升降高度位移量。

圖2 系統(tǒng)對(duì)中機(jī)構(gòu)圖

如圖2所示，針對(duì)水平對(duì)中機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)在開卷機(jī)上增加一套對(duì)中桿裝置，在對(duì)中桿的一邊與馬達(dá)[5]連接，另一邊裝上光電管；系統(tǒng)通過馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)對(duì)中桿水平伸縮，從而實(shí)現(xiàn)把光電管帶到所需的測(cè)量位置。一旦機(jī)械結(jié)構(gòu)確定，馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)位移量與對(duì)中桿水平伸縮位移量相對(duì)應(yīng)；馬達(dá)一側(cè)裝有水平編碼器，用來測(cè)量馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)位移量，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后即為對(duì)中桿伸縮位移量。

2.2 電氣原理圖

電氣原理如圖3所示。

系統(tǒng)新增直線排桿馬達(dá)的控制和執(zhí)行回路[6]，當(dāng)輸出Q48.2/Q48.3時(shí)，系統(tǒng)通過中間繼電器A404控制接觸器KM1/KM2的動(dòng)作[7]實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的正/反運(yùn)行和停止，帶動(dòng)對(duì)中桿作水平伸出/縮回運(yùn)行，設(shè)置限位開關(guān)I58.2/I58.3保證對(duì)中桿在內(nèi)外極限位置內(nèi)運(yùn)行；編碼器B621測(cè)量對(duì)中桿的位移量并輸送到PLC；點(diǎn)動(dòng)操作I75.2/I75.3可以手動(dòng)控制Q48.2/Q48.3的輸出；升降信號(hào)Q24.0/Q24.1控制上料小車油缸的升降，編碼器B321測(cè)量升降高度的位移量并輸送到PLC；水平移動(dòng)信號(hào)PW144控制[8]比例閥A314帶動(dòng)液壓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)使上料小車水平移動(dòng)進(jìn)/出，當(dāng)小車移動(dòng)到位置感應(yīng)器S334檢測(cè)位置時(shí)，輸入上升信號(hào)I24.4，在自動(dòng)方式下可以通過輸出上升信號(hào)Q24.0控制上料小車自動(dòng)上升；通過操作I73.2/I73.3控制小車自動(dòng)上料程序的執(zhí)行/停止，根據(jù)控制條件自動(dòng)時(shí)序輸出Q48.2/Q48.3控制直線排桿馬達(dá)、輸出Q24.0/Q24.1控制上料小車的升降及輸出PW144控制上料小車的水平動(dòng)作等運(yùn)行和停止；漫反射光電管B613自行發(fā)射紅外線，通過漫反射接收對(duì)中信號(hào)I30.2并輸入到PLC。

圖3 電氣原理圖

2.3 元器件的選擇

（1）執(zhí)行件的選擇。光電管很輕，只需克服各部分組件的摩擦力、轉(zhuǎn)速精度要求不高，本研究選擇120 W、最大推力為20 kg、速度為30 mm/s的三相直線排桿馬達(dá)即可；

（2）檢測(cè)控制。要求檢測(cè)靈敏度高，本研究選擇漫反射光電管WT45-P260；

（3）位置控制。位置檢測(cè)精度要求較高，本研究選擇編碼器作為位置控制；高度編碼器選擇Elap HLS10-05-LD5V，水平編碼器選擇Elcis 63 s-9.52-50-5；

（4）位置感應(yīng)器。為便于檢修，本研究選擇設(shè)備原配套接近開關(guān)3RG4013-3KB00。

3 自動(dòng)上料PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制部分是自動(dòng)上料系統(tǒng)的核心內(nèi)容，控制程序根據(jù)系統(tǒng)輸入的鋼卷外徑、寬度、電氣開關(guān)量和光電管信號(hào)，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)的計(jì)算和反饋，對(duì)液壓和電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行控制以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3.1 PLC控制器的選擇

由于系統(tǒng)控制規(guī)模較小，輸入/輸出點(diǎn)數(shù)不多，本研究經(jīng)過確認(rèn)現(xiàn)有設(shè)備PLC的備用操作數(shù)和定位模塊WF706符合新增的自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)硬件的要求；選擇現(xiàn)有設(shè)備西門子PLC（S5）進(jìn)行軟件編程[9]即可。

