楊陽，衛(wèi)東東

(中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌330031)

隨著我國銅電解行業(yè)的快速發(fā)展，永久性陰極電解法工藝得到廣泛應(yīng)用，該工藝涉及使用到大量不銹鋼陰極板，不銹鋼陰極板市場需求量大[1-2]。在陰極板生產(chǎn)加工制造工序中，其中一道關(guān)鍵工序：開90。V型槽，陰極板底部V型槽加工若出現(xiàn)質(zhì)量問題，會降低銅電解工藝流程中的陰極剝片機(jī)組生產(chǎn)處理能力。

針對目前國內(nèi)陰極板生產(chǎn)加工V型槽主要采用數(shù)控銑床，銑床以銑刀旋轉(zhuǎn)運動為主運動，銑刀縱向進(jìn)給為銑削量調(diào)節(jié)運動，盡管數(shù)控銑床加工的V型槽加工精度方面滿足陰極板質(zhì)量要求，但是V型槽銑削加工效率較低，而且銑刀更換頻次高，導(dǎo)致陰極板加工聯(lián)動生產(chǎn)線整體產(chǎn)效率較低[3]。為此研發(fā)出一種新型陰極板V型開槽機(jī)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)全新設(shè)計的條件基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于數(shù)字運動控制器的伺服驅(qū)動技術(shù)、PLC系統(tǒng)和人機(jī)操作界面等組成的全自動V型開槽機(jī)控制系統(tǒng)，采用刨削加工方式生產(chǎn)陰極板V型槽，刨槽行走機(jī)構(gòu)由伺服驅(qū)動電機(jī)傳動同步絲桿，V型槽位置采用伺服數(shù)控定位刀具進(jìn)給量，刀具在開槽行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下，對陰極板底部表面進(jìn)行刨削直線往復(fù)運動[4]。

1 開槽工藝流程特點

本文設(shè)計的陰極板全自動V型開槽機(jī)聯(lián)動系統(tǒng)主要由搬運機(jī)器人、上料裝夾定位工作臺、新型開槽主機(jī)頭、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成。由搬運機(jī)器人將待開V型槽的不銹鋼板從上道工序轉(zhuǎn)運至開槽機(jī)的上料定位工作臺上，機(jī)器人放料離開至工作臺上方安全位后，發(fā)送開槽機(jī)裝夾定位指令，氣動系統(tǒng)中氣缸按順序動作將不銹鋼板定位至生產(chǎn)位置后，液壓系統(tǒng)油缸啟動工作，將不銹鋼板壓緊壓實，開槽主機(jī)機(jī)頭接收到物料裝夾到位和壓緊信號后，啟動開槽行走伺服電機(jī)和刨槽進(jìn)給伺服電機(jī)運動，按生產(chǎn)工藝要求，在人機(jī)操作界面上選擇開槽主機(jī)機(jī)頭往復(fù)運動次數(shù)和設(shè)定每次刨削進(jìn)給量，開槽機(jī)頭完成V型槽作業(yè)后，發(fā)送工裝放松啟動指令，等待工裝放松到位信號，自動發(fā)出取物料指令至搬運機(jī)器人前來取已開V型槽的不銹鋼板至下道生產(chǎn)工序。

根據(jù)陰極板V型槽加工工藝要求，V型槽的加工需在X和Y軸兩個方向上聯(lián)動協(xié)同控制，其中X軸方向代表刨槽行走方向，顯示V型溝槽的長度，Y軸方向代表刨削進(jìn)給方向，顯現(xiàn)V型溝槽的深度。為了降低生產(chǎn)人員人工操作強(qiáng)度，必須簡化參數(shù)設(shè)定，采用人機(jī)對話界面觸摸屏，監(jiān)視開槽機(jī)的運行狀態(tài)。開槽機(jī)的控制功能要求系統(tǒng)具備手動模式和自動模式，在手動模式，可以點動或連續(xù)動開槽機(jī)的相關(guān)裝置動作，可以任意調(diào)節(jié)刨削進(jìn)給深度和刨削長度。在自動模式下，按照系統(tǒng)工藝要求預(yù)先設(shè)定好的刨削長度，刨削起終點、開槽位置、每刀溝槽深度和刨削次數(shù)，刨削出符合要求的V型槽。如圖1所示開槽機(jī)刨削工藝示意圖。

