（机械制造及其自动化专业论文）仿形数控飞锯机控制系统研究.pdf

摘要 本文讨论的仿形数控飞锯机，是飞锯的一种，也是普通飞锯机在电子、数字、计算 机、机械加工制造等技术支撑下的更为先进的产品。关键技术是机电一体化全自动数控， 以及对普通飞锯机机械结构进行优化设计、改造。应用于焊管生产线末端，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。此仿形飞锯机切割时锯片沿焊管表面切割一圈来切断焊管，在伺服电机驱动 下完成任意曲线路径的进给工作，能适应多种型号及断面的管型材。而且切割截面质量 好，切割精度高。 文中分析了仿形飞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，并且对选用的控制器t r i o - m c 2 0 6 作了简单介绍。对仿形飞锯机中锯车 控制系统和控制策略进行详细分析，并且对锯车在切割过程中出现的精度问题进行分 析，提出优化方法。根据仿形飞锯和运动控制器t r i o - m c 2 0 6 的特点，对控制系统中t r i o 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：数控仿形飞锯，自动控制，数控技术，p l c 技术 a b s t r a c t t h en u m e r i cc o n t r o lp r o f i l i n gf l y i n gs a wd i s c u s s e di nt h i st h e s i si sam o r ea d v a n c e d p r o d u c to ff l y i n gs a wb a s e do ne l e c t r o n i c ，d i g i t a l ，c o m p u t e ra n dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g i e s t h ek e yt e c h n o l o g i e sa r et h em e c h a t r o n i c s ，a u t o m a t i cn u m e r i cc o n t r o l ，t h et r a n s f o r m a t i o n s a n do p t i m a ld e s i g no ft h eo r d i n a r yf l y i n gs a ws t r u c t u r e t h ef l y i n gs a wi su s e da tt h ee n do f t h ec o n t i n u o u sp i p ep r o d u c t i o nl i n ea n di sr e s p o n s i b l ef o rc u t t i n gt h ep i p e i ti si m p o r t a n t e q u i p m e n to nt h el i n ea n di t sc a p a b i l i t yd i r e c t l yi n f l u e n c e st h ey i e l do ft h ep i p ea n dt h e b e n e f i to ft h ep i p ef a c t o r y i t sw o r k i n gp r i n c i p l ei st oc u to f ft h ep i p eb yt r a c i n gt h ep i p e s s u r f a c e ，c o m p l e t et h ef e e do fa n ya r b i t r a r yc h i v eu n d e rt h ed r i v eo fs e r v om o t o ra n dt h e r e f o r e ， i ti sa b l et ob ea d a p t e df o rm a n yk i n d so fp i p e sw i t hd i f f e r e n tm o d e l sa n ds e c t i o n s w h a t s m o r e ，t h eq u a l i t yo ft h ec u t t i n gs e c t i o na n dc u t t i n ga c c u r a c ya r eb e t t e r t h i st h e s i sa n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t so ft h e p r o f i l i n gf l y i n gs a w ，p u t sf o r w a r dt h em e t h o du s e dt oa c h i e v et h et e c h n o l o g i cr e q u i r e m e n t