（控制科学与工程专业论文）仿形铣切锯控制系统的实现与优化.pdf

摘要 摘要 本文讨论的仿形铣切锯是应用于焊管生产线的飞锯的一种，位于生产线的末 端，负责切断连续的焊管，是生产线中的关键设备，其性能的好坏，直接关系 到焊管的成材率，生产厂家的效益。此仿形铣切锯沿焊管表面切割一圈来切断 焊管，切割前根据焊管的类型规划好切割轨迹，切割时根据已规划的切割轨迹 进行切割。此仿形铣切锯能连续切割直径达2 4 英寸焊管的飞锯；能够在不更换 切割机构的情况下切割圆管和方管；而且切割截面质量好，切割精度高。 文中分析了仿形铣切锯的工作原理和工艺要求，提出了实现工艺要求的方 法，选用合适的控制系统，并且对选用的控制系统s i n u m e r i c8 4 0 d 作了简单 介绍。对仿形铣切锯中锯车控制系统和控制策略进行详细分析，并且对锯车在 跟随过程中出现的误差问题进行分析，提出补偿方法。根据仿形铣切锯和 s i n u m e 融c8 4 0 d 的特点，对控制系统中p l c 程序设计作了简要说明。 最后，对调试过程进行了分析与总结。 关键词：仿形铣切锯，飞锯，锯车，s i n u m e r i c8 4 0 d a b s t r a c t a b s t r a c t t h et r a c e - c o n t r o l l e dm i l l i n gm a c h i n ei sak i n do f f l y i n gc u t o f fu s e d a tt h ee n do f t h ep i p ep r o d u c t i o nl i n et oc u to f fp i p e b yt r a c i n gp i p es u r f a c e i ti si m p o r t a n t e q u i p m e n ta t t h el i n e ，a n di t s c a p a b i l i t y w i l l d i r e c t l y i n f l u e n c et h er a t eo fp i p e f i n i s h e d p r o d u c ta n dt h eb e n e f i to ft h ep i p ef a c t o r y m a r ko u tt h e c u t t i n g t r a c e a c c o r d i n g t op i p et y p eb e f o r e c u t t i n gp i p e ，t h e nc u tp i p ea c c o r d i n gt ot h ec u t t i n gt r a c e i tc a nc o n t i n u a l l yc u to f fr o u n dp i p eo r q u a d r a t ep i p ew i t h o u tr e p l a c i n gs h e a r i n g e q u i p m e n t ，w h o s ed i a m e t e ri su pt o2 4i n c h c u t t i n gs e c t i o ni sg o o d ，a n dc u t t i n g a c c u r a c y i sh i g h t h i sp a p e ro f f e r sam e t h o dt o i m p l e m e n tt h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t sa f t e r a n a l y z i n g o ft h e o p e r a t i n gp r i n e i p l e a n d t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s o ft h e t r a c e c o n t r o l l e dm i l l i n gm a c h i n e ，a n ds e l e c tt h ec o n t r o ls y s t e m ( s i n u m e r i c 8 4 0 d ) am e t h o dt o c o m p e n s a t et h ef o l l o w i n ge r r o ro fb a s ec a ri so f f e r e da f t e ra m p l y a n a l y z i n g i t sc o n t r o l s y s t e m a n dc o n t r o l s t r a t e g y t h ep l cp r o g r a mi sb r i e f l y i n t r o d u c e da c c o r d i n gt h et r a c e - c o n t r o l l e dm i l l i n gm a