圖1 開槽機(jī)刨削工藝示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

陰極板全自動V型開槽機(jī)控制硬件系統(tǒng)主要包括動力配電系統(tǒng)、二次控制回路系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、運動控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)、人機(jī)界面HMI系統(tǒng)、檢測傳感器和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。動力配電系統(tǒng)主要給開槽機(jī)整機(jī)提供動力電源，刨槽行走機(jī)構(gòu)和刨削進(jìn)給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)伺服驅(qū)動電機(jī)動力電源均采用交流AC220V的電源制式，由上端接觸器控制動力電源的分合閘；二次控制回路系統(tǒng)輸入/輸出電壓為DC24V，包括按鈕，旋鈕、中間繼電器和指示燈等二次回路均采用DC24V電源；PLC系統(tǒng)是整個開槽機(jī)的控制中樞系統(tǒng)，一切動作指令都由PLC系統(tǒng)發(fā)出，聯(lián)系著現(xiàn)場設(shè)備伺服驅(qū)動系統(tǒng)和人機(jī)界面觸摸屏；伺服驅(qū)動系統(tǒng)由運動控制器、伺服驅(qū)動器和交流伺服電機(jī)組成，X軸和Y軸各有一套；傳感器檢測單元分部在開槽機(jī)各個運動裝置上，配置有磁性開關(guān)、接近開關(guān)和光電檢測開關(guān)等傳感器，特別需要注意的是刨削行走X軸和刨削進(jìn)給Y軸，為了保證兩軸安全運行，需在每軸的兩端分別加裝一個接近開關(guān)，作為軸運動的極限保護(hù)位，防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)運行范圍超出，對設(shè)備和人員安全造成一定的威脅。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖和開槽機(jī)兩軸伺服電機(jī)電氣原理圖分別見圖2和圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 開槽機(jī)兩軸伺服電機(jī)電氣原理圖

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)工藝流程特點和硬件配置要求來進(jìn)行陰極板全自動V型開槽機(jī)的軟件設(shè)計，以便于電氣維護(hù)人員后期維護(hù)設(shè)備，采用子程序調(diào)用指令，IO地址映射區(qū)編寫成一個獨立的字子程序FC塊，負(fù)責(zé)輸入/輸出信號的采集和管理，手動子程序負(fù)責(zé)在手動模式下的開槽機(jī)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手動運行，自動子程序負(fù)責(zé)在自動模式下開槽機(jī)的運行邏輯運算控制，觸摸屏參數(shù)設(shè)定子程序負(fù)責(zé)PLC和HMI之間的數(shù)據(jù)傳輸、存儲和調(diào)用管理，故障報警子負(fù)責(zé)采集開槽機(jī)相關(guān)裝置的故障信息，并傳輸至HMI上進(jìn)行顯示監(jiān)控，在OB1中進(jìn)行調(diào)用各子程序FC塊。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

在觸摸屏上的人機(jī)界面HMI上開發(fā)如下畫面：主頁面用于展示開槽機(jī)整機(jī)操作界面，手動頁面顯示在手動模式的操作選擇點動或連續(xù)動，監(jiān)視等信息，自動頁面包括自動運行狀態(tài)顯示、自動啟動軟按鈕、自動停止軟按鈕等控制信息。參數(shù)設(shè)定畫面重要參數(shù)設(shè)定，管理和監(jiān)視等信息，對于一些關(guān)鍵工藝參數(shù)數(shù)據(jù)更改寫入，增加權(quán)限管理，防止操作人員對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的錯誤寫入。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于數(shù)字運動控制器的伺服驅(qū)動技術(shù)、PLC系統(tǒng)和人機(jī)操作界面等組成的全自動V型開槽機(jī)控制系統(tǒng)，現(xiàn)場生產(chǎn)試驗應(yīng)用表明，在進(jìn)行陰極板底部窄長表面加工V槽時，基于伺服控制的開槽機(jī)更具優(yōu)勢，加工的V型槽質(zhì)量和精度均符合銅電解工藝要求，且加工效率高，操作人員勞動強(qiáng)度大幅度降低，同時進(jìn)一步提高了不銹鋼陰極板加工聯(lián)動生產(chǎn)線的整機(jī)生產(chǎn)效率。