s ， c h o o s e st h es u i t a b l ec o n t r o ls y s t e ma n dg i v e sag e n e r a li n t r o d u c t i o no ft r i o - m c 2 0 6m o t i o n c o n t r o l l e r i ta l s oa n a l y z e si nd e t a i lt h ec o n t r o ls y s t e ma n ds t r a t e g yo ft h ef l y i n gs a wc a ra s w e l la st h ec u t t i n ga c c u r a c yi nt h ec u t t i n gp r o c e s s ，w h i c hi sf o l l o w e db ya no p t i m a lm e t h o d a s i m p l ed e s c r i p t i o no ft h et r i op r o g r a md e s i g ni nt h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e nw r i t t e na c c o r d i n g t ot h ef e a t u r e so fp r o f i l i n gf l y i n gs a wa n dt r i o m c 2 0 6 f i n a l l y ，t h ed e b u g g i n gp r o c e s si s a n a l y z e da n ds u m m a r i z e d k e yw o r d s ：n u m e r i cc o n t r o lp r o f i l i n gf l y i n gs a wm a c h i n e ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，c n c t e c h m o l o g y , p l c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天盗理工大学 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 1 学位论文作者签名：硷爻亢签字日期：0 罗年多月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨兰盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：专交蠢 签字日期：o7 年孑月弓日 导师签名：易臣刍华 签字日期： d 罗年弓月孑日 第一章引言 1 1 焊管行业简介 第一章引言 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n 3 。 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 ( e l e c t r i cr e s i s t a n c ew e l d ) 钢管代替无缝管和螺旋焊 管，在工业发达国家，直径在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旧3 。 1 2 仿形飞锯机功用 所谓的仿形飞锯机，是飞锯的一种，也是飞锯机在电子、数字、计算机、机械加工 制造等技术支撑下的更为先进的产品。关键技术是机电一体化全自动数控。以及对普通 飞锯机机械结构进行优化设计、改造。用于对连续运动着的焊管和冷弯型钢进行精确定 尺切断，是焊管及冷弯型钢生产线上的关键设备，对生产线的生产效率及产品的质量起 着关键的作用。主要性能参数有：定尺精度、定尺长度、单位时间内锯切次数、切口斜 度等，其性能的好坏，不仅对产品的质量、生产效率、生产成本及成品率等都有巨大影 响，而且对生产能否正常进行起着至关重要的作用口。 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，仿形飞锯机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。此外，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 飞锯的稳定运行对于整个生产效率的提高也具有至关重要的作用。 第一章引言 1 3 仿形飞锯机国内外发展现状 根据美国出版的( ( t u b ea n dp i p ej o u r n a l 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1 。 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由于锯切方式的落后，为了保证切削能力 的原因，往往把各电机的功率放大很多，从而使设备体积更为庞大，甚至于高钢级或大 直径已不能锯切，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。