張 旭 陳倫樹 葛鮮玉 蔣恩昊

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

厚板鋁合金在淬火之后會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力使板材在機(jī)械加工時(shí)產(chǎn)生變形，同時(shí)殘余應(yīng)力會導(dǎo)致材料的疲勞斷裂敏感性增加，縮短使用壽命，甚至?xí)?dǎo)致材料報(bào)廢。為了提高鋁材質(zhì)量，必須消除由于淬火導(dǎo)致的板材殘余應(yīng)力。拉伸機(jī)用于鋁合金熱軋板材淬火后的預(yù)拉伸，以及對鋁板的拉伸矯平去應(yīng)力。

1 設(shè)備構(gòu)成及拉伸過程

1.1 設(shè)備構(gòu)成

拉伸機(jī)由移動拉伸頭、固定拉伸頭、拉伸缸、承壓梁和對中裝置等組成，如圖1所示。拉伸缸的一端柱塞頂在移動拉伸頭上，拉伸缸的另一端柱塞與承壓梁聯(lián)接起來，固定拉伸頭通過鎖緊銷鎖緊在承壓梁上。

1.2 拉伸過程

當(dāng)拉伸板材時(shí)，移動拉伸頭和固定拉伸頭裝置分別夾緊板材的兩端。拉伸缸通壓，拉伸缸一端壓力直接傳遞給移動拉伸頭，移動拉伸頭將該力傳遞給板材。拉伸缸的另一端壓力通過承壓梁傳遞給固定拉伸頭，固定拉伸頭將該力傳遞給板材。當(dāng)拉伸力克服了板材的屈服力，板材就被拉長，從而實(shí)現(xiàn)板材的拉伸和矯平。

2 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)及軟件應(yīng)用

2.1 硬件組態(tài)

拉伸機(jī)控制系統(tǒng)在現(xiàn)場地面和機(jī)械設(shè)備上布置了若干ET200M遠(yuǎn)程站?？刂破髯鳛橄到y(tǒng)邏輯運(yùn)算和程序存儲、運(yùn)行的核心部件，遠(yuǎn)程站作為傳感器信號采集和各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作輸出的集中分配樞紐，二者共同組成了拉伸機(jī)控制系統(tǒng)的核心。主控制器和各遠(yuǎn)程站之間使用Profibus-DP總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠。硬件組態(tài)如圖2所示。

1—固定拉伸頭裝置 2—承壓梁裝置 3—移動拉伸頭裝置4—軌道 5—回程缸 6—拉伸缸 7—對中裝置 8—緩沖裝置圖1 拉伸機(jī)設(shè)備構(gòu)成圖Figure 1 Device constitutes of stretching machine

2.2 軟件應(yīng)用

PLC編程軟件采用SIMATIC STEP7控制編程軟件，上位機(jī)組態(tài)采用SIMATIC WinCC 7.0軟件，HMI人機(jī)接口設(shè)計(jì)采用WinCC flexible觸摸屏操作軟件。控制軟件相互之間有很好的系統(tǒng)兼容和銜接拓展性能，能夠極大地提高工程師的設(shè)計(jì)效率，簡化工人的操作步驟。

3 設(shè)備動作流程及程序控制方式

3.1 設(shè)備動作流程

設(shè)備動作流程為：開始→寬度對中→高度抬升對中→移動端寬度對中打開→移動頭前進(jìn)→移動頭夾鉗夾緊→固定頭寬度對中打開→移動頭帶斜前進(jìn)→固定頭夾緊→升降缸下降→拉伸→泄壓→升降缸上升→固定頭夾緊→移動頭帶斜后退→固定頭寬度對中夾緊→移動頭松夾→移動頭后退→結(jié)束。

圖2 PLC硬件組態(tài)圖Figure 2 Configuration of PLC hardware

3.2 程序控制方式

拉伸機(jī)主要有手動、半自動、自動三種工作方式。手動方式實(shí)現(xiàn)單個機(jī)構(gòu)的獨(dú)立操作，具有少量的安全保護(hù)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)完全在操作人員的人工點(diǎn)動下運(yùn)行。半自動方式是一部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連續(xù)動作，完成一定的功能，如對中控制、固定頭位置調(diào)整控制等。自動方式具有一定智能性，在啟動拉伸程序后，拉伸機(jī)各機(jī)構(gòu)按照一定的程序流程和設(shè)定參數(shù)，自動完成鋁板拉伸的全部動作。

