本文敘述的“鋼板定尺剪切機床”是一種簡稱，實際上是由四個分部組成的組合機床，全稱為“(金屬卷板)開卷、校平、縱橫剪切、落料生產(chǎn)線”(參見圖1)。作者采用三菱變頻器、三菱PLC、三菱觸摸屏和歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器等器件，組成生產(chǎn)線的自動控制系統(tǒng)，在兼顧橫剪精度和生產(chǎn)效率的前提下，利用PLC的高速計數(shù)功能和變頻器的多段速控制功能，有效地控制校平輥和壓輥的啟動、運行、降速、爬行和準(zhǔn)確停車，從而實現(xiàn)了金屬板材的高效自動定尺剪切。整個自控系統(tǒng)的造價僅為交流伺服系統(tǒng)造價的1/6～1/5，不失為一種高性價比的定位控制系統(tǒng)。
鋼板定尺剪切機床自控系統(tǒng)的配置
鋼板定尺剪切機床自動控制系統(tǒng)配置如圖1所示，設(shè)備清單如下。
圖1 鋼板定尺剪切機床自動控制系統(tǒng)配置
(1) 校平機變頻器：三菱FR-A540-30K-CH(多功能矢量控制型)；
(2) 校平機變頻器配套制動單元和制動電阻：加能電子ICP-DR-1s制動單元、23Ω/3kW制動電阻；
(3) 輸送機變頻器：三菱FR-E540-2.2K-CH(簡易矢量控制型)；
(4) PLC：三菱FX2N-32MR-001(輸入16點、輸出16點)；
(5) 觸摸屏：三菱F930GOT-BWD-C(4.4英寸、STN藍白屏)；
(6) 旋轉(zhuǎn)編碼器：歐姆龍E6H-CWZ6C(中空軸型、分辨率：2500p/r、集電極開路輸出、24VDC)。
鋼板定尺剪切機床自控系統(tǒng)關(guān)鍵器件的選型及安裝
1 校平機變頻器及配套器件的選型
校平機電氣拖動的作用主要是驅(qū)動校平軋輥運動，其阻力矩等于軋輥和鋼板之間的摩擦力和軋輥半徑的乘積。在這里，軋輥的半徑是恒定不變的，摩擦力的大小也與轉(zhuǎn)速無關(guān)，這是典型的恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性，因而選用三菱FR-A540-30K變頻器。三菱A540型變頻器除了具有先進的磁通矢量控制特性外，還具有多段速控制功能、“柔性脈寬調(diào)制”功能和調(diào)速范圍寬等優(yōu)良特性。
因三菱原裝的制動單元和制動電阻價格較貴，故外配深圳加能電子公司采用加拿大技術(shù)生產(chǎn)的器件，其電阻能耗制動單元具有短路保護、全電壓自動跟蹤、全程噪聲過濾、使用普通電阻等功能和特點。
2 PLC和旋轉(zhuǎn)編碼器的選型
三菱FX2N型PLC是FX系列小型PLC中運算速度最快的機型：每條基本指令運算速度為0.08μs,每條應(yīng)用指令運算速度為1.52至幾百μs。作者為另一臺剪切機床配置自控系統(tǒng)時曾采用過FX1N型PLC，其每條基本指令的運算速度為為0.55~0.7μs,每條應(yīng)用指令運算速度為3.7至幾百μs。與FX1N型PLC相比，F(xiàn)X2N型PLC運算速度快，指令豐富，其控制的機床剪切精度也較高。因此，這類有快速響應(yīng)要求的系統(tǒng)應(yīng)盡可能地采用運算速度較快的PLC。
FX2N型PLC內(nèi)置多個高速計數(shù)器。根據(jù)系統(tǒng)具體情況，選用頻率30kHz的A-B相型雙計數(shù)輸入的C251計數(shù)器。C251計數(shù)器不僅提供計數(shù)信號，還提供計數(shù)的方向：利用旋轉(zhuǎn)軸上安裝的A/B相型編碼器，在機械正轉(zhuǎn)時自動進行加計數(shù)，反轉(zhuǎn)時自動進行減計數(shù)。編碼器的旋轉(zhuǎn)方向也有正反符號：若將PLC的X0、X1與編碼器的A相、B相相連，面對軸心順時鐘旋轉(zhuǎn)計數(shù)為正，逆時鐘旋轉(zhuǎn)計數(shù)為負。這個系統(tǒng)在安裝編碼器時正好使計數(shù)值為負，于是將PLC的X0、X1輸入點改為與編碼器的B相、A相接線端相連，鋼板前進時計數(shù)數(shù)值為正值。其次，PLC的高速計數(shù)器的運行建立在中斷的基礎(chǔ)上，這意味著事件的觸發(fā)與掃描周期無關(guān)，大大地提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度—當(dāng)計數(shù)當(dāng)前值與預(yù)置數(shù)值相等時，PLC的輸出點能快速地控制變頻器的定位運行。