c h i n ea n ds i n u m e r i c8 4 0 d a t l a s t ，a n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n g t h ed e b u gc o u r s e k e y w o r d s ：t r a c e c o n t r o l l e d m i l l i n gm a c h i n e ，f l y i n gc u t o f f , b a s e c a r s i n u m e r 【c8 4 0 d i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交 论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全 部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 之巫三翌蟹 啉荜w 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：群聋驯 r 年础，7 & 粕 ， 1 第1 章概论 1 1 背景 第1 章概论 全长为中空而且长度与断面圆周长之比值较大的钢材称为钢管。钢管的断 面形状一般是圆的，但也有方形、矩形、椭圆形等多种异型钢管和变断面钢管。 钢管的规格用其外形尺寸( 如外径或边长) 和壁厚( 或内径) 表示，其尺 寸范围很广，从直径很小的毛细管到直径达数米的大钢管。钢管按生产方法可 分为无缝钢管和有缝钢管( 又称焊接钢管) 两大类。其中有缝焊管又分为螺旋 焊管和高频直缝焊管。 高频直缝焊管是将热轧卷板经过成型机成型后，利用高频电流的集肤效应 和邻近效应，使管坯边缘加热熔化，在挤压辊的作用下进行压力焊接来实现生 产的。高频电阻焊方法5 0 年代开始应用于焊管生产。近十年来，其生产技术日 趋完善，产品质量不断提高。近年来，各国都在积极研究用e r w 钢管代替无缝管 和螺旋焊管，在工业发达国家，直径在巾6 1 0 m m 以下，高频直缝焊管所占比例已 达到7 0 左右。在我国，大中口径高频直缝钢管出现于八十年代末九十年代初， 但发展异常迅猛，产品市场覆盖率越来越大，产品已进入石油、石化、天然气、 建筑、电力、矿山、煤炭、城市管网，建筑结构等工业领域。1 。 1 2 立项意义 1 2 1 应用环境及现状 所谓的仿形铣切锯，也是飞锯的一种，在连续运动的制管生产线中将钢管切 割成用户定制的长度。此类设备可满足石油、化工、市政、建筑、造船、军事 所需管料切割需求。在直缝焊管生产线中，仿形铣切锯作为最后的切断设备， 其切割精度对于钢管质量和生产时消耗锯片的成本具有非常重要的作用。而且， 由于锯片的成本在整个系统生产的费用中占有很大的比例，如何提高锯车的切 割长度精度和锯盘的切割轨迹精度就十分重要。仿形铣切锯的稳定运行对于整 第1 章概论 个生产效率的提高也具有至关重要的作用。 根据美国出版的t u b ea n dp i p ej o u r n a l ( 管材杂志) 中2 0 0 3 年度飞锯设 备采购指南，共列举的几十家公司中，日本和美国的两家公司所提供的飞锯的 切割能力最强。”。而且从宝钢选择2 0 0 4 年新直缝焊管生产线的招标对象中也可 以看出这两家公司在国际技术上市场上处于领先地位。其中日本某公司正是本 项目的合作对象，该公司主要提供高频焊管生产线中的成形机和飞锯，其强项 在于近百年的钢管加工设备的制造经验和先进的计算机仿真计算、优化能力， 使得设备使用效率高于同类产品。 从技术发展的方面来看，由于数字技术发展的制约，控制系统的能力达不到 要求，过去国内外飞锯设备特别是金属切断飞锯设备为了保证切削能力，往往 把各电机的功率放大很多，从而使设备体积更为庞大，而且无法根据工件材质 和生产速度优化切割轨迹和切割速度，仅按固定轨迹运行，也就无法保障昂贵 的锯片寿命。随着数控系统不断发展、完善、推广应用范围，原先使用机构固 定运动轨迹的设备，也开始采用数字化机构以替代机械机构，提高了设备的灵 活性、设计的效率和产品的竞争力。 本项目中飞锯控制系统即采用全数字化。引用大量高速同步控制方案，在 保证在大惯量物体高速运动过程同时达到路径和速度的精确控制。 1 2 2 实施特点 从钢管加工工艺入手，通过计算机分析锯车的运行规律和锯片、钢管、设 备的受力变形、高温变形和加工特性，优化设各各部件的结构和运动特性。采 用先进的德n s i e m e n s 最高档数控系统s i n u m e r i k - 8 4 0 d 完成实施控制。从设计到 实施都采用国际合作o d m ( o r i g i n a ld e s i g nm a n u f a c t u r e r ，原始设计制造商) 方式。 国际合作设计：日方负责工艺，我方负责控制、电气、软件。 先进控制平台：8 4 0 d 数控系统o d m 设计方式国内尚无应用于飞锯设备先例。 特殊控制对象：飞锯要求具备高动态、高精度特性，运动控制点之间的相应要 小于毫秒级。