本项目中仿形飞锯机采用更为先进的 仿形铣切切割方式，控制系统亦采用全数字化。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。 国际上较为完善的自动控制飞锯机诞生在七十年代初，是以日本和德国为代表的 d d s 飞锯机和s t d 飞锯机，该飞锯机采用低惯量直流电机驱动，由于其随动控制系统采用 d a 、( d 转换及多环节的反馈调节，故电路复杂，稳定性差，调整和维修困难。随着伺 服技术的提高及伺服电机功率的增大，九十年代，世界上出现了伺服飞锯机，它的随动 控制系统采用数字量控制。与前一种飞锯机比较，它的能耗小，控制精度高，稳定性好， 提高了定尺精度嘲。 1 4 仿形飞锯机发展趋势 1 4 1 全数字化技术 目前，在国际上，基于p c 的开放式数控系统己得到广泛认可，具有强大的生命力， 经过几十年的发展，全数字化不仅包括数控单元到伺服接口以及伺服系统内部是数字 的，而且还应该包括测量单元的数字化。因此，现场总线、编码器到伺服的数字化接口、 驱动单元内部三环( 位置环、速度环及电流环) 数字化，是数控系统全数字化的重要标志。 从技术角度来看，全数字化是未来仿形飞锯机控制系统发展的必然趋势陆1 。 1 4 2 高速高精度控制的数控技术 在如今高速发展的机械制造技术行业中：高速、高精度已成为高档数控机床的主要 特征。速度和精度是数控机床的两个重要指标，也是仿形飞锯机的关键技术参数。它直 接关系到整条焊管生产线的n - r _ 效率和产品质量。主要包括：高速下的平滑控制( 通过 2 第一章引言 对运动速度、加速度、加加速度的优化，减少机床振颤使加工更加平稳，获得更高的 加工表面质量) 。提高系统的快速响应能力( 提高系统的快速响应能力不仅是高速加工 的前提，也是保证精度的有利措施) 等。 143 智能化控制 由于数控加工过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含加 工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，为实现加工过程的多目标 优化，先进的仿形飞锯机必须能根据切割条件的变化，基于多信息融合下的重构优化、 智能决策，实时动态调节工作参数使加工过程能保持最佳工作状态，从而得到较高的 加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高仿形锯片的使用寿命和设备的生产效率。 i 5 焊管加工工艺流程简介 本文研究的仿形飞锯机，应用于高频焊管生产线末端，因此现简要介绍此高频焊管 加工工艺流程”。 焊管加工工艺流程一般分为以下几个步骤：如图卜1 ： 移1 ；e ! ：! 兰! 竺竺l ! ! 外一i 二二：二：= ：羔娑羔= 二二二型 一- 。螬d 一一一 圈卜1 焊管加工工艺流程圈 开卷整平：由于焊管生产线原料是成卷的钢带， 然后进行整平处理，以便铣边及成形。 剪切对焊：钢带的首尾两端一般都是不平整的 首尾焊接起来进行下一道工序。 要对钢带进行加工必须先进行开卷 需要进行剪切，然后把两卷钢带的 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选用活套，利用活套 第一章引言 的进料及出料的速度差进行储料。 铣边：是修边装置，经过修边之后可以保证精确的该港工作宽度及光洁无毛刺的带 钢边缘，有利于提高管坯的成型质量，为高频焊管提供良好的条件，同时也减少轧辊的 磨损。 成型：根据不同的成型工艺要求利用轧辊将带钢挤压成圆形，且两边对齐。 焊接：焊管采用高频感应焊加热的方式，设有焊管温度自动控制系统，保证焊管温 度的稳定性，还设有内外毛刺清除装置，从而保证焊管内外表面质量。 超声波探伤：原料超声波及在线焊缝超声波探伤装置，对带钢分层和焊缝缺陷及内 外毛刺分别进行监测，焊缝超声波及管端超声波探伤装置，可以对每根钢管的全焊缝及 管端进行探伤检查。 热处理：水冷、空冷，焊接后面设有中频感应加热装置，对焊缝焊后进行热处理， 对焊后的焊缝及焊缝区得以重新加热到一定程度，然后进行冷却，以便消除焊管的残余 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，以便得到更高的强 度，韧性及其他性能阳3 。 定径：平立交错装置的定径机，对钢管进行有效的定径及校直，保证钢管的圆度及 直度。 切割：在不影响生产线运行的情况下，动态的切割焊管。传统的切割方式主要有： 冲剪式，滚切式，飞刀式，锯片式。仿形飞锯机的主要切割方式有x - y 形式及极坐标形 式，本工序是整个流程的关键工序，其切割能力，切割精度及切割效率直接影响整条生 产线的焊管加工精度以及加工效率等关键数据。 压扁试验：主要使按照要求利用压扁试验机对焊管进行钢管压扁试验，检验焊管的 抗弯曲性能，以保证焊缝的延性。 