水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

李宏遠(yuǎn)，劉 歡，黃金鑫

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

0 引言

作為一種可將板料彎曲加工的塑性機(jī)床，卷板機(jī)近些年得到了迅速發(fā)展，已廣泛用于造船、鍋爐、宇航和石油化工等行業(yè)［1］。國(guó)外卷板設(shè)備水平較高，意大利PROMAU公司、日本富士車(chē)輛公司［2］等研發(fā)的產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)上多采用機(jī)械式或機(jī)液混合驅(qū)動(dòng)式；國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)起步較晚但發(fā)展很快，沈陽(yáng)重型機(jī)械廠(chǎng)、南京環(huán)力重工機(jī)械公司［3］等生產(chǎn)的非對(duì)稱(chēng)三輥、四輥卷板機(jī)也已成為行業(yè)的主導(dǎo)。然而，局限于對(duì)功率的要求，傳統(tǒng)的三輥卷板機(jī)大多采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配合手工操作。該方式加工效率低，精度也難以保證，已不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和性能的要求。因此，本文提出一種針對(duì)水平下調(diào)式［4］三輥卷板機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用PLC和液壓傳動(dòng)將電、機(jī)、液有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)控制，取代人工勞動(dòng)，改善了工作條件，提高了加工效率和精度。

1 工藝分析

相比對(duì)稱(chēng)式卷板機(jī)需借助其他設(shè)備進(jìn)行預(yù)彎的限制，非對(duì)稱(chēng)式設(shè)計(jì)更加合理有效，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)比如圖1所示。

圖1 對(duì)稱(chēng)式與非對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)比

卷板時(shí)，將板料置于上、下工作輥之間。上輥垂直升降，兩下輥?zhàn)鲂D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)且相對(duì)于上輥軸心面水平移動(dòng)。上輥下降時(shí)，板材在上、下工作輥之間發(fā)生塑性變形而彎曲。下輥連續(xù)旋轉(zhuǎn)通過(guò)板與輥之間的摩擦力帶動(dòng)鋼板進(jìn)、退，完成卷制。具體分為4步：預(yù)彎、對(duì)中、卷圓和矯圓［5］，如圖2所示。

圖2 三輥卷板機(jī)工藝過(guò)程

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

利用可編程序控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的整體操作和狀態(tài)監(jiān)控，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體控制

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水平下調(diào)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于其靈活性，下輥為主動(dòng)輥，可自由移動(dòng)，上輥為從動(dòng)輥，可垂直升降。針對(duì)以上特點(diǎn)，液壓控制系統(tǒng)分為3個(gè)子系統(tǒng)，即上輥液壓系統(tǒng)、下輥液壓系統(tǒng)和卸載液壓系統(tǒng)，如圖4所示。

上輥液壓系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)上輥完成垂直升降，兩端的同步性至關(guān)重要，若不同步，則卷制出來(lái)的圓筒會(huì)出現(xiàn)喇叭形，從而造成加工缺陷。

液壓泵電機(jī)啟動(dòng)，電氣控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，電磁鐵YV5得電時(shí)，使得電磁鐵YV7、YV8得電，升降缸1和2的A孔進(jìn)油，B口回油，使輥?zhàn)觾啥寺湎拢瓿缮陷佂驳拇怪毕陆颠^(guò)程。如果在這一過(guò)程中，升降缸1的一段達(dá)到了指定刻度，升降缸2的一段尚未到達(dá)，則電磁鐵YV7斷電，升降缸1停止進(jìn)油，直至升降缸2一段也達(dá)到指定刻度時(shí)電磁鐵YV8斷電，以此來(lái)保證上輥下降的同步性，并實(shí)現(xiàn)在工作過(guò)程中上輥軸線(xiàn)與下輥軸線(xiàn)始終平行的要求。輥筒上升過(guò)程與此相反。

圖4 液壓原理圖

下輥液壓系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)下輥及支撐輥完成水平位移，工作過(guò)程及同步控制原理與上輥液壓系統(tǒng)相似，在此不再贅述。