而且又要与大惯量台车运动紧密配合，保持最短的切割时间和最 长的刀具寿命。 第1 章概论 1 3 整线生产工艺流程简介 本文讨论的仿形铣切锯，应用于高频焊管生产线的末端，因此先简要介绍高 频焊管生产线的工艺过程。 焊管生产线一般包括如图1 1 所示几个工艺过程【4 】。 整平、切头尾、级剪、复卷储料 开卷、整平、切头尾、封焊、水平螺旋活套、铣边、板材探伤、成型机组、 高频焊机、焊接、去毛刺、在线超声波探伤 。、。一，一j 二一! 竺兰：! 兰：查竺竺! 兰：竺兰竺翌! ：竺兰竺：】竺 烁扁试验、修端、水压试验、自动超声波探伤管管探伤、外观检验、打标记、包装入库 图1 1 焊管生产工艺流程图 开卷整平：由于此焊管生产线的原料是成卷的钢带，要对钢带进行加工必须 先进行开卷，然后进行整平处理，以便铣边和成形。 剪切对焊：钢带的首尾两端一般都是不平整的，需要进行剪切，然后把两卷 钢带的头尾焊接，进入下一道工序。 活套：单卷生产无法提高生产效率，所以要提高生产效率，一般会选用活套， 利用活套的进料和出料速度差进行储存原料。 第1 章概论 铣边：是修边装置，经过修边后可以保证带钢精确的工作宽度和光洁无毛刺 的带钢边缘，有利于提高管坯成型质量，为高频焊接提供了良好条件，同时也 减少轧辊的磨损。 成型：按照根据不同的成型工艺要求利用轧辊把钢带挤压成圆形，而且两边 对齐。 焊接：焊接采用高频感应焊方法加热，设有焊接温度自动控制系统，保证 焊接温度的稳定性。还设有内外毛刺清除装置，保证了焊缝内外的表面的质量。 超声波探伤：原料超声波和在线焊缝超声波探伤装置，对带钢分层和焊缝缺 陷及内毛刺分别进行监测。焊缝超声波和管端超声波探伤装置，可对每根钢管 的全焊缝及管端进行探伤检查。 热处理，空冷，水冷：焊接后面设有中频感应加热装置，对焊缝进行焊后热 处理，并配有热处理温度自动控制和自动跟踪装置，对焊后的焊缝及焊缝区得 以重新加热到一定的温度，然后进行冷却，以便消除钢管的残余应力，消除淬 火组织，细化晶粒，使焊缝和近缝区组织性能均匀化，以得到较高的强度、韧 性及其它性能。焊后进行焊缝热处理是生产高强度焊管的必要手段。 定径：平立交错设置的定径机，对钢管进行有效的定径和矫直，保证了钢管 的圆度和直度 切割：在不影响生产线运行的情况下，动态的切割焊管。由于此焊管生产线 要求生产最大的焊管直径为6 3 0 m m ，因此只能用仿形铣切的方式进行切割。 压扁试验机，主要是按要求进行钢管压扁试验，检测焊缝抗弯曲性能，以保 证焊缝的延性。 平头机，实现对每根钢管两端进行坡口制作，可以保证钢管两端有较高的加 工精度和垂直度。有利于工地钢管对缝和焊接。 水压试验机，主要是按标准或用户要求的压力对每根钢管进行水压试验，并 达到要求的稳压时间。 称重测长装置，由计算机控制的钢管，可以精确地称量出每根钢管的重量和 长度。 由以上的分析可以看出，仿形铣切锯在焊管连续生产线的末端，是生产线的 关键设备之一，其性能的好坏，运行的稳定性直接关系到焊管的成材率，焊管 生产厂家的效益。 第1 章概论 1 4 论文的主要内容、设计与研究问题 本文主要阐述了仿形铣切锯控制系统的设计和设备的选型；仿形铣切锯中锯 车的传动控制和控制策略分析；控制系统中p l c 程序的设计和实现；控制系统 的调试。本论文的主要内容如下。 第二章为仿形铣切锯的工作原理和工艺分析。主要介绍仿形铣切锯的机械结 构和工作原理，并且通过其机构和工作原理的特点分析相关的工艺要求，得到 相关的控制要求，最后介绍如何才能达到这些控制要求。 第三章为仿形铣切锯控制系统的设计与选型。主要阐述根据仿形铣切锯的工 艺要求分析和选用适当的控制系统，并且分析控制系统的各功能部件的功能划 分。 第四章为仿形铣切锯的锯车传动控制系统的控制策略与实现。主要讨论锯车 传动部分的选型，控制策略和控制方法，轨迹规划，以及分析跟随误差的原因 和解决方法。 第五章为控制系统中p l c 系统的实现。主要阐述控制系统中p l c 程序的特 点，和程序的实现方法，并且根据应用中的典型例子作详细的说明。 第六章为控制系统的调试与分析。简要介绍了控制系统的调试过程和 p r o f i b u s 总线的调试方法，及调试中需注意的几个问题。 第七章为结论。主要对整个设计与调试仿形铣切锯控制系统的整个过程的总 结，得出过程中的得与失。 本文作者参与到项目研究，设计及调试的全过程中。在此过程中主要做了以 下几个方面的工作。 1 在对仿形铣切锯的生产工艺，操作流程，技术指标认真分析的基础上， 根据项目的实际情况提出仿形铣切锯的控制方案和系统的配置，并且参 与系统的选型与设计。 2 分析仿形铣切锯中锯车的运动规律，提出锯车的控制方案及其运行的轨 迹规划，并且对调试过程中出现的问题进行分析，寻求解决的方法。 3 在分析仿形铣切锯工作规律的基础上，根据实际的工艺要求，编写p l c 程序并且负责进行调试。 4 根据客户的需要，编写设计文档和设备的操作说明手册，以备培训设备 的最终应用客户。 第2 章仿形铣切锯的工作原理和工艺分析 第2 章仿形铣切锯的工作原理和工艺分析 本章主要介绍仿形铣切锯的机构和工作原理，并且通过其机构和工作原理的 特点分析相关的工艺要求，得出相关的控制要求，最后介绍如何才能达到这些 控制要求。 