4 主要控制技術(shù)

4.1 伺服閥參數(shù)整定

電液伺服閥具有動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，是構(gòu)建液壓伺服控制系統(tǒng)的核心元件。由于伺服閥驅(qū)動板出廠設(shè)置參數(shù)是固定的，要根據(jù)不同的系統(tǒng)做出相應(yīng)調(diào)整，才能充分發(fā)揮伺服閥的特性。因此必須對驅(qū)動板的控制參數(shù)進(jìn)行整定。通過對伺服驅(qū)動板的參數(shù)進(jìn)行整定，消除了閥體噪音和震動，保證閥芯的快速響應(yīng)和高精度。參數(shù)整定前的階躍響應(yīng)曲線見圖3(a)，參數(shù)整定后的階躍響應(yīng)曲線見圖3(b)。

4.2 拉伸缸速度、拉力和位置控制

拉伸機(jī)的拉伸力由左右兩側(cè)的拉伸缸提供，拉伸缸能否按照設(shè)定的參數(shù)要求完成拉伸動作，關(guān)鍵取決于對拉伸缸的速度、力和位置的控制。精準(zhǔn)的運(yùn)行速度是拉伸缸平穩(wěn)的關(guān)鍵因素，對拉伸力的限定是板材拉伸保護(hù)的關(guān)鍵，拉伸力保護(hù)響應(yīng)不及時(shí)，有可能突破被拉伸板材的最大拉力允許范圍，造成板材斷裂。拉伸位置同步控制是板材良好成形、消除應(yīng)力和彎曲變形等的關(guān)鍵。

為了達(dá)到以上控制目標(biāo)，滿足設(shè)備運(yùn)行要求，對拉伸缸的控制采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。內(nèi)環(huán)采用執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身的壓力和開角反饋控制，外環(huán)采用位置反饋控制。控制系統(tǒng)框如圖4所示。

(a)參數(shù)整定前(b)參數(shù)整定后圖3 階躍響應(yīng)曲線圖Figure 3 Step response curves

圖4 控制系統(tǒng)框圖Figure 4 Block diagram of control system

控制器類型KpTiTdP 0.5Kcr∞0 PI 0.45Kcr5Pcr∕60 PID 0.6Kcr0.5Pcr 0.125Pcr

4.3 控制方法

拉伸機(jī)系統(tǒng)采用PID控制，通過調(diào)整PID控制器中Kp、Ti和Td的值，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。系統(tǒng)采用基于臨界增益Kcr和臨界周期Pcr的齊格勒-尼科爾斯調(diào)整法則，該控制法則給出了PID控制的公式和相關(guān)參數(shù)的確定方法。

Gc=Kp(1+Td+1/Ti)

參數(shù)Kp、Ti和Td可以根據(jù)表1中給出的計(jì)算方法確定。

圖5 拉伸力-時(shí)間曲線圖Figure 5 Tension-time curves

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的特征和現(xiàn)場實(shí)際情況，采用PI控制，最終拉伸缸PI整定Kp=0.95，Ti=4 s。圖5與圖6分別為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的拉伸力和位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)曲線圖，由Matlab軟件繪制。從圖5和圖6可以看出，拉伸機(jī)左右兩側(cè)拉伸缸在拉伸力和位置控制方面都滿足設(shè)計(jì)提出的控制精度要求，達(dá)到了較好的效果，保證了拉伸鋁板的質(zhì)量。

圖6 位移-時(shí)間曲線圖
Figure 6 Displacement-time curves

5 結(jié)論

該控制方案和控制方法應(yīng)用在大力神30 MN拉伸機(jī)上，有效地解決了鋁板拉伸過程中的壓力、位置、速度等關(guān)鍵參數(shù)的控制和快速響應(yīng)，保證了整個拉伸機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。系統(tǒng)的有效運(yùn)行提高了生產(chǎn)效率，簡化了人工操作步驟，也為其它類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)控制提供了可以借鑒的參考。