卸載液壓系統(tǒng)則用于驅(qū)動(dòng)鋼架水平位移完成對(duì)產(chǎn)品的卸載和自身復(fù)位。當(dāng)產(chǎn)品加工完成時(shí)，卸載系統(tǒng)啟動(dòng)，電磁鐵YV9得電，卸載缸的A口進(jìn)油，B口回油，使鋼架水平向左運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)，完成卸載。當(dāng)電磁鐵YV10得電時(shí)，卸載缸的B口進(jìn)油，A口回油，使鋼架水平向右運(yùn)動(dòng)，完成自身復(fù)位。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電路設(shè)計(jì)

主電路采用3臺(tái)電動(dòng)機(jī)，液壓泵電動(dòng)機(jī)M1，上輥旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)M2和下輥旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)M3。上、下輥旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)為三相繞線(xiàn)式。

控制電路則包含PLC的電源、接地、輸入、輸出、通信等接線(xiàn)端子到各輸出端子板或柜內(nèi)其他電器元件之間的連接，其外部接線(xiàn)如圖5所示。

圖5 PLC外部接線(xiàn)圖

4.2 流程設(shè)計(jì)

首先根據(jù)卷板機(jī)加工順序把復(fù)雜的控制過(guò)程分解為若干個(gè)工序，然后將各工序看成是一種工作狀態(tài)，并將它們聯(lián)系起來(lái)，其工作流程如圖6所示。

圖6 卷板機(jī)工作流程圖

4.3 系統(tǒng)測(cè)試

三菱公司的GX Developer編程軟件［6］功能強(qiáng)大，使用方便，可用于系統(tǒng)的監(jiān)控與調(diào)試。

進(jìn)入主界面，創(chuàng)建新工程，將梯形圖程序?qū)懭搿Ｃ客瓿梢粋€(gè)工序，可執(zhí)行菜單命令變換，以檢驗(yàn)是否正確。執(zhí)行梯形圖邏輯測(cè)試，系統(tǒng)會(huì)逐漸寫(xiě)入待測(cè)試程序，直至全部完成。

這里僅以輸送板料至工作輥為例進(jìn)行測(cè)試，如圖7所示。首先啟動(dòng)系統(tǒng)總按鈕，液壓泵電動(dòng)機(jī)隨之啟動(dòng)，下輥開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，通過(guò)與板料相接觸產(chǎn)生的摩擦力帶動(dòng)板料運(yùn)動(dòng)，待板料達(dá)到預(yù)彎位置時(shí)，旋轉(zhuǎn)停止。測(cè)試結(jié)果如圖7所示，與預(yù)期相一致。

圖7 板料輸送監(jiān)控時(shí)序圖

5 結(jié)論

根據(jù)水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了全新的控制方案。采用先進(jìn)的PLC將原有的電路控制改為軟件控制，實(shí)現(xiàn)了鋼板卷制的自動(dòng)循環(huán)。液壓系統(tǒng)的融入又提升了驅(qū)動(dòng)的可靠性。兩者有機(jī)結(jié)合，很大程度上改善了傳統(tǒng)卷板機(jī)控制系統(tǒng)的不足。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)真實(shí)有效，符合預(yù)期。同時(shí)，操作維護(hù)簡(jiǎn)單，既提高了加工效率和精度，又減少了人工成本。

［1］劉華，閆潔，劉斌.現(xiàn)代塑性加工新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010（4）：10-13.

［2］邢偉榮.卷板機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010（2）：10-16.

［3］仉志強(qiáng)，宋建麗，付建華，等.板材彎卷成形工藝的研究現(xiàn)狀［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2014（1）：1-6，84.

［4］邢偉榮，原加強(qiáng)，郭永平.水平下調(diào)式結(jié)構(gòu)在大型三輥卷板機(jī)上的應(yīng)用［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006（5）：20-23.

［5］任育紅.水平下調(diào)式三輥卷板工藝及設(shè)備研究［D］.天津：天津大學(xué)，2006：13-16.

［6］于海龍，石東東，趙秀美.基于PLC的數(shù)控卷板機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011（1）：133-134，137.