2 1 仿形铣切锯的机械结构和工作原理 文中讨论的仿形铣切锯是飞锯的一种，切割时沿着焊管的表面进行切割。根 据切割方式的不同，飞锯的机械结构和传动方式有很大的不同。 2 1 1 仿形铣切锯的机械结构 仿形铣切锯的主体机械结构示意图如图2 ，1 所示，有测长辊轮，床身，导轨 锯车，夹紧机构，切割机构。 ，厂雾机旷琴 厂切割机构。：菇圣 厂辙长辘轮，f 、 f i 厂悍管 高三荨葶pi 一 量工互 竺! ! ( 耳 阿 阿 母 u l f 2 ) 图2 1 仿形铣切锯示意图 第2 章仿形铣切锯的工作原理和工艺分析 l - 测长辊轮一l e a d i n gr o l l e rf o rd e t e c t i n gs p e e da n dt u b el e n g t h 2 纵向移动锯车t r a v e l i n gb a s ec a r 3 钢管固定夹紧机构一h o r i z o n t a lc l a m p 4 仿形铣切锯转盘一t u r i n gb o a r d 锯盘驱动一s a ws p i n d l e x 轴驱动一s a wf e e d e r 轴驱动一b o a r ds p i n d l e 5 出管导轨一r u n o u tt a b l e 测长辊轮安装在生产线的土耳其头( t u r k e yh e a d ) 前面的定形机架上，运行 时压住焊管的底面，由焊管拖动辊轮的转动。与测长辊轮同轴安装有一个增量 式编码器，用于测量焊管的进料长度。 锯车是仿形铣切锯的载体，夹紧机构和切割机构都被安装在其上，主要的作 用是使得切割机构和夹紧机构能和焊管保持同步运动，达到在运动的过程中切 断焊管。 供锯车往返运动的床身导轨，长度为l 。 夹紧机构，是在切割时夹紧焊管的机构，防止切割截面在切割过程中和锯片 有位置偏移，焊管的震动，提高切割截面的精度。 切割机构是仿形铣切锯的关键部分，这里采用了与传统飞锯不同的切割机 构。从焊管生产的切割方式分，传统的切割机构主要有：冲剪式，滚切式，飞 刀式，锯片式1 5j 。这几种切割方式的特点分别如下： 冲剪式：切割速度快，机械结构简单，但是切割后端部有轻微变形，特别是 切断材质较软的薄壁焊管时后端部变形严重，而且无法切割大口径焊管。 飞刀式：成品端面好，切割时间长，更换调整刀片较费时，切屑需要处理， 而且无法切割大口径焊管。 锯片式，设备费用便宜，机械结构简单，适用于异形断面钢材，但锯片寿命， 噪声，管端毛刺等都还有问题；当切割大口径焊管时，锯片巨大，容易造成切 割截面斜坡现象，无法保证切割截面的垂直度。 滚切式：比冲剪式速度慢，薄壁管切割时端面有变形，无噪声，无法切断大 口径焊管，同时无法切割方管，而且切割端面的变形将加大后道工序的难度和 浪费材料。 第2 章仿形铣切锯的工作原理和1 = 艺分析 仿形铣切锯是采用铣切方式切断焊管，类似于滚切式，但又和滚切式不同， 滚切式是通过高速旋转锯片挤压焊管来切断焊管，而仿形铣切锯是通过锯齿切 削焊管来切断焊管。仿形铣切锯的切割机构由锯盘，径向进给轴，锯片等组成。 切割时锯片沿焊管的表面切割一囤来切断焊管。其结构示意图如图2 2 所示。 这种切割结构的优点是当切割大口径焊管时，无需增大锯片的大小，只要根据 钢管的型号，规划好切割轨迹，切割时按照切割轨迹进行切割：无需更换切割 机构就可以切割不同大小的圆管和方管，而且切割截面质量高：但是控制要求 高，机械结构较复杂。机械3 n q - 精度要求高。 图2 2 切割机构示意图 2 1 2 仿形铣切锯的工作原理 给轴 转盘 仿形铣切锯的切割过程以锯车为主体进行分析，整个切割过程如图2 3 所示 的儿个阶段i b j ，分别为：锯车等待，锯车追赶焊管，夹紧机构夹紧，切割，夹紧 机构松开，锯车减速，锯车等待返回，锯车返回到原点等待下一切割过程。当 系统进入自动模式运行后，在切割第一根焊管时，锯车在原点位置等待焊管的 切割截面；当焊管的切割截面到达锯车启动点时，锯车启动并追赶切割截面； 当锯车追赶到切割截面并且和切割截面同步时，夹紧机构夹紧；夹紧机构兴紧 第2 章仿形铣切锯的工作原理和工艺分析 后，切割机构切割焊管；切割完成后，夹紧机构松开；夹紧机构松开后，锯车 减速；减速到零时，等待被切下焊管的重心到达出料导轨；切下焊管的重心到 达出料导轨后，锯车返回原点等待下一根焊管的切割截面。 一獬卦j 嚣黼h 埠熟h 焊戮h 埠热h 一 嚣善勰_ 卜一锯差蕃箍q 一一嚣喜髂卜_ _ 图2 3 切割过程示意图 仿形铣切锯在自动运行时的详细过程如下7 步所述。 1 锯车启动 6 m b a s ec a rs t r o k e s r a t i t l pp o s i h o l 一 汀 u m np o s i t i o n ：l n m tp o s i t i d r ；i 厂 亟 n u ll j _ j 图2 , 4 锯车启动 如图2 4 所示，锯车在浮动原点位置等待焊管的切割面，当焊管的切割面位 置到达锯车开始启动的位置时，锯车启动，开始追赶焊管的切割面；当锯车追 赶上切割面后，进入下一过程。 