孔慶香

（江蘇江南電力有限公司，江蘇 南京210028）

1 研究意義及內容

1.1 研究意義

隨著鋼鐵化工、大型造船、核電站、航空航天、新能源汽車及高鐵運輸?shù)阮I域的迅速發(fā)展,對于各種外形、各種高精度、各種規(guī)格板材的需求隨之爆發(fā)式增長。卷板機的應用在國內已具一定的規(guī)模,整體制造水平也逐步得到提高。但國內現(xiàn)存的生產線上大多數(shù)卷板機控制回路還是通過普通繼電器控制，靠操作工通過不斷手動調整上輥及托輥的相對位置，配合點動操作使主軸正反轉，讓金屬板料在卷板機上來回運動，循環(huán)上述操作，直到加工成需要的成品。這種加工方式效率低、精度差，一致性難以保證, 已經遠遠不能滿足市場對數(shù)量與質量的要求。需要自動化的機器實現(xiàn)規(guī)?；I(yè)生產，提高生產的效率。

1.2 研究內容

本課題研究的主要內容是對傳統(tǒng)手動控制的三輥式卷板機進行自動化改造。將PLC 技術應用到卷板機上以實現(xiàn)其自動化控制，提高生產效率。本文從以下幾個方面對其進行了研究：首先，了解卷板機的種類、應用場合、功能以及卷板機的研究現(xiàn)狀，熟悉我們所研究的三輥卷板機機械結構和工作原理。然后，對卷板機進行電氣設計并且對電氣硬件進行了合理的選型，將電氣硬件進行正確的連接。最核心也是最重要的是根據卷板機的工作原理和工藝流程進行PLC 程序設計、調試。最終可以實現(xiàn)對卷板機的自動化控制以及得到一個友好的人機界面，使得操作更為簡單方便。

2 工作原理

上輥的上下及水平位移都設有數(shù)字式顯示裝置，因此操作上非常直觀，控制精準。上輥倒頭的翻轉及復位均通過液壓系統(tǒng)來執(zhí)行，上輥的平衡由卸料裝置來完成，保證卸料更為方便。兩個下輥為位置固定的主動輥，由驅動電機通過減速裝置減速后，再通過輸出軸齒輪將動能傳動至下輥兩端的從動齒輪上驅動下輥轉動，主減速裝置輸入軸前端裝配有制動裝置，當待加工板料被上輥和下輥夾住，摩擦力驅使板料運動，通過上輥、下輥與待加工板料間三個相接觸的切點構成一定的弧度，使待加工平板料彎曲，根據成品所需圓形半徑或弧形要求，通過上輥兩端液壓系統(tǒng)驅動調整上輥的上下行程來實現(xiàn)。上輥的水平行程由制動電機經一對V 型帶輪傳動至副減速裝置輸入軸，經減速系統(tǒng)兩側的輸出軸，通過聯(lián)軸器傳動給軸承座中的蝸輪，帶動蝸輪中的螺母旋轉，使絲桿及與之相連接的水平移動軸前后作水平位移，從而實現(xiàn)上輥的水平移動。在機器的翻倒側機架一端，設有一個翻倒油缸，當卷制工作結束后，上輥移動至中間位置并上下爬升到預定高度，翻倒油缸動作使翻倒側機架翻倒，卸下工件后，雙級油缸丙動作使翻倒側機架恢復，到此一個工作循環(huán)結束。[1]

3 整體電氣硬件布局及設計

從整個卷板工藝過程可以看出，需要電氣控制完成的功能包括[2]：

3.1 位移量控制。根據操作人員輸入的卷板弧線長度、弧線半徑、板材厚參數(shù)，控制器自動計算卷板機各個運動部件在不同卷制階段的理論位移量，例如一款機器是專為油罐車罐殼的，那么只要把狀態(tài)打到自動，找好開始原點，按下啟動，一次自動成型，做好后下料結束機器會自動復位到原點開始下一個產品。

3.2 上輥(卷板輥)升降位置控制。根據理論計算，控制下輥旋轉驅動電機(恒速度)、上輥橫向移動電機(在壓直邊時用)和升降液壓缸控制閥協(xié)調工作。

三輥卷板機工作過程中的運動部件主要有：上輥、下輥和翻倒側機架（上輥和下輥通常合稱為工作輥）。上輥執(zhí)行垂直和水平兩方向運動，垂直運動由安裝在固定側和翻倒側的液壓缸內的液壓油作用于活塞而獲得，為液壓傳動；水平運動由電機帶動圓弧齒圓柱蝸桿減速機執(zhí)行。下輥左、右轉動通過控制三相交流電機正、反轉來實現(xiàn)。翻倒裝置裝于翻倒機架一側，用于翻倒機架的翻轉及恢復，由油缸來執(zhí)行。[2]

