傅曉耕，馮瀟瀟

(農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125)

0 引言

隨著中國制造2025的先進制造基本目標的落實，機械制造業(yè)的發(fā)展面臨著巨大挑戰(zhàn)，高效率、高精度和低能耗成為了當今制造業(yè)的主題[1]。與此同時，大型板料的加工制造正在迅猛發(fā)展。大型板料的加工大都體現(xiàn)在下料或者整邊，剪板機是加工大型板料最常見的機械設(shè)備。剪板機的好壞一定程度上決定著板料加工的效率，因此，剪板機的研究逐漸受到國內(nèi)外諸多專家學(xué)者的青睞，并涌現(xiàn)出一些相關(guān)的研究成果。欒雪峰等人基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線對自動橫剪生產(chǎn)線進行了設(shè)計與研究[1]；王耀等人研究了液壓擺式剪板機，并對機架進行了相應(yīng)的有限元分析[2]；李軻等人基于RAM對剪板機的數(shù)控系統(tǒng)進行了模塊化開發(fā)[3]；王志勇等人研究了應(yīng)用集成技術(shù)在剪板機嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用[4]；佚名等人撰寫了剪板機技術(shù)未來發(fā)展趨勢[5]；張耀等人對剪板機數(shù)控系統(tǒng)進行了設(shè)計[6]；GustafssonE等人對金屬材料剪板機的程序進行了設(shè)計與仿真[7]；RameshR等人研究了斯沃數(shù)控系統(tǒng)的誤差追蹤控制[8]。雖然近年來對剪板機的研究逐年增多，但是，大都集中在剪板機的數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計，關(guān)于剪板機的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究仍未成熟，因此本文以剪板機為研究對象，基于數(shù)字技術(shù)對剪板機的電氣控制系統(tǒng)進行設(shè)計與研究，對剪板機電氣控制技術(shù)的發(fā)展有較強的指導(dǎo)意義。

1 剪板機工作原理及控制要求

隨著機械制造業(yè)的迅速發(fā)展，大尺寸的板料加工的效率將在一定程度上決定著機械加工整體效率。剪板機的主要作用是用于板料毛胚的下料或者板料的邊緣休整。剪板機的效率將決定著板料加工的效率，剪板機能否實現(xiàn)精確的板料加工主要取決于剪板機的控制系統(tǒng)的精確程度[9]。圖1為剪板機的工作原理。剪板機主要包括上、下刀架，上、下剪切刀具、刀具調(diào)整間隙機構(gòu)等主要部件。剪板機在執(zhí)行剪切工作時，上剪切刀固定在上刀架上，下剪切刀固定在下刀座上，剪切動作執(zhí)行時，通過調(diào)整剪切角和刀具間隙實現(xiàn)對被剪切板料的剪切。

圖1 剪板機工作原理

系統(tǒng)設(shè)置了7個限位開關(guān)，分別用于檢測各部分的工作狀態(tài)。其中，SQ1 檢測待剪板料是否被輸送到位。SQ2、SQ3 分別檢測壓塊B的狀態(tài)，檢測壓塊是否壓緊已到位的板料；SQ4 檢測剪切刀A的狀態(tài)；SQ7 為光電接近開關(guān), 檢測板料是否被剪斷落入小車；SQ5 用于檢測小車是否到位；SQ6 用于判斷小車是否空載。送料機構(gòu)E、壓塊B、剪切刀A和送料小車分別由4臺電動機拖動。系統(tǒng)未啟動時, 壓塊及剪切刀的限位開關(guān)SQ2、SQ3 和SQ4以及SQ1、SQ7均斷開。

傳統(tǒng)的剪板機大都采用液壓控制。結(jié)合超大型剪板機的實際加工要求，本文制定了基于數(shù)字技術(shù)的剪板機的基本控制要求，如圖2所示。

本文所設(shè)計的剪板機的控制模式包括：手動模式、自動模式和試剪切模式3種模式。3種模式各有特點，手動模式需要人為的調(diào)整剪切參數(shù)、剪板機參數(shù)及剪板機的剪切間隙等；自動模式時，剪板機將啟動剪切加工程序，并且根據(jù)剪切對象對剪切加工程序進行編輯；試剪切模式的設(shè)計主要為了避免剪切過程中改變剪切材料而導(dǎo)致的剪切加工誤差，試剪切主要起到能自動感應(yīng)被剪切材料是否更換，并且能及時對新材料進行試剪切[10]。