2 夹紧机构夹紧 第2 章仿形铣切锯的工作原理和工艺分析 l 厂l 丑 f 向 一n u ll h - j 图2 5 夹紧机构夹紧 如图2 5 所示，当锯车追赶上焊管的切割位置时，也就是锯车到达夹紧机构 ，r 始兴紧的位置，夹紧机构夹紧焊管，经过一定的夹紧过程延时后，系统认为 夹紧机构已经夹紧焊管，进入下一过程。 3 切割开始 图2 6 切割开始 如图2 6 所示，当锯车到达夹紧机构已经夹紧焊管的位置后，切割机构开始 切割焊管，当切割完成后，锯车到达切割完成位置点后，进入下一过程。 4 ，切割结束 图2 7 切割结束 第2 章仿形铣切锯的工作原理和工艺分析 如同2 7 所示，当锯车到达切割完成位置点时，表示切割已经完成，此时上 位机将下发新的切割参数给数控，以便切割下一根焊管，当数据下发完成后， 就进入下一过程。 5 夹紧机构松开 u ”h l 瓣p o s i t i o n i卜1 ：= ， 彳n i u ul r j 图2 8 夹紧机构松开 如图2 8 所示，当锯车到达夹紧机构开始松开的位置点时，夹紧机构松开 经过一定的松开延时后，进入下一过程。 6 送出钢管并减速返回 r e t u r np o s l 矗o n 刁 心n 一 pf 4 1 0 ) 第4 章锯车传动控制系统的控制策略分析与实现 4 电机选择 根据以上对电机功率和力矩要求的估算，结合现有西门子电机的型号选择合 适的交流伺服电机j 4 】，其主要参数如下表4 1 。 表4 1 电机参数 级数频率h z转速r p m功率k ws 4 0 功率转矩n m 45 01 5 0 01 0 01 3 66 3 6 4 2 3 驱动器的选型 根据电机的选择和控制器的选型，采用6 1 1 d 数字总线控制的驱动器，选用 和电机匹配的驱动器的额定电流为2 0 0 a ，其在工作制为4 0 时，最大的输出电 流为2 5 0 a 。 4 3 锯车运动的轨迹规划 锯车运动轨迹规划主要要计算出锯车返回的浮动原点，再按照具体的切割工 艺要求，规划出锯车开始追过焊管时焊管的切割位置，夹紧机构夹紧时锯车的 位置，切割开始时的锯车位置，切割完成夹紧机构松开时锯车的位置，锯车在 央紧机构松开后减速点的位置，及锯车停止的位置。 根据仿形铣切锯的机械设计和工艺要求，可得到的已知条件有： 1 焊管的切割长度l ( 栅) 。 2 ，床身导轨的长度f 。( 咖) 。 3 根据规划的切割机构的切割轨迹，得到切割时间7 0 ( s e c ) 。 4 根据夹紧机构的特点和机械设计厂家的经验，得到夹紧机构夹紧的时间 m 。( s e c ) 和夹紧机构松开的时间k 一# 。( s e c ) 。 5 根据设计提出的工艺要求，锯车的最大加速度为日( m m s e c 2 ) 。 6 锯车的返回速度。( m m s e c ) 。 7 锯车在原点的等待时间z 0 ( s e c ) 和等待返回的时间7 乙。( s e c ) 。 8 焊管生产线速度k 。 第4 章锯车传动控制系统的控制策略分析与实现 4 3 1 仿形铣切锯限制的生产线最大速度。， 由于仿形铣切锯采用的铣切方式切断焊管，所需切割时间相对较长( 对于冲 切式，滚切式等) ，而且锯片的工艺参数要求切割机构切割焊管时不能太快，否 则会降低锯片的寿命，增加生产厂家的运行成本，可是仿形铣切锯又处于焊管 连续生产线的末端，这样仿形铣切锯的切割速度必然会影响整条生产线的速度。 因为每种规格焊管所需的切割时间都不同，所以对整线的速度限制也有所不同， 提高整线的效率，这样就必须求出每种规格焊管对整线的限制速度。 根据对仿形铣切锯的工作过程的分析和以上已知参数，求出切割过程中的每 个过程的所需时间： 锯车加速追赶焊管所需时间艺。为： 瓦一扣：每坐 ( 4 1 1 ) 。一扣“一_ 4 锯车在切割完成后的减速时间乃一加。= 瓦觚。 锯车返回时的加速时间乃。为： l 一：k “m 舡 锯车返回时的减速时间乃。= 。 当切割长度为l ( m ) 时，假设生产线的最大速度为圪。 切断一根焊管所拥有的时间周期t 为： ( 4 1 2 ) ( m m s e c ) ，那么 丁：i 士 ( 4 1 3 ) 一p p 7 锯车在切割焊管时，跟随焊管一起前进的距离s 为： s = 。，+ ( 量笋+ 一。+ t 。+ 一。+ 堡产) ( 4 1 4 ) 由于床身轨道不是无限长，所以锯车跟随焊管一起前进的距离s 必须小于等 于导轨长度，o ( m ) ，即s - 0 ，所以切割时间周期的等式一定有解。 因为实际工作中，生产线的只能以正的速度生产，所以舍去负的解，只取正 解，因此仿形铣切锯限制的最大生产速度。一，( m m s e c ) 为： 。，= 尘篆型 ( 4 2 1 ) 把计算出的。，。值代入到公式4 1 4 得： s = v m a x _ p i p e * ( 字+ 屯m pc l o s e 4 t s 。+ t c l o m p _ o p e n + 墨产) ( 4 2 2 ) 判断由公式4 2 2 求出的s 是否满足s - l 。