平头：利用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 加工精度及垂直度，有利于工地钢管对缝和焊接。 水压试验：利用水压试验机按标准或是用户要求对钢管进行水压试验，并且达到要 求的水压时间。 称重测长：利用称重测长装置精确的测量出每根钢管的重量以及长度。 由以上分析可以看出，仿形飞锯位于高频焊管生产线末端，是该生产线关键设备之 一，其性能好坏、运行的稳定性直接关系到焊管的成材率，亦直接关系到焊管生产厂家 的生产效益。 1 6 论文主要内容、设计及研究问题 本文主要阐述了仿形飞锯控制系统的设计和设备的选型：仿形飞锯中锯车的传动控 制和控制策略分析：控制系统中t r i o b a s i c 程序的设计和实现，主要阐述控制系统t r i o 运动控制器程序的特点、程序的实现方法以及控制系统的调试。本论文的主要内容如下： 第一章为引言部分，主要介绍了仿形飞锯机应用环境、其发展历程以及其目前国内 4 第一章引言 外发展现状 第二章为仿形飞锯的工作原理和工艺分析。本章主要分为两个部分，第一部分主要 介绍普通飞锯机的机械结和工作原理。列举出普通飞锯机切割方式并分别总结归纳其优 缺点。第二部分为仿形飞锯机机械结构及工作原理。对目前市场上仿形飞锯类型及各自 原理作出详细阐述，最后介绍仿形飞锯机切割过程流程。 第三章为仿形飞锯机随动系统运动分析及其切割精度控制。着重分析仿形飞锯机随 动控制系统，经过数学分析得出飞锯车运行各个阶段最佳运行曲线。同时也分析了飞锯 机在切割过程中的精度问题，并给出了分别从其传动系统传动模型以及机械结构两个方 面进行改良的方法。 第四章为仿形飞锯机控制系统。主要阐述仿形飞锯机控制系统工作原理，并且分析 控制系统的各功能部件的功能划分。简要介绍了该控制系统控制过程及其操作流程，并 简要介绍了p l c 技术的基本原理及特点等。 第五章为控制系统中t r i o 程序的实现。主要阐述控制系统中t r i o 程序的特点，和程 序的实现方法，根据应用中的典型例子作详细的说明。并且对运动控制器相关参数，t r i o 运动控制器编程软件，m o t i o n p e r f e c t2 运用做出相关阐述。给出本项目运动控制器的 共享程序、处理轴错误以及主程序。 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总线的调试方 法，及调试中需注意的几个问题。 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 、在对仿形飞锯的生产工艺，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飞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 、分析仿形飞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分析， 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 、在分析仿形飞锯工作规律的基础上，根据实际的工艺要求，编写运动控制器 t r i o b a s i 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。 1 7 实施特点 本文从焊管加工工艺入手，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，优化设备各部件的结构和运动特性。采用先进的自动 控制原理，通过t r i o 运动控制器对仿形飞锯机进行全程自动控制。从而使仿形飞锯机具 备高动态、高精度的特性，运动控制点之间的相应小于毫秒级。且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。 第二章仿形飞锯机工作原理 第二章仿形飞锯机工作原理 本章主要介绍仿形飞锯机的机构和工作原理，由于仿形飞锯机是由普通飞锯机发展 而来，关键技术在于改进了飞锯机切割部分及加入全自动数字控制等先进技术，故本章 首先阐述普通飞锯机机械结构及其工作原理阳3 。 2 1 普通飞锯机机械结构及其切割方式分类 普通飞锯机的主体机械结构示意图如图所示，有测长辊轮，床身，导轨锯车，夹紧 机构，切割机构。如图2 1 囝f 阿 ( 4 u 一 1广丹 r 2 1 图2 - 1 ：普通飞锯机械结构图 图中：1 为测长辊轮( 1 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 为纵向移动锯车：( t r a v e l i n gb a d ec a r ) ，3 为钢管固定加紧机构( h o r i z o n t a lc l a m p ) ， 4 为仿形飞锯转盘( t u r i n gb o a r d ) ，锯盘驱动( s a ws p i n d l e ) ，x 轴驱动( s a wf e e d e r ) ， 轴驱动( b o a r ds p i n d l e ) ，5 为出管导轨( 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，运行是压 住焊管的表面，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。 