定位剪切控制在智能制造中的應用研究

金 萍

(太原學院 機電與車輛工程系，山西 太原 030032)

0 引言

國內橫切定位剪切系統多為剪切質軟、比重小的板材(如鋁板)，或厚度變化小、品種規格少的板材(如硅鋼)，這些板材容易實現剪切控制。控制方法大都采用固定降速點、速度分擋切換的思想，沒有自動定位控制模型，很難進一步提高剪切精度和剪切效率[1]。開卷機板材卷拆除捆帶和拾取回收捆帶的工作,大都由人工完成，勞動強度大、工作效率低且風險較高[2]。

以上方法難以適應材質硬、比重大的不銹鋼板、碳鋼板等,尤其是不銹鋼板，其表面光潔度高，只有將測長輥的壓力控制在合適范圍，才能既保證不銹鋼板表面不受損，又保證測長精度高。某廠生產的不銹鋼板材的厚度從0.1 mm～5 mm，多品種、多規格[3]，因此，其轉動慣量變化大，負載變化大，對自動定位控制系統要求高[4]。為此，本文建立了自動定位模型，采用雙閉環控制系統，研究改進了自動定位控制模型和降速點模型[5]，對于板材材質硬度變化、厚度變化、負載變化、轉動慣量變化均可以自適應[6]；采用機器人自動拆捆帶并回收系統，從而增強產線智能化，提高生產效率，減少消除安全隱患[7]。本文研究的定位剪切控制充分發揮了傳動系統和設備的能力，剪切速度與開卷機速度自動適應，提高了剪切效率和剪切精度，具有智能制造示范作用。

1 橫切定位剪切系統主要設備及工藝

某廠板材橫切定位剪切線如圖1所示，生產過程包括上卷、機器人拆捆帶、開卷、直頭矯、活套高度檢測、夾輥、測長輥和編碼器PG測長、電機帶動減速機和夾送輥使板材運行、剪機、矯直和垛板等環節。需剪切的鋼卷由天車吊到鋼卷入口鞍座上，上卷小車將鋼卷從鞍座送到開卷機，開卷機對中，卷筒漲開，壓輥壓住鋼卷，將鋼卷固定，上卷小車下降退回原位。該橫切定位剪切線用于將大卷切成各種尺寸的板，能剪切碳鋼、硅鋼、不銹鋼等板材。

圖1 板材橫切定位剪切系統設備及工藝簡圖

鋼卷拆捆帶機器人系統安裝在開卷機前端，用于鋼卷上卷作業前捆帶的自動拆除和回收作業[8]，如圖2所示。拆捆帶系統由一臺六軸工業機器人、拆捆頭、捆帶卷取裝置、輸送裝置、回收料斗、安全圍欄和安全門和控制系統組成。各部分的具體功能如下：

(1) 工業機器人：采用負載150 kg、回轉半徑3.2 m機器人，用于攜帶拆捆頭，并將剪切完畢的捆帶夾送至捆帶卷取裝置。

(2) 拆捆頭：拆捆頭為機電一體化產品，在拆捆頭上集成了剪刃、液壓動力元件和檢測元件等。

(3) 捆帶卷取裝置：捆帶卷曲裝置采用液壓馬達驅動相應的卷曲機構，對拆解的捆帶進行卷曲作業，形成一個小卷，便于回收運輸。

(4) 捆帶輸送裝置：放在卷取裝置的下方，接收并輸送卷取成小卷的捆帶，將其輸送至回收料斗內；回收料斗為焊接結構件。

(5) 電氣控制系統：控制系統由機器人電控柜和主電控柜組成。機器人電控柜用于機器人的控制。主電控柜用于整個機器人系統的控制，由西門子S7-1500PLC等電氣元件及觸摸屏柜體等組成。

通過機器人機械手左右移動機頭，激光傳感器尋帶及定位鋼卷外徑，使夾帶剪切機構對準鋼卷周向上的捆帶進行抓帶剪切，并經機器人牽至自動卷帶裝置卷曲后回收。實現了機器人代替人工作業，從控制系統接收指令，自動完成識別、定位、剪切、回收等操作。