的条件。如果满足条件，求出的 k 。即为仿形铣切锯对整线的限制速度a 如果不满足必须延长导轨的长度乇， 或者降低允许的最大速度。一，或者减少切割时间k 。由于延长导轨的长 度，o 将否定原来的机械设计，将增加设备的成本和加工制造；减少切割时间z 0 将超出锯片的能力范围，影响锯片的寿命，增加设备应用厂家的运行成本；所 以只有降低允许的最大速度圪a x - m ，来满足设计的要求，即s ，。s 由公式4 2 2 代人可得如下公式4 2 3 ，再对公式4 2 3 采用二分法的方法求出满足条件的 。值来。 v m a xp i p e * ( 每等+ t c l a m pd o s e + + t c l a m p _ o p e n + 毕) 轧( 4 2 3 ) 第4 章锯车传动控制系统的控制策略分析与实现 432 锯车返回的浮动原点计算 当焊管被切断后，锯车就立即减速并且高速返回的话，切下的焊管的重心也 许还没有到到达出料导轨，这样焊管就有可能掉下，砸坏设备，所以锯车必须 在切割完成后，在床身导轨的术端等待，等到焊管的重心已经到达出料导轨后， 再高速返回，如果此时锯车还要返回到固定的原点，就将浪费返程时间，影响 切割效率，成为整条生产线提高生产效率的瓶颈。所以要提高飞锯的切割效率， 必须减少锯车的等待返回时间乙。和返程时间。a 其中有一种在出料辊 导前，仿形铣切锯的导轨上增加支架，当焊管腾空时用支架托住焊管，当锯车 要经过时，支架落下，这个方式的优点是在切割完成后，锯车就可以直接返回， 无需等待，其缺点是支架的控制复杂，故障率高，而且增加设备成本。所以我 们采用另外一种方式，锯车每次切割完成后，都前进到床身导轨的末端，因为 工艺要求切割的最短焊管是6 米，而锯车上的切割机构中心距离锯车两端面的 距离都是2 米，所以当锯车停在床身导轨末端时，切下的焊管的重心已经到达 出料辊导上，这样就不需要等待返回的时间z 0 。，提高了仿形铣切锯的效率。 锯车采用这种方式工作，如果还是返回到固定的原点，将浪费返程的时间，如 果计算好返回的浮动原点，就将节约这一段时间，可以把节约下来的时间用于 切割。 由于生产线的最大生产速度受到铣边机，成形机，焊机等设备的限制，所以 生产线的最大生产速度未必就是以仿形铣切锯对生产线的限制速度为基准。所 以假设生产线的设定速度为v 。一，那么就可以以生产线的设定速度v 求 出锯车返回的浮动原点位置。把v 代人到公式4 1 7 中，可以得到如下公式4 2 4 ， 求出生产线以速度为v 运行时，仿形铣切锯所拥有的最大允许切割时间 i 。俨 第4 章锯车传动控制系统的控制策略分析与实现 ，。= ( 軎一( 乙。+ 兀如。+ t l a m pc l o s e + 乙r a p o p e n + 乃扣。一+ 乙。，。 + 彳t ar e t u r n + 字，一忐c k 一一l a m po p e n + 1 t a + 知一， +1 1 二 p i 一 ( 4 2 4 ) 那么锯车返回的浮动原点位置s o 为s o = 三一s ，s 由公式4 1 4 代入得到公式 4 2 5 ，求得锯车返回的浮动原点瓯。 s o = l - v + ( 字+ 乙m p _ c l o s e + 乙_ p e r m i t + 屯m p _ o p e n + 竿) ( 4 2 5 ) 4 3 3 锯车运动轨迹规划 根据以上对仿形铣切锯对生产线速度限制和锯车返回的浮动原点的分析，首 先根据公式4 2 5 求出锯车返回的浮动原点墨，然后再规划锯车的运行轨迹。规 划锯车运行轨迹时，以焊管的切割截面为基准，锯车跟随焊管切割截面运行。 在轨迹的规划中，主要有如图4 3 所示的特征位置点，分别为浮动原点鼠，锯车 开始追赶焊管切割截面位置点最，锯车追赶到切割截面的位置点s ，切割开始 位置点s ：，切割完成位置点墨，锯车开始减速位置点只，末端停止位置点s 。， 各特征位置点的规划在如下各小节中详细说明。 0 点化幽! 传感器 末端位嚣传感器 图4 3 各特征位置点示意图 1 锯车在浮动原点s o 启动追赶焊管切割截面点昂 锯车在浮动原点s o 等待时，如果需要追赶焊管的切割截面，必须在焊管切割 第4 章锯车传动控制系统的控制策略分析与实现 截面还没有到达浮动原点位置时，锯车就必须启动。规划中焊管生产线的速度 为v ，其中v 。，根据锯车的加速能力，求出需要的加速时间l _ 。： 矿 疋m w = 二( 4 2 6 ) 日 那么锯车启动开始追赶焊管切割截面时，焊管截面的位置值为只： 1 异2 岛一矿+ 自一( 4 2 7 ) 2 锯车追赶到焊管切割截面时锯车的位置s 锯车从焊管切割截面位茕在只点时，开始以最大的加速度追赶焊管截面，那 么可求得锯车追赶上焊管切割截面时锯车的位置点s 。此位置点也是锯车上夹 紧机构夹紧的位置点。 s l = 瓯+ 三y 一一扣 ( 4 2 8 ) 3 切割开始时锯车的位置点岛 当夹紧机构在锯车追赶上焊管切割截面后，开始夹紧焊管，根据机械设计提 供的夹紧时间互帅一。，求得夹紧机构完全夹紧时锯车的位置点s ：，此点也是 切割机构开始切割时锯车的位置点。 