圖2 剪板機控制要求流程圖

2 剪板機控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)是剪板機實現(xiàn)精確高效工作的前提，控制系統(tǒng)的設(shè)計在剪板機的設(shè)計過程中顯得尤為重要。控制系統(tǒng)的控制方式有很多，但是目前比較常用的有單片機和PLC等方式，本文剪板機的控制系統(tǒng)的核心控制方式采用PLC控制。

圖3為剪板機控制系統(tǒng)的整體構(gòu)架圖?？刂葡到y(tǒng)主要包括：主控制單元、人機交互單元、輸入輸出處理單元、視覺檢測單元和伺服驅(qū)動單元等5大模塊。

圖3 控制系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

控制系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)主要為剪板機的控制提供保障，軟件系統(tǒng)主要保證剪板機的精確控制。對于電氣控制系統(tǒng)而言，硬件系統(tǒng)的設(shè)計主要是對控制電路進行設(shè)計，主電路是控制電路的核心部分。主電路的設(shè)計既要考慮主控制單元的控制，也要考慮人機交互單元與其他單元的協(xié)調(diào)控制[11]。

圖4為控制系統(tǒng)的主電路，主電路主要包括：總電源回路、主油泵電動機電源回路、控制器電源回路、直流電源回路和伺服電源回路。

圖5為剪板機的伺服電源回路，根據(jù)圖5可以看出：所設(shè)計的剪板機伺服驅(qū)動電源回路主要包含6個動作的驅(qū)動回路，分別是：剪板機車體的驅(qū)動回路、扳手送進出機構(gòu)回路、扳手轉(zhuǎn)角控制回路，左、右擋料電動機控制回路和刀具間隙的調(diào)整控制回路。

圖4 主電路

圖5 伺服電源回路

電力拖動是指對電動機的控制，采用繼電器-接觸器控制都有自己的基本控制電路。采用PLC控制也應(yīng)該有自己的基本控制環(huán)節(jié)，為此而提出電動機正反轉(zhuǎn)控制PLC設(shè)計討論，尋找其較好的控制方案。

電氣控制原理如圖6所示。圖6(a)、圖6(b)兩圖比較，不管是電器元件、觸點數(shù)量、連接導(dǎo)線的數(shù)量都是一樣的，分別是5只、9個、13條。按鈕連線也是6根，但圖6的按鈕和接觸器連線較集中。

圖6 繼電器-接觸器電氣控制

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

剪板機控制系統(tǒng)的軟件部分主要涉及伺服驅(qū)動控制部分。伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)主要包括：刀具間隙控制、后擋料控制和刀具變形量補償控制。刀具間隙和后擋料在剪切過程中的變化較小，但是刀具變形量隨著剪切使用次數(shù)的增加而增加，因此，準確地對刀具變形量進行補償就顯得尤為重要。

圖7為基于數(shù)字技術(shù)的剪板機的刀具變形量補償控制的程序圖。通過圖7可以看出：刀具變形量補償?shù)膱?zhí)行機構(gòu)主要包括：車體驅(qū)動機構(gòu)、扳手送進出機構(gòu)及轉(zhuǎn)角控制機構(gòu)3部分構(gòu)成，刀具變形量的補償也通過伺服驅(qū)動電機驅(qū)動上述機構(gòu)聯(lián)合進行刀具變形量的精確補償。經(jīng)過對刀具變形量補償機構(gòu)的驅(qū)動控制整改后，設(shè)計刀具變形量補償控制程序流程圖如圖8所示。

圖7 刀具變形量補償控制系統(tǒng)

圖8 刀具變形量補償控制程序流程

3 結(jié)語

以超大尺寸的板料剪板機為研究對象，基于數(shù)字控制技術(shù)對剪板機的電氣控制系統(tǒng)進行了設(shè)計與研究。首先，基于超大尺寸板料的特點和剪板機的工作需求，制定了具有手動模式、自動模式和試剪切3種模式的剪板機控制要求；其次，基于PLC控制方式對剪板機的控制系統(tǒng)的硬件進行了模塊化設(shè)計，并繪制了主電路和伺服控制電路；最后，考慮剪板機刀具的變形量對剪板機剪切精度的影響，制定了剪板機刀具變形量補償?shù)目刂瞥绦?。本文設(shè)計的剪板機電氣控制系統(tǒng)，將推動剪板機自動化控制的發(fā)展。