锯车是仿形飞锯的载体，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再锯切钢管时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。 6 第二章仿形飞锯机工作原理 夹紧机构，是在切割时夹紧焊管的机构，主要用于焊管的定位，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。 切割机构是飞锯机的关键部分，也是普通飞锯机以及全自动仿形飞锯机根本区别之 一。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。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：普通的锯片式飞锯机在锯切钢管时，除了对钢管的跟踪运动以外，锯片还 要做旋转和单向进给运动，用一张锯片一次锯断整根钢管， 因此锯片直径至少是最大 工件的3 4 倍以上，如图2 - 2 所示。优点是设备费用便宜，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n 训。( 普通锯片式飞锯外 观如图2 3 ：) 。 图2 - 2 ：普通锯片式飞锯机锯切原理示意图 图2 - 3 ：普通锯片式飞锯机外观图 7 第二章仿形飞锯机工作原理 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，而且切割断面的变形将加大后道工序的难度和材料的浪费。 2 2 仿形飞锯机工作原理 钢管数控仿形飞锯机，即是在锯片式普通飞锯机的基础上改进而成，同时安装2 - - 4 张锯片在各自的主轴上，围绕钢管均匀布置，每张锯片只需切透钢管壁厚，然后沿管壁 进行切割。所以不论钢管尺寸多大，锯片直径一般在3 0 0 m m 4 0 0 m m 之间。锯片多选用硬 质合金齿，国外也有用整体高速钢锯片，但不常用。每组锯片主轴除了能完成自转以外， 还要受多个伺服电机驱动，完成任意曲线路径的进给工作，它既能仿照圆形钢管的外圆 轮廓行走圆形轨迹，也能仿照方形、矩形钢管的外形行走分段直线形轨迹。每张锯片只 切透钢管壁厚进入管内5 m m - - - 1o m m ，切割整个钢管周长的1 4 1 2 。多张锯片同步公转 切断整个钢管，因而可以大大提高锯切效率。由于采用了较小的锯片直径，锯切功率消 耗可以大大降低，一般装机容量在5 0 k w 1 2 0 k w 之间，远低于同规格机组的普通飞锯功 率。由于锯切所用锯片为硬质合金镶齿或整体高速钢锯片，锯齿刃部磨出一定的切削倾 角，采用铣削加工的原理进行锯切，既可以提高锯片的使用寿命也可以大大改善钢管的 锯口质量1 。 采用多锯片铣削飞锯机，可以减轻大型机组的飞锯重量，使其定位跟踪的精度更容 易保证。钢管数控仿形飞锯锯切的工作原理如图2 4 所示： 2 3 仿形飞锯机类型 蛩2 - 4 ：仿形飞锯机锯切工作原理示意图 因为钢管数控仿形锯切技术在国外已有多年的应用历史，锯机制造技术已相当成 熟，目前主要生产厂家有日本中田公司美国a b b e y 公司、 德国s m sm e e r 公司等，锯 8 第二章仿形飞锯机工作原理 切机按仿形原理可分为极坐标仿形式和双柱直角坐标仿形式，都能适用于圆形、方形、 矩形钢管的仿形锯切。从2 0 0 3 年开始，国内陆续引进或自行开发研制的钢管数控仿形 锯切机，除了采用上述两种仿形方式以外，还自行开发了种分段直线式仿形锯切机， 专门用于方矩形钢管的锯切口羽。 2 3 1 极坐标式 该锯机主体结构为一个大型圆盘，中间有孔，可以让焊管穿过，整个圆盘由一个伺 服电机驱动，可以完成整体旋转( 也称锯片的公转) 。在圆盘盘体的径向安装2 - 4 条直 线导轨，导轨上各装组锯片主轴，每组主轴由一台电机驱动，并可无级调速，每条导 轨由一台伺服电机控制可沿径向运动，完成钢管的切透运动、钢管切透定位和仿形合成 运动。具体工作顺序是待每个锯片切透钢管以后，圆盘开始快速旋转，锯片沿钢管外 轮廓行走，切断整根钢管，最后锯片回到起始位置， 准备下一个锯切循环。该机型适 用于锯切各种断面的钢管，由于伺服电机通过数控系统控制，所以无需更换锯片，只 要调整数控程序就可满足使用要求。设备结构简图如图2 5 所示：极坐标式仿形飞锯外 观如图2 6 ： 织 皇 鳓， x盘 豫 l _ 迁丑璁身 驿砘丑一- 跫 藿 r 翻世夹鬟力 i。- 图2 - 5 ：极坐标式仿形飞锯机结构示意图 t 冲i康身摹筑 图2 6 ：极坐标式仿形飞锯外观图 9 第二章仿形飞锯机工作原理 2 3 2 直角坐标式 该机型的飞锯机主体结构为双立柱或四立柱门架形式，在每个立柱上分别安装横 纵直线导轨，在外导轨上各安装一组锯片主轴，每组锯片主轴由台电机控制，可调 速。