s 2 2 s l + v + 一 ( 4 2 9 ) 4 锯车在切割完成后在轨道末端的停止位置点墨 根据设计要求，锯车在切割完成后都是停止在轨道的末端， 以停止点的位置s 值为： 砖= f o 5 切割完成后锯车开始减速时锯车的位置点蜀 然后再返回，所 r 4 3 0 ) 锯车停止位置点s 确定后，根据锯车制动的最大加速度口，求出锯车开始 第4 章锯车传动控制系统的控制策略分析与实现 减速时的位置点瓯，此点也是夹紧机构完全松开时的锯车位置点。 只= s ，一丢y * 乃一，0 一 ( 4 3 1 ) 6 切割完成时锯车的位置s ， 根据机械设计提供的夹紧机构所需的松开时间。一。，求出切割完成后夹 紧机构开始松开的位置点墨。 s ，2 s 4 一v + t h 一。 ( 4 3 2 ) 7 各特征位置点间锯车运行的轨迹规划 1 ) 锯车启动点到锯车追赶上焊管切割截面 这一段是锯车运行轨迹规划的关键，由于是按照锯车的最大加速能力设计的 锯车运行轨迹，那么就需规划好锯车和焊管切割截面的位置差，然后在这一段 时间内控制好这个位置差即可。考虑到s i n u m e r i c8 4 0 d 中n c u 的运行周期， 只取这段时间里的等时间片断划分的4 个点，求出各点对应锯车和焊管切割截 面位置对应关系。 2 ) 锯车追赶上焊管切割截面到锯车开始减速的轨迹规划 由于这一段要求锯车和焊管的切割截面位置保持同步，所以这一段锯车和焊 管切割截面的位置值相同。这一过程和前面的追赶过程中，n c u 中根据规划好 的轨迹参数表，建立焊管切割截面和锯车位置间的差补关系，运行时锯车由焊 管切割截面位置引导。 3 ) 锯车开始减速时到停车 锯车断开和焊管切割截面的引导关系，根据s i n u m e r j c8 4 0 d 的特点，锯 车会以最大的加速度停车。 4 ) 停车到返回浮动原点 锯车停车后，根据新的浮动原点位置，以最大的返程速度回到此点，继续下 个切割过程。 第4 章锯车传动控制系统的控制策略分析与实现 4 4 仿形铣切锯的传动控制系统 上一节中己经分析了锯车的控制方式和方法，这一节中将着重讨论锯车的传 动控制系统。 4 41 控制系统总图 锯车传动控制系统框图在数控s i n u m e r i c8 4 0 d 中的位置，速度，电流的 闭环控制如下图4 4 所示【1 5 1 。 图4 4 锯车传动控制总图 控制框图中有位置控制环，速度控制环，电流控制环三个环控制。其中位置 控制环的闭环控制器只有比例调节器，其参数为k 。，可以在机床参数中设定。丘。 的设定要求防止出现重大的轮廓偏移，然而，如果瓦值太大，会产生系统的不 稳定性，而且机械设备也不允许有这么大的增益。允许的最大k 。值取决于以下 三个因素； 1 ) 驱动器的动态性能。 2 ) 机械设备的品质。 3 ) 位置控制环的周期，其公式如下 k ：壁! ! l ： m m i n ” f o l l o w i n ge r r o r 【m m r 4 3 3 ) 44 2 锯车的跟随误差 根据上述公式，那么在允许k 。确定的情况下，就可以求得锯车的跟随误差 第4 章锯车传动控制系统的控制策略分析与实现 o l l o w i n ge r r o r 为： f d ，f o w f 馏e 。r = 望! ! ! ；等堡堕；( 脚m ) ( 4 _ 3 4 ) 根据驱动器的动态性能和机械设备的品质，优化锯车传动控制系统中k 。的 参数为0 7 ，那么生产线以最大的速度3 0 m m i n 运行时，系统的跟随误差将为： 肋f f o w f 增p 舢r = 茜“4 3 ( m 棚) ( 4 3 5 ) 锯车的跟随误差超出设计允许的范围。 4 4 3 跟随误差的消除 出现如公式4 - 3 5 计算的跟随误差，没有达到此仿形铣切锯起先提出的设计 误差要求( 0 - 6 m m ) ，所以我们在焊管切割截面刚好要和锯车建立起跟随关系时， 采用修改对应偏移量的方式，来达到消除跟随误差。在焊管生产线速度稳定的 情况下，切割的长度误差可以达到此仿形铣切锯的设计要求，但是在速度波动 变化时，仍然达不到0 - 6 m m 的误差要求。 4 5 本章小结 本章主要讨论锯车传动部分的选型，控制策略和控制方法，轨迹规划，以及 分析运用过程中出现跟随误差的原因和提出消除跟随误差的方法。 第5 章控制系统中p l c 系统的实现 第5 章控制系统中p l c 系统的实现 5 1s 7 3 0 0 编程初步 s 7 3 0 0 4 0 0 系列的p l c 是西门子公司推出的新一代大中型p l c ，是用于取 代原有的s 5 1 1 5 以上系列的产品，3 0 0 系列的为中小型p l c ，4 0 0 系列的为大型 p l c 。选用的s i n u m e r i c8 4 0 d 的n c u 模块中集成了一块s 7 3 1 4 c 2 d p 的p l c ， 主要用于n c k 中数控程序的调度协调控制，外围辅助逻辑和运动控制1 6 。 