旋轉(zhuǎn)編碼器型號采用歐姆龍E6H增量式中空軸型。它不需要彈性耦合器的連動軸，可直接用螺桿螺母與下壓輥軸心硬連接，編碼器機身則用支架固定在下壓輥的軸承座上。E6H-CWZ6C型號中分辨率最高等級為3600p/r，價格也最貴�？紤]技術(shù)經(jīng)濟等多方面因素，采用分辨率為2500p/r的規(guī)格。也曾試用過同型號的2000p/r編碼器，因分辨率差一個等級，整機性能也受到影響。
鋼板定尺剪切機床控制的特點及PLC編程
1 鋼板定尺剪切機床控制的特點和對策
與交流伺服系統(tǒng)不同，變頻器和三相異步電機不可能在高速運行狀態(tài)下迅速停車，必須有一個降速和低速爬行的過程，才能保證定位點的準(zhǔn)確(參見圖2)。
圖2 變頻器定位運行降速控制規(guī)律
另外，鋼板剪切的長度與毛巾平網(wǎng)印花機的花色間距不同，它不是定值，而是從幾十毫米到數(shù)千毫米不等，因此不可能采用同樣的運行速度和同樣的降速爬行距離。否則，變頻器的定位停車會處于一種無序狀態(tài)，剪切精度和生產(chǎn)效率也不能得到平衡和兼顧。
針對機床的上述特點，我們采用如下對策：將鋼板校平運行速度分為6檔，將鋼板定尺長度與速度對應(yīng)，再根據(jù)校平速度摸索出降速爬行距離經(jīng)驗數(shù)據(jù)。所有鋼板的爬行速度固定為0.4m/min(參見附表)。為了防止誤操作可能帶來剪切次品和廢品，在PLC中編寫相應(yīng)程序：在機器啟動前，必須根據(jù)加工對象并按照附表數(shù)據(jù)在觸摸屏上進行速度設(shè)定，否則將無法開機(參見圖3)。觸摸屏上速度啟動鍵采用PLC中的“一般用輔助繼電器”(M0－M499)。畫面中的虛線框是指示燈，當(dāng)選中了下方某一速度時，其虛線框內(nèi)變成藍色。
圖3 校平機速度選定的觸摸屏畫面
附表中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)儲存在PLC的“停電保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器”(D200～D511)中，并且可以在觸摸屏上隨時修改原數(shù)據(jù)和保存新數(shù)據(jù)，停電后數(shù)據(jù)也不會丟失(參見圖4、圖5)。
附表 鋼板運行數(shù)據(jù)表
圖4 爬行距離設(shè)定的觸摸屏畫面1
圖5 爬行距離設(shè)定的觸摸屏畫面2
因為是用于矯正校平，加之縱剪橫剪同時啟動時，鋼板最高25m/min的運行速度完全可以滿足生產(chǎn)需要，而以20m/min的速度使用頻率最高。從運行的情況看，這種分段處理的方法以及經(jīng)驗數(shù)據(jù)是行之有效的。
2 鋼板定尺剪切機床的PLC編程
(1) PLC的高速計數(shù)器指令
這是定尺剪切機床PLC程序的核心，也是變頻器定位控制的關(guān)鍵。FX系列PLC有三條相關(guān)指令：高速計數(shù)器置位指令HSCS、高速計數(shù)器復(fù)位指令HSCR和高速計數(shù)器區(qū)間比較指令HSZ。曾選用FX1N型PLC，故只能采用其高速計數(shù)器復(fù)位HSCR指令，用C251計數(shù)到的下降沿復(fù)位Y0輸出點，進而斷開變頻器的正向啟動端使其停車，但是由于其下降沿時間過于短促，捕捉信號時不夠穩(wěn)定，后改用FX2N型PLC，采用其獨有的32位的DHSZ(Zone compare for High Speed Counter)指令。
PLC程序見圖6。程序中M8002是初始化脈沖輔助繼電器； X007是橫剪機的下死點行程開關(guān)； RST是復(fù)位指令； ZRST是區(qū)間復(fù)位指令； M10是單次/連續(xù)工作條件； M8000是常通輔助繼電器； D10是可賦值的總脈沖數(shù)； D14是可賦值的降速爬行點距定位點的脈沖數(shù)(參閱下節(jié))。此外，圖7中的PLC的Y0輸出點與變頻器正向啟動端STF相連； PLC的COM1與變頻器的輸入公共端SD相連。
