強力圓切機程序控制系統探究

摘 要：圓切技術廣泛地應用于工業生產中。在實際改造一泡綿圓切機時，根據阿基米德螺線原理，建立了圓切機的切割數學模型，并在此基礎上，設計了以可編程控制器（PLC）為核心的控制系統。通過準確計算脈沖計數和時間計數，實現高精度快響應的程序控制。它能夠切割厚度在1-10 mm內的泡綿，且切割精度控制在0.1 mm內。

關鍵詞：圓切；阿基米德螺線；PLC

中圖分類號：TP769 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）6-0082-02

泡綿廣泛地應用于各行各業，市場需求量大。某企業的一臺泡綿圓切機，其可切割厚度范圍較小，切割精度和準確度不夠，影響了正常的生產過程，拖延了工期。現該企業擴大生產，要提高切割精度和準確度，且需要切割其他相似材質的材料。

本著節省改造成本原則，在保留原機械結構不變的情況下，利用PLC編程配合伺服控制器實現高精度切割，以較小的成本取得了較好的改造效果。

1 改造要求

改造后的圓切機的切割厚度范圍擴大到1～10 mm的，切割厚度設置精確到十分位，實際切割厚度誤差小于0.2 mm。同時，在生產的過程中，滾筒的速度可調。

2 分析與設計

2.1 切割原理

兩臺三相交流電機作為本圓切機控制系統的執行機構。第一臺電機控制刀片的切割運動，當刀片與筒型待切材質接觸時，對其切割并提供轉動動力。第二臺電機控制絲桿的轉動，絲桿與滾筒螺紋相聯，將絲桿的旋轉運動轉化成滾筒的升降直線運動。

切割厚度的控制依據阿基米德螺線的切割原理，阿基米德螺線曲線極坐標方程為：r=a？夼，其中a為阿基米德螺線的參數，該曲線兩條臂之間的距離恒等于2？仔a。根據這一原理，切割厚度d厚為2？仔a，即滾筒每轉一圈，直線運動下降距離應為切割厚度d厚，也即滾筒轉一圈所用時間與直線運動下降d厚的距離所用時間相等。

2.2 系統設計

本控制系統包括機械和電氣兩個部分。通過測算，機械系統的誤差相對總允許誤差較小，對本系統影響較小，在設計時可以進行適當的忽略。機械部件部分參數如下：

①絲桿螺距：L=5 mm，即絲桿轉一圈，升降變化距離；

②伺服電機到絲桿的傳動比：N=1，即伺服電機齒輪旋轉1圈，絲桿轉動為1圈。

根據阿基米德螺線曲線的切割原理，本系統控制任務是使滾筒下降的速度與滾筒的轉速相配合，是一個速度隨動系統。根據這一要求，設計一個以可編程控制器（PLC）為核心的自動控制系統，如圖1所示：

變頻器控制滾筒作圓周運動，編碼器與滾筒同軸相連，將滾筒的角速度轉成脈沖信息傳遞給PLC.PLC經過計算，通過伺服控制器同步控制升降運動，達到等厚度切割.控制方式分為自動模式和半自動模式。

伺服控制器接收PLC輸出的模擬電壓，將其換算成相應的轉速值，控制絲桿的運動，以達到控制切割厚度的目的。

從該控制系統的實際應用角度考慮，主要考慮穩態誤差ess和調節時間ts這兩個參數。根據廠方的要求，在生產厚度為1～10 mm范圍內的絕對誤差不大于0.2 mm，即穩態誤差ess<2%.因這是個數字控制系統，調節時間ts涉及到系統運行周期，運行周期應小于滾筒在加速時產生2%切割誤差的時間。由于加速度可調，但要符合生產的實際情況，故需要在編程上做特殊處理。

2.3 選型與系統實施

根據廠方要求，結合生產中滾筒速度在5～24 r/min的實際情況，本控制系統選用臺達變頻器VFD037M43 A作為第一臺電機的控制器，通過調節其“第一加速度時間”可以減小在加速切割時造成的切割誤差。出于成本和性能的考慮，使用臺達ASD-A1521MA作為第二臺電機的伺服控制器，該控制器的時間常量為2.2 ？滋s，且具有速度S函數平滑器功能，能夠有效抑制系統的震蕩。臺達PLC DVP12SC具有0.1 ms的連接計時器，將其作為中央控制器能夠更準確地獲得時間參數，配合分辨率為E1=2 000 P/R編碼器作為滾筒旋轉測速器件，能夠滿足計算公式的誤差要求.

在軟件設計方面，從生產產品的厚度范圍和要求的精度可知，最大誤差不大于2%，即測量的滾筒轉速誤差不能大于2%。在使用PLC高速計數模塊時，PLC硬件電路以脈沖的上升沿作為一個脈沖的標志，存在量化誤差。如：當滾筒運行在5 r/min，每個脈沖為6 ms，若以每20個脈沖計算一次速度，則誤差為5%.所以，最小測速脈沖間隔P間隔應為：

影響速度測量的另一個因素是計時器.根據實際的生產情況，滾筒的轉速范圍為5～24 r/min。當滾筒運行在最高速時，每個脈沖為1.25 ms。若每50個脈沖測量一次速度，則每隔62.5 ms測量一次。該PLC提供了一個高速連接定時器D1015，最小計時單位為100 us，能夠滿足該系統的要求.因高速連接定時器D1015的計數范圍是0～32 767，所以在使用時需要對計數進行處理，同時，考慮到工業生產過程中，滾筒存在偏心，故需要對測量得到的速度數據進行平滑處理。在軟件設計平滑處理的同時，在伺服器端也可設置濾波選項及S平滑函數。

3 總 結

對原系統進行改造后，取得試驗部分典型數據見表1：

試驗證明，改造后的系統能夠較好的滿足生產需要。

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