3.2 軟件程序的流程圖

軟件程序的流程圖如圖4所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求本研究先要對(duì)自動(dòng)上料系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，以滿足自動(dòng)上料測(cè)量條件；在上位機(jī)輸入卷料直徑和寬度值，PLC根據(jù)新編制的程序計(jì)算高度設(shè)定值Y和對(duì)中桿水平位移設(shè)定值X。本研究啟動(dòng)I73.2自動(dòng)上料系統(tǒng)后，PLC自動(dòng)控制直線排桿馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)編碼器B621測(cè)量值（對(duì)中桿的伸縮位移量）與設(shè)定值X一致時(shí)，馬達(dá)停止運(yùn)行，此時(shí)對(duì)中桿頭部的光電管移動(dòng)到水平對(duì)中測(cè)量位置；自動(dòng)輸出水平移動(dòng)信號(hào)+PW144控制上料小車向內(nèi)側(cè)水平移動(dòng)，當(dāng)小車到上升位置（S334）時(shí)，控制上料小車油缸的升降，編碼器B321測(cè)量升降高度，當(dāng)升降到設(shè)定高度Y時(shí)表示鋼卷已自動(dòng)垂直對(duì)中；繼續(xù)輸出水平移動(dòng)信號(hào)+PW144控制上料小車向內(nèi)側(cè)水平移動(dòng)，當(dāng)卷料移動(dòng)到卷筒對(duì)中位置時(shí)，光電管B613接收到對(duì)中信號(hào)并輸入信號(hào)I30.2到PLC，此時(shí)說明卷料已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料對(duì)中；小車自動(dòng)停止向內(nèi)側(cè)移動(dòng)下降到最低位I24.1后，輸出水平移動(dòng)信號(hào)-PW144小車自動(dòng)向外側(cè)移動(dòng)到上料小車停止位I24.3，輸出卷筒擴(kuò)漲信號(hào)Q24.2后輸出信號(hào)Q48.2縮回對(duì)中桿到零位I58.2，至此自動(dòng)完成上料作業(yè)。

圖4 工作流程圖

3.3 PLC基本操作數(shù)分配表

上料作業(yè)只是設(shè)備其中一個(gè)相對(duì)較耗時(shí)和操作安全性較差的工序，原設(shè)備程序用到的軟元件地址較多（如I/O點(diǎn)≥1 000）且原程序地址分配是不連續(xù)的，新增的基本操作數(shù)地址按原模塊程序內(nèi)部空余地址和實(shí)際安裝方便抽取；根據(jù)新增自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)要求，配置基本操作數(shù)[10]如表1所示。

表1 PLC基本操作數(shù)分配表

3.4 新增PLC控制程序

本研究把新增程序模塊（部分程序如圖5所示）嵌入到設(shè)備原程序[11]中，共同實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)上料控制。

圖5 新增PLC控制程序部分

新增排線馬達(dá)控制運(yùn)行程序模塊，條件輸出Q48.2/Q48.3控制馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。

新增編碼器（水平和垂直）采集測(cè)量和運(yùn)算程序模塊，通過編碼器采集實(shí)際位移量與設(shè)定值比較控制小車的上升高度和對(duì)中桿馬達(dá)的啟停；對(duì)中桿水平位移量計(jì)算公式為：

式中：X—對(duì)中桿伸出的位移量，mm；A—設(shè)備基準(zhǔn)常量（該程序設(shè)計(jì)為中=1 045）；B—卷料的實(shí)際寬度，mm。

上料小車提升高度位移量計(jì)算公式為：

式中：Y—上料小車提升高度位移量，mm；G—設(shè)備基準(zhǔn)常量（本程序設(shè)計(jì)為G=1 087）；D—卷料的實(shí)際外徑mm。

本研究利用手動(dòng)上料系統(tǒng)程序，新增自動(dòng)時(shí)序控制點(diǎn)控制模塊以自動(dòng)控制小車水平運(yùn)行信號(hào)PW144/垂直升降運(yùn)行信號(hào)Q24.0/Q24.1和卷筒漲縮信號(hào)Q24.2/Q24.3等。

4 結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)的自動(dòng)對(duì)中裝置已經(jīng)在杭州寶井鋼材加工配送有限公司的剪切設(shè)備上得到應(yīng)用，實(shí)踐結(jié)果表明該自動(dòng)上料系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，使用安全可靠，效果明顯。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料后，進(jìn)入設(shè)備運(yùn)行區(qū)域的進(jìn)入率為“0”，減少了人身傷害的可能性，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的本質(zhì)安全；上料系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行位置檢測(cè)，一個(gè)人操作即可完成上料作業(yè)，不再需要2人配合上料，減少了上料操作人員，節(jié)約了人工成本；自動(dòng)上料系統(tǒng)能完全代替手工上料，不需再進(jìn)行人工對(duì)中測(cè)量，簡(jiǎn)化了工人的操作程序。經(jīng)過實(shí)際檢測(cè)表明：測(cè)量對(duì)中誤差≤±5 mm，滿足使用要求；平均上料時(shí)間由技改前的5.07分鐘/次縮短為2.47分鐘/次，平均上料時(shí)間縮短51.37%，大大提高了生產(chǎn)效率。

（References）：

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