圖6 高速計數(shù)器區(qū)間比較指令應(yīng)用程序
圖7 PLC控制變頻器運行的時序圖
以變頻器次高速40Hz運行為例，DHSZ指令比較輸出的動作如下：(參見圖6、圖7)
當(dāng)D14＞C251當(dāng)前值時，M200 ON；
當(dāng)D14≤C251當(dāng)前值時，M201 ON—Y2、Y3接通，使變頻器RH、RM端接通，開始降速爬行；
當(dāng)D10＜C251當(dāng)前值時，M202 ON—Y0斷開，變頻器正向啟動端STF斷開，變頻器停機。
(2) 長度—脈沖數(shù)換算的PLC程序
鋼板長度—脈沖數(shù)換算采用正比例運算方法：即先計算出2000mm長度的理論脈沖數(shù)，再用所設(shè)長度與之進行正比例運算，求出每一長度對應(yīng)的脈沖數(shù)。具體程序如下：
圖8所示程序，實際上是做了兩個比例運算和一個減法運算：
圖8 長度—脈沖數(shù)換算的PLC程序
D410(觸摸屏設(shè)定2000mm對應(yīng)脈沖數(shù))/2000mm=D10(總脈沖數(shù))/D420(觸摸屏設(shè)定長度mm)；
D410(觸摸屏設(shè)定2000mm對應(yīng)脈沖數(shù))/2000mm=D12(開始降速脈沖數(shù))/D52(觸摸屏設(shè)定降速長度mm)；
D10(總脈沖數(shù))-D12(開始降速脈沖數(shù))=D14(降速爬行脈沖數(shù))。
這樣處理的優(yōu)點是便于修正數(shù)據(jù)，以提高變頻器定位精度。圖9觸摸屏中的“#####”的“停電保持?jǐn)?shù)據(jù)寄存器”就是D410。例如：我們在試車驗收時，剪切了幾十塊鋼板，發(fā)現(xiàn)所有的鋼板全部超長約2mm，這說明剪切精度較為穩(wěn)定，僅僅是2000mm的理論脈沖數(shù)與實際脈沖數(shù)有誤差，可以用很簡便的方法予以修正。
圖9 脈沖比例調(diào)整的觸摸屏畫面
已知E6H編碼器分辨率為2500p/r，根據(jù)理論計算：直徑100mm的壓輥行走2000mm需要15924個脈沖，即1mm的行走約需8個脈沖。由于壓輥機械加工等因素的綜合誤差使得鋼板超長2mm，需減少8×2=16個脈沖即總數(shù)為15908才符合實際情況。在圖9所示的觸摸屏上對D410(#####)賦值15908后，再行試車，剪切誤差均在1mm以下，符合設(shè)計要求。
機床經(jīng)過長時間的生產(chǎn)使用后，壓輥也會有磨損，也會產(chǎn)生誤差，這時只需對D410進行修正即可。另外若需更換更高精度的編碼器，也只需要修改D410的賦值。因D410數(shù)據(jù)不需要隨意變更，故對觸摸屏“脈沖比例調(diào)整”畫面設(shè)置了密碼予以保護。
變頻器多段速的設(shè)置和制動方法
1 變頻器多段速的設(shè)置
已知電動機為4極，轉(zhuǎn)速為1470r/min，減速機減速比：20/1，壓輥直徑100mm，輥速78.5r/min。根據(jù)計算，校平時鋼板運行的6檔速度對應(yīng)變頻器的頻率為50Hz、40Hz、30Hz、20Hz、10Hz、0.8Hz。按此設(shè)置變頻器多段速運行頻率參數(shù)：高速Pr.4為50Hz； 中速Pr.4為40Hz； 低速Pr.4為30Hz； 4段速Pr.24為20Hz； 5段速Pr.25為10Hz； 6段速Pr.26為0.8Hz。
硬件的接法為： PLC的Y2、Y3、Y4與變頻器的高速RH、中速RM、低速RL端相連； PLC的COM1、COM2與變頻器的輸入公共端SD相連。從圖10可知：當(dāng)Y2、Y3、Y4分別接通(ON)時，變頻器頻率分別為50、40、30Hz； 當(dāng)Y3、Y4同時接通時，變頻器頻率為20Hz； 當(dāng)Y2、Y4同時接通時，變頻器頻率為10Hz； 當(dāng)Y2、Y3同時接通時，變頻器進入0.8Hz爬行狀態(tài)直至停車。
圖10 變頻器6段速度組合控制圖
2 校平機電機制動方法