每条导轨由一台伺服电机驱动，各台伺服电机由数控系统集中控制，各导轨上的锯 片可通过走横纵坐标合成出各种轨迹以适应不同截面的钢管锯切。一般的工作过程是： 两个锯片快速接近钢管，并直接切透它，切透深度可自行选择，然后两个锯片快速沿 钢管的外轮廓旋转运动，快速切断钢管。由于采用多组数控系统控制锯片行走轨迹，所 以使用一种锯片即可锯切方形、矩形、圆形钢管。设备结构简图如图2 - 7 所示： 2 3 3 分段直线式 图2 7 ：直角坐标式仿形飞锯机结构示意图 该机型飞锯机是普通直角坐标式仿形锯机的一个变形，它在原有两组横纵导轨的 基础上改装成单条布置的四条横向及纵向导轨，可同时安装四组锯片主轴，相隔9 0 。 分布，全机共用4 台伺服电机驱动锯片做直线锯切运动。因不能模仿工件的曲线外形进 行锯切，所以它只适用于锯切方形矩形钢管，功能较为单一。 2 4 仿形飞锯机应用范围 一般情况下，钢管数控仿形飞锯机用来锯切大中型e r i c 焊接钢管，所锯切钢管的规 格范围为( 2 1 9 - - 中6 1 0 m m ) 木( 4 - - - 2 0 r a m ) 圆管和2 0 0 m m * ( 2 0 0 - - 5 0 0 m m ) * 5 0 0 m m * ( 4 - - - - 2 0 m m ) 方矩形管。 由于锯片采用了硬质合金锯齿，所以能够锯切较高强度的石油天然气输送管，最 高钢级可达至u x s o ，最大钢管壁厚可达2 0 m m ，而这些是普通飞锯所难以胜任的n 觚。 l o 第二章仿形飞锯机工作原理 2 5 普通飞锯机与仿形飞锯机比较 2 5 1 机械结构方面 传统普通飞锯机，机械结构较为简单，设备费用也比较便宜，各种切割方式的锯机 都有其存在优点。但焊管切割定尺精度、锯片寿命、噪声、管端切割质量、毛刺等都存 在不少问题，更重要的是容易造成资源的浪费，也更加耗费能源。当切割大口径焊管时， 普通飞锯机更是无能为力j 容易造成切割截面斜坡现象，无法保证切割截面的垂直度。 更不利于连续生产。 而数控仿形飞锯机，采用多张锯片同步公转切断整个钢管，因而可以大大提高锯切 效率。由于采用了较小的锯片直径，锯切功率消耗亦可以大大降低，锯切采用铣削加工 的原理进行锯切，也可以提高锯片的使用寿命及改善钢管的锯口质量。另外采用多锯片 铣削的飞锯机，也可以减轻大型机组的飞锯重量，使其定位跟踪的精度更容易得到保 证。由于其具有较高的经济和社会效益，将会得到越来越广泛的应用u 引。 2 5 2 控制系统方面 传统飞锯机在其控制系统方面主要有以下三种控制方式： 1 、断电器一接触器控制 第一种控制方案是气缸驱动同步小车、继电器一接触器控制。此方案气源经济，气 缸速度快，但不易控制，定尺测量采用挡板推动行程开关控制，各工步用时间继电器控 制顺序和延时，工作时异步电机带动锯片旋转，气缸驱动小车后某一瞬时，夹紧机构 在焊管定尺点处将小车与钢管夹紧连为一体达到锯片与焊管的同步，再由气缸驱动落锯 抬锯机构完成锯切。紧接着夹紧缸松夹，锯车返回。由于时间继电器灵敏度和调整精度 都比较低，所以此方案所切焊管定尺误差较大，定尺精度一直在5 0 m m 的范围内波动， 不能满足用户的要求和国家标准( 2 0 r a m ) ，加上线路复杂，不易维修，目前我国焊管行 业仅有少许小厂还在使用这一方案，而只要有条件作技术改造和新设计的飞锯机，一般 都已淘汰此方案。 2 、微机控制 第二控制方案是直流电机经齿轮齿条驱动同步小车，微机控制。该方案是目前大型 轧钢厂广为运用的电脑适时自控的方案，由于其定尺精度取决于测速辊的采样周期，该 采样周期可取小到2 m s ，故它具有定尺精度高，设备可靠性高，结构简单，易于维修等 特点，电气设计和程序设计完全能满足复杂的工作时序需要等优点，投产后运行状况良 好，所切钢管品种规格多，精度高，效率高口副。飞锯机微机控制系统框图如下图2 - 8 ： 第二章仿形飞锯机工作原理 能n 光电瞰冲爱生罂l 高一蒌 设定 计算机挖材系麓 光电味冲 位置反馈 图2 - 8 ：飞锯机微机控制系统框图 謇2 3 、p l c 控制 第三种方案是气缸驱动同步小车，p l c 控制的方案。由于可编程控制器抗干扰、耐 振能力强、耐压性能好、运算速度快，能在0 , - - - 5 5 摄氏度的环境温度下工作。用它作为 控制单元，可以直接接受光电编码器、接近开关等外部元件的输入信号，而且可以直接 驱动电磁阀、数码显示管等器件同时，p l c 编程直观、方便，在现场调试中，能够根据 具体工况修改程序、调节参数，大大缩短调试周期，而其费用与采用继电器一接触器控 制系统大致相同。而在设备维护、稳定性能、抗干扰能力、造价等方面远远优于其他两 种方案，所以，p l c 方案控制飞锯机越来越被广泛运用。已经成为数控飞锯机主流控制 方案n 制。飞锯机p l c 控制系统框图如下图2 9 ： k 度设定蕴盘l 光电蕾码暑1 i光电墒码嚣2 ll 长近开光 llil i l 毫遗计t 暑 i ip l c 可螺丹控懈嚣 lli 图2 - 9 ：飞锯机p l c 控制系统框图 1 2 一可控硅装i 一圈车卤 i f 盏际 第二章仿形飞锯机工作原理 由于数字、电子、计算机等专业技术的飞速发展，相比较传统飞锯机而言，仿形飞 锯机在数字电子技术等条件的支撑下，其控制系统主要采用的控制方式为：专用型伺服 驱动( 内置运动控制器) + 伺服电机( 或异步电机) 形式。