根據控制要求再選用電氣產品，主要控制框圖如圖1 所示。

圖1 卷板機電氣控制框圖

根據本課題的具體設計要求，需要三根光柵尺。固定側和翻倒側各一根，用來檢測上輥兩端的位置。水平軸有一根，用來檢測輥前后移動的位置。觸摸屏主要進行卷板機動作操作，顯示上輥的上下移動及水平移動位移、卷板機的工作狀態(tài)以及報警。下輥旋轉編碼器與下輥同軸安裝，主要用來測量下輥選轉的角度，進而計算出卷板機已經卷制完成的卷板長度。PLC 是中央控制器，完成各種數(shù)據的采集與預處理功能，控制卷板機動作。

4 軟件與程序設計

4.1 軟件設計思路

表1 卷板機技術參數(shù)

根據控制系統(tǒng)的要求，PLC 軟件設計需要完成的功能有數(shù)據處理，上輥位置的實時動態(tài)顯示，上輥的同步下降及定位，下輥的轉動及與觸摸屏的數(shù)據通信。

圖2 卷板尺寸設計參考圖

4.1.1 卷板輥運動控制量的計算

本次設計所針對的卷板機是液壓三輥式卷板機，其技術參數(shù)如表1 所示。設計條件（單位mm）。需要卷取材料的弧線半徑為R（內徑）；板材厚度為X；下輥的半徑為r=145；兩輥的中心距的一半S=240；板材的下壓量為h；上輥原點距離下輥上平面的高度為L。幾何數(shù)學推導,根據圖2,得到：

4.1.2 PLC 輸入輸出點的分配

PLC 輸入點主要分配給三個光柵尺、編碼器及限位開關，為了實現(xiàn)在沒有觸摸屏的情況下可以實現(xiàn)手提操作，還分配了部分輸入點給按鈕實現(xiàn)手動。輸出點都是根據卷板機的工作原理進行分配的，其中有部分分配給狀態(tài)顯示燈用來顯示卷板機的工作狀態(tài)。

4.2 PLC 程序的設計

4.2.1 數(shù)字顯示程序的設計

數(shù)顯程序主要有兩個任務：一是通過光柵尺的位移量來計算出上輥的運行狀態(tài)和絕對位置；二是通過下輥裝的旋轉編碼器的角位移量計算出卷板已經被卷好的長度。在每次給PLC 通電運行，首次循環(huán)時必須將上次PLC 斷電時的上輥所在的狀態(tài)及時的顯示出來即顯示初始化，以便正確的控制上輥動作。

在上輥水平復位、翻倒側上升復位或固定側上升復位時對光柵尺脈沖計數(shù)的高數(shù)計數(shù)器的當前值應當及時復位，且初始值應為零。由于光柵尺是二倍的分頻，所以讀出的數(shù)值應除以2才是上輥移動的實際增量。

4.2.2 數(shù)值計算程序的設計

數(shù)值計算程序主要是根據用戶所設定的卷板的半徑、厚度、長度來計算出上輥下降的位移量和下輥需要轉動的角位移。

4.2.3 上輥水平移動程序的設計

在手動操作時，按下“上輥前移”或“上輥后移”按鈕，上輥將前移或后移。自動操作中按下“上輥水平復位”，上輥自動復位運行。

4.2.4 上輥同步下降程序設計

上輥下降主要由固定側和翻倒側下降來完成的，上輥自動下降或者手動控制同時下降時，翻倒側和固定側需要保持同步。上輥進、退同步是保障上、下輥和板料壓力一致的前提，也是保證卷板精度的決定性因素。為了保證上輥兩端的位移精度，分別在上輥固定側和翻倒側裝有光柵尺，同進、同退時根據光柵尺采集的信號及時反映上輥兩端位置，當兩端偏差超過精度范圍上限時，快的一端自動停下等慢的一端跟上，達到同步精度范圍下限時又自行啟動，從而保證上輥兩端允許的精度范圍內同步進、退。手動可以單獨控制固定側或翻倒側下降。

4.2.5 下輥轉動程序的設計

卷板機上輥到達所定位置后，下輥就開始正轉或反轉，利用工作輥之間的磨擦力，驅使板料運動，通過上輥、下輥與待加工板料間三個相接觸的切點構成一定的弧度使平板彎曲。帶動下輥轉動的三相電機為防止直接啟動時電壓過大而將電機燒毀，所以采用星三角啟動。

4.3 PLC 仿真調試

Cx-Programmer 是歐姆龍公司開發(fā)的適用于C 系列PLC 的梯形圖編程軟件，可以實現(xiàn)梯形圖的編程、監(jiān)視和控制等功能，尤其擅于大型程序的編寫。Cx-Simulator 軟件歐姆龍PLC 的模擬器，可以用來模擬仿真PLC。從Cx-Programmer6.1 版本開始，Cx-Programmer 和Cx-Simulator 軟件都是集成在CX-ONE 軟件中的。

PLC 程序用軟件仿真調試的結果基本達到了控制的要求。