圖2 攜帶拆捆頭的機器人

2 自動定位剪切控制系統

2.1 雙閉環定位剪切控制系統

定位剪切控制系統為雙閉環控制系統，如圖3所示，內環是PWM調速環，外環為定尺位置環。位置控制具體如下：由PLC讀入鋼板定尺剪切長度設定值L0后，定時掃描測長L，計算偏差ΔL，通過定位控制模型計算，輸出作為速度內環給定值；通過PLC的D/A模板輸出電壓控制信號U，控制PWM調速系統和電機，通過減速箱和夾送輥使鋼帶運行，直到ΔL減少到零時為止，使得剪切的鋼板達到設定長度，完成一張板材的自動定位剪切控制，如此循環。

圖3 雙閉環定位剪切控制系統

2.2 自動定位控制模型

自動定位控制簡稱APC，每個剪切周期(1,2,3,…,i,…,n)分三段：第一段是加速段；第二段是恒速段；第三段是減速段。加速段采取電機和機械限定允許的最大加速度升速，然后以恒速vim運行。降速過程是實現快且準剪切的關鍵，圖4(a)為板材升速—恒速—自由減速—停止運行過程，τ為時間常數,vim為第i個剪切周期夾送輥最大速度。該過程存在著阻尼減速過程不會無限長，但比較慢的特點。圖4(b)為板材升速—恒速—最大減速度直線降速—停止，該過程具有板材理想的降速—停止運行特性。

圖4 一個剪切周期的速度圖

設每個剪切周期降速點Di(1,2,3,…,i,…,n)的開始點時間為t=0，速度v=vim；結束點時間為t=td，速度v=0。設L為td時間段板材運行長度，則有：

(1)

因此，每個剪切周期從降速點開始的減速過程中，速度v和偏差ΔL在t(0～td)時刻的關系為：

v=vim-amt.

偏差為td時段板材運行長度減去t時段板材運行的長度，即：

(2)

由公式(2)求得：

(3)

公式(3)是理想的減速曲線，當位置趨于設定值時，ΔL→0、v→0,有：

(4)

按公式(3)定位在實際系統上是有缺陷的，系統將出現不穩定狀態，不能實現高效率剪切和高精度。因此，通過理論分析和實際試驗進行如下改進：

(5)

(6)

其中：K為速度給定系數，K=KaUmax/vmax，Umax=8v,vmax=60 m/min;Lr為板材慣性滑行裕量。

在降速曲線中，當偏差降至ΔL≤Pr(Pr為發剪機啟動信號的提前量，略大于Lr，依據調速范圍，調試確定)時，U=0，啟動橫切剪機。由于開卷機的速度是變化的，因此每個剪切周期vim(1,2,3,…,i,…,n)也是變化的，減速段按最大減速度降速，運行同一條降速曲線，減速點長度Di計算公式如下：

(7)

Ka在vim=vmax，Dmax=360 mm時，經理論計算后現場調試確定。

vim=α1vk，α1=f1(hi)。由此可見，vim與開卷機速度vk和活套高度hi有關。

3 系統實現

3.1 硬件組成

計算機控制系統采用西門子S7-1500 PLC及HMI[9]，傳動系統采用PWM調速系統，采用低慣量電機。PLC硬件主要由CPU模板、開關量輸入模板、開關量輸出模板、模擬量輸入模板、模擬量輸出模板和高速計數模板等組成。操作站與S7之間通過MPI網連接，保證數據的高速傳輸。遠程I/O以及傳動系統通過ProfiBus現場總線接至PLC[10]。

3.2 控制程序框圖

控制軟件包括初始化程序、自動定位剪切控制程序，程序框圖如圖5所示。每張板材分加速段、恒速段、減速段，到降速點，減速段按照APC定位模型控制，剪機剪完開始降落未落地前給出一個信號，PLC收到此信號清零，重新啟動下一張板材剪切周期，直到剪夠Z0張停止。

3.3 系統技術指標

開卷機機器人系統拆捆帶，鋼板厚度0.1 mm～5 mm，開卷機鋼板送料速度0 m/min～40 m/min連續可調，剪切速度自動適應。脈沖當量為0.05 mm/脈沖，定尺設定長度600 mm～6 000 mm,由HMI給定。定尺精度±0.5 mm。

4 結束語

本文研究改進的自動定位剪切控制模型、降速點計算模型，能充分發揮傳動設備的能力，剪切速度與開卷機自動適應，提高了全線速度和剪切效率。運行結果表明：剪切精度由原來的±2 mm提高到±0.5 mm。提高了板材剪切線的智能制造水平，具有示范作用。

圖5 自動定位剪切控制程序框圖