s 7 3 1 4 c 一2 d p 的主要技术性能： 开关量输入输出：1 0 2 4 d i 1 0 2 4 d o 模拟量：6 4 个通道模拟量 m e m o r yf o rl l s e r + b a s i cp r o g r a m ：2 5 6 k b y t e 通讯：m p i ，o p i ，p r o f i b u s t i m e r s ：1 2 8 个 c o u n t e r s ：6 4 个 m a x 1 e n g t ho f d a t ab l o c k ：1 6 k b y t e m a x b l o c kl e n g t hf c ，f b ：2 4 k b y t e p r o c e s s i n gt i m e b i t c o m m a n d s ( i o ) ：0 1 m s k a w o r dc o m m a n d s ：0 2 5 1 2 m s k a 编程语句：s t l ，f b d ，l a d 编程软件：s t e p 7 s t e p 7 是基于w i n d o w s 操作系统的一种编程软件，提供图形化的界面和编程 环境，如图5 1 所示。 p l c 编程主要有如下几步： 1 ) p l c 系统硬件组态：配置p l c 的机架，c p u ，i o 模块和i o 地址，配 置扩展机架等。 2 ) ，p r o f i b u s 网络组态：配置集成d p 的网络、网络地址，分布式i o 类型 和地址，d p 总线设备。 3 ) p l c 程序：编写p l c 的各种程序，模块( o b 、f b 、f c 等) 。 第5 章控制系统中p l c 系统的实现 图5 1s t e p 7 编程界面 s 7 系列p l c 引入了高级计算机编程语言的结构化思想，并且在p l c 编程中 得到运用，使得p l c 编程更加灵活和高效。s 7 的程序的组成包括： o b l ：( o r g a n i z a t i o nb l o c k 组织块) 用于循环程序处理的组织块，操作系统 循环调用o b l 并且用这个调用启动用户程序的循环执行。 o b l 0 0 ：( o r g a n i z a t i o n b l o c k 组织块) p l c 启动时调用，初始化系统。 f c ：f u n c t i o n 功能，属于自己编程的块。功能是“无存储区”的逻辑块。 f c 的临时变量存放在局域数据堆栈中，当f c 执行结束后，这些数据将丢失。 如果要将这些数据永久存储，功能也可以使用共享数据块。 f b ：f u n c t i o nb l o c k 功能块，属于用户自己编程的块，是具有“存储功能” 的块。用数据块作为功能块的存储器( 背景数据块) 。传递给f b 的参数和静态 变量存在背景数据块中。临时变量存在本地数据堆栈中。当f b 运行结束时，存 在背景d b 中的数据不会丢失；但是存在本地数据堆栈中的数据将丢失。 d b ：d a t a b l o c k 共享数据块，用于存放所有其它块都可以访问的用户数据。 第5 章控制系统中p l c 系统的实现 s f c ：s y s t e mf u n c t i o n 系统功能，集成在s 7c p u 中预先编好程序并通过测 试的功能。 s f b ：s y s t e m f u n c t i o nb l o c k 系统功能块，集成在s 7c p u 中的功能块，是操 作系统的一部分，不占用用户程序空间。 5 2s i n u m e r i c8 4 0 d 中p l c 的程序结构 p l c 在s i n u m e r i c8 4 0 d 中的程序结构如图5 2 所示，需要调用系统中的 些功能块，和一般的p l c 程序结构有细微的区别【1 刀。 图5 2s i n u m e r i c 8 4 0 d 中p l c 基本程序结构 第5 章控制系统中p l c 系统的实现 o b l 0 0 为p l c 热启动调用一次，一般用于初始化系统的初始设置。在 s 1 n u m e r i c8 4 0 d 中，要求调用f b l ( r u nu pb a s i cp r o g r a m ) 。调用f b l ，使 得在启动的过程中n c k 和p l c 保持同步，同时根据n c k 里设置的机床参数创 建n c p l c 的用户接口数据块。在用户程序区调用用户的初始化程序，初始化 系统的参数。 o b l 为系统循环调用o b 块，调用系统中需要循环处理的程序，在 s i n u m e r i c8 4 0 d 中要求调用f c 2 ( g ph p ) 。f c 2 为循环周期中完全处理 n c k p l c 之间的接口信号。为了最小化程序的运行时间，只周期性地传送控制 信号，状态信号；辅助功能和g 功能只有在n c k 请求时才传送。 o b 4 0 是s 7c p u 提供有硬件中断o b ，对于模板上的信号变化进行响应。 5 3p l c 系统中各种运行模式的控制 仿形铣切锯根据焊管生产线的特点和自身运行的情况，分