其中的专用型伺服驱动器是 将原来的运动控制器写成软件集成在伺服驱动器内，使“运动控制器”部分的故障率降 为零，极大的提高了飞锯机的锯切速度及锯切精度，控制技术也较原来单纯p l c 有了长 足的提高，增加了智能控制、柔性制造等现代制造技术。采用运动控制器+ p l c 技术也可 以极大的降低设备的维护成本，另外还具有造价低、供货快、服务及时等优势。 2 6 仿形飞锯机切割过程 飞锯机的切割过程以锯车为主体进行分析，整个切割过程如图2 1 0 所示的几个阶 段，分别为：锯车等待，锯车追踪焊管，夹紧机构夹紧，锯切，锯切机构返回，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 切割位置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 且和钢管切割截面同步时，夹紧机构夹紧，夹紧机构夹紧后，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，锯车回原点等待下一根焊管的切 割截面m 1 。 图2 一1 0 ：仿形飞锯机切割过程示意图 仿形飞锯在自动运行时的详细过程如下7 步所述： l 、锯车启动 锯车在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。如下 图2 1 1 ： 第二章仿形飞锯机工作原理 2 、夹紧机构夹紧 当锯车追赶上焊管的切割位置时( 同步) ，也就是锯车到达夹紧机构开始夫紧的位 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。如图2 1 2 ： 。 t 广i r 2 l1r 1 ；卜( il1 “li io ti ：一： i u 卜_ _ 图2 - 1 2 ：仿形飞锯切割过程夹紧阶段示意图 3 、切割开始 当锯车到达夹紧机构己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。如图2 1 3 图2 - 1 3 ：仿形飞锯切割过程切割开始阶段示意图 4 、切割结束 当锯车到达切割完成位置点时，表示切割己经完成，此时上位机将下发新的切割参数给 数控( 长度计数清零) ，以便切割下一根焊管，当数据下发完成后，就进入下一过程。 如图2 - 1 4 ： 1 4 第二章仿形飞锯机工作原理 图2 - 1 4 ：仿形飞锯切割过程切割结束阶段示意图 5 、夹紧机构松开 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。如图2 1 5 u ，硼卸事p o s i 虹叫 厂 硼 f 川 - 一n - 。- u j ：心l 工1 j 图2 1 5 ：仿彤乜锯切刮过崔夭紧机构松升阶段不葸图 6 、送出钢管并减速返回 当锯车到达夹紧机构完全松开的位置点时，仿形飞锯送出切下的焊管，并且给生产 线发送送出焊管指令：同时锯车减速并返回浮动原点。如图2 1 6 ： e e 咖l - o 蜘妇 r 1币习卜n i li 。i i l _ j k - jif ：i - - 图2 - 1 6 ：仿形飞锯切割过程送出钢管并减速返回阶段示意图 7 、回到原点 锯车根据下一根待切焊管的长度和生产线的速度，返回到原点，准备下一切割过程。 如图： 2 7 本章小结 本章主要介绍了仿形飞锯的机械结构和工作原理，介绍了普通飞锯机各种锯切方 式，并详细阐述了仿形飞锯机工作原理，比较了普通飞锯机及仿形飞锯机各自优缺点， 对传统飞锯机控制系统作出较完整的概述。并仔细分析了仿形飞锯的工作过程。 第三章随动系统运动分析及切割精度控制 第三章随动系统运动分析及切割精度控制 仿形飞锯机主要由两大系统组成：锯切系统及随动控制系统n 刚。其中，锯切系统在 前一章有着比较详尽的阐述，而仿形飞锯机随动控制系统主要控制目标参数之一就是其 切割精度控制，首先，必须了解仿形飞锯机的工艺要求及其实现方法。 3 1 仿形飞锯机工艺要求 仿形飞锯的工艺要求主要有如下几个方面： 1 、生产线的最大生产速度v 2 、在最大生产速度下切割的焊管长度 3 、切割的长度误差 4 、切割圆管的口径 5 、切割方管的边长范围 6 、焊管的板厚6 7 、割截面平整光滑，不能出现凹形字形截面。 根据以上的工艺要求，主要分为两个方面，其一在线切割速度和切割精度，其二为 切割的焊管管径幅度和切割截面的平整度。 3 2 工艺要求的实现方法 工艺要求的实现与许多方面都有着密切的关系，而不仅仅是与工艺要求有关。仿形 飞锯机，作为普通型锯片式飞锯机的改进形式。采用多锯片仿形铣切，无论是在切割速 度( 生产线最大速度) 、切割长度误差、切割焊管v i 径、方管边长范围、焊管壁厚，切 割截面的光滑程度等关键工艺要求上都得到了极大的提高，而仿形飞锯机采用的全自动 数字化数字控制技术，增加了飞锯机在线可调锯切能力( 采用锯车切断即返回模式) ， 更加有效的提高了飞锯机的锯切效率，更能有效的节省管材不必要的浪费。 1 6 第三章随动系统运动分析及切割精度控制 3 3 仿形飞锯机运动分析 3 3 1 运动过程分析 伺服飞锯机的拖动系统即飞锯车的运动可分为5 个阶段口9 1 ，如图3 - 1 所示： 。( cd冒 几f ，一 皇 、 图3 - 1 ：仿形飞锯机运动示意图 1 、等待段。图1 中a b 段，飞锯车静止在零位，当焊管相对于飞锯锯切点的伸出量 达到预伸值时，运动控制器发出指令，飞锯车启动，进人追踪段。 2 、正向追踪段。图1 中b c 段，飞锯车在数位同步追踪控制器的控制下，以s i n 2 口曲 线升速，且升速过程中随时监测焊管运行速度，以随时调整s i n 2a 曲线的斜率，以保 证飞锯车运行到c 点后正好加速到了与焊管同步，且焊管相对于锯切点的伸出量正好达 到设定值。追踪段的运动方程很重要，它直接影响到定尺精度，也影响到启动的加速度、 运行的稳定性及超调量的大小。 3 、正向同步段。图中c e 段，进人同步段后，飞锯车与焊管同步运行，相互之间相 对运动速度为零，焊管相对于飞锯机的伸出量便固定不变了，飞锯车进人同步段后，经 过一定的稳定时间后，在d 点开始锯切，与此同时，夹紧和锯切缸开始动作。从c 到d 的延时时间是由飞锯车的速度超调量所决定的，可在工作前通过测试决定。同步运行精 度对锯切质量影响较大，由于焊管运行速度的不稳定，要求跟随系统刚度要大，以保证 锯切焊管的定尺精度和切口质量，系统跟随刚度包括系统的反应速度、修正措施及抗干 扰能力。e 点是飞锯车同步结束的时刻，此时飞锯车已完成锯切任务，锯切缸恢复到原 位，飞锯车开始进人正向减速段，de 段飞锯机运行时间是由锯切周期所决定的。 4 、正向减速段。图1 中e f 段，飞锯车受制动，按s i n 2 口曲线减速运动，当速度降 至零时，转人反向追踪段。 5 、反向运行段。图1 中f g 段为反向加速段，g h 段为反向同步段，h i 段为反向减 速段。为了减少辅助时间，提高定尺精度，飞锯车可以高速返回，即在使最大加速度与 正向运行最大加速度相同的情况下，飞锯车的最大速度是焊管运行速度的k 倍，但正向 运行段和反向运行段所接受的脉冲数必须相同，当一个工作循环结束时飞锯机正好停在 零位，不存在二次运行的误差。 1 7 第三章随动系统运动分析及切割精度控制 3 3 2 确定各过程运动曲线 1 、正向追踪段。追踪段在向同步段过渡时会产生超调现象，超调量直接影响到定 尺精度，可见追踪段的运动曲线非常重要汹3 。从上面的叙述中可知，我们采用的是数控 技术，无论采用何种运动曲线，实际曲线都不能与理论曲线完全吻合，如图3 2 所示， f 越小，实际曲线越接近理论曲线。将整个追踪段分成2 5 6 个小段，每- - d , 段都相当于 接受了一个新的阶跃信号，当飞锯车加速追踪时，可把系统看成为二阶系统，由自动控 制原理可知，当二阶系统输人阶跃信号时，二阶系统对应的阶跃响应为： 口一 v ( t ) = ( 1 一 亍s i n ( w j + o ) ) 彳( r ) ( 3 一1 ) 、1 一毒 一忑 = l 一 2 = 口r c t g 掣 5 式中，善为系统的阻尼比；比为系统的固有频率；a ( t ) 为阶跃值。 图3 - 2 ：追踪段速度曲线 上图3 2 为二阶系统阶跃响应图，从图3 - 3 可以看出速度在平衡位置上振荡，超调 量随时间的推移越来越小。超调量的计算式为： 删= l f 意- - w is i n c 咐叫卜 分析公式3 - 2 , 当其它参数不变时， “ 乎夤位置 ( 3 - 2 ) a ( t ) 越小，超调量越小。 图3 - 3 ：二阶系统阶跃响应 由以上的分析可知，选择追踪段数学曲线时应使阶跃值a ( t ) 越来越小，这样方 第三章随动系统运动分析及切割精度控制 能保证超调量越来越小，当过渡到同步段时，不会引起过大的振荡，使焊管定尺精度提 高。等加速曲线如图3 - 4 所示，a ( t ) 值从头至尾一样大，不满足要求。 图3 4 ：等加速曲线 图3 - 5 ：指数曲线 指数曲线的a ( t ) 越来越小，超调量也越来越小( 如图3 - 5 ) ，对提高焊管定尺 精度是最为理想的曲线，其运动方程为： 厂1 s = y m = m x t i1 一亡( 1 _ e - i 。) i + x o t ( 3 3 ) l 用 j 式中y 为输人到伺服电机的脉冲频率，脉冲s ，m 为脉冲当量，m m 脉冲；x 为焊 管的测速脉冲频率，脉冲s ；k 为常数；t 为时间；s 、x o 为输人到伺服电机的初始 脉冲频率，脉冲s 。 ，= md ，y = 聊( x x p 一。h + ) = m x o e 一打) + 厅 ( 3 4 ) 口x 口：聊掣：脚k x e - 知( 3 5 ) 出 由公式( 3 - 3 ) 、( 3 - 4 ) 、( 3 - 5 ) 绘制的图形为追踪部分图形( 图3 - 6 ) ，但是该曲 线在起步时加速度过大，当焊管生产速度v o = 4 0 m m i n 时，追踪3 5 0 m m