根據(jù)系統(tǒng)實際情況，制動分為兩個階段：在降速和開始爬行時采用“制動單元”和“制動電阻”進行所謂“動力制動”，即三菱技術(shù)資料稱之的“再生制動”；在爬行過程中，采用直流制動(即DC制動)。兩者配合使用，使系統(tǒng)既能快速制動，又可以準(zhǔn)確停車。
當(dāng)校平機電動機開始減速時，電動機處于再生發(fā)電制動狀態(tài)。傳動系統(tǒng)中所儲存的機械能變成電能并經(jīng)變頻器中的逆變器回饋到直流側(cè)。此時的逆變器處于整流狀態(tài)，中間回路的濾波電容器的電壓會因吸收這部分能量而提高，產(chǎn)生泵生電壓。當(dāng)電壓值超過上限值約690V時，制動單元電路導(dǎo)通，電流流過與濾波電容器并聯(lián)的制動電阻，從而將電能變成熱能消耗掉，泵生電壓隨之下降，待到設(shè)定下限值約680V時斷開。繼續(xù)采樣泵生電壓，制動單元將重復(fù)導(dǎo)通和截止，使系統(tǒng)完成動力制動。在此過程中，IPC-DR型制動單元和配套的制動電阻功不可沒：它采用自動電壓跟蹤方式，反應(yīng)時間在1ms以下，動作電壓為直流690V，誤差2V，表現(xiàn)非常出色。
在電動機進入爬行階段的過程中，當(dāng)變頻器的頻率低于DC制動動作頻率時，變頻器將啟動DC制動功能，向異步電動機的定子線圈注入直流電，產(chǎn)生動態(tài)制動(Dynamic Brake)效果。此時，輸出電壓將逐漸下降到DC制動電壓。經(jīng)過短暫延時，開始DC制動動作時間計時。這時變頻器輸出頻率降為零，電動機的定子磁場停止旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動著的轉(zhuǎn)子切割靜止的直流磁場而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)因而準(zhǔn)確停車。
與DC制動相關(guān)的變頻器參數(shù)設(shè)置如下：設(shè)定“DC制動動作頻率”Pr.10為0.8Hz；“DC制動動作時間”Pr.11為0.3s；“DC制動電壓”因為電動機是變頻電機的緣故，Pr.12設(shè)為2%。
試制經(jīng)驗總結(jié)
在制作電控柜時，務(wù)必將校平機變頻器的操作面板經(jīng)延長線連接到柜體表面，便于調(diào)整變頻器參數(shù)，也便于隨時觀察變頻器頻率的變化：若爬行時能穩(wěn)定地顯示0.8Hz數(shù)值,說明鋼板運行數(shù)據(jù)設(shè)置合理；若0.8Hz的數(shù)值顯示轉(zhuǎn)瞬即逝，鋼板極有可能超長等等。配合觀察觸摸屏的“當(dāng)前行走長度”(參見圖11)變化，可以較快地摸索出鋼板運行的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，有利于提高剪切精度。
圖11 長度設(shè)置及長度監(jiān)視的觸摸屏畫面
鋼板剪切機床采用變頻器控制定位有多種應(yīng)用方案，其中有一種方案是：“在送料長度的最后20個脈沖下降到最低速度。在停止送料時，對長度當(dāng)前值進行判斷：若大于預(yù)定值10個脈沖，則使電動機反轉(zhuǎn)；若小于10個脈沖，則進行制動；若在±10脈沖之內(nèi)，則進行剪切�！边@個方案有一個較大的缺陷，就是忽視了精密機械零件的加工難度和成本，定位控制最忌諱電機反轉(zhuǎn)也緣由于此。因為一般非精密加工的傳動機械零件如齒輪、蝸輪等，其回程間隙(背隙)可能大于剪切公差，若電動機反轉(zhuǎn)時進行齒隙補償，其補償量不易把握，頻繁進退也嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率；若采用精密齒輪，其造價往往大于自控器件的造價。作者曾為瓦楞紙板印刷機的8軸伺服運動控制系統(tǒng)配置減速比10：1、背隙≤3弧分的精密行星齒輪減速機，其價格比配套的同功率三菱伺服電機還貴。
另外還有機械電磁抱閘制動方案。這種方案要精確計算抱閘交流接觸器的觸點閉合行程、抱閘閉合行程所花費的時間以及期間行走的脈沖數(shù)，計算起來難度不小，要達到一定的剪切精度亦非易事。這個方案的缺點是沒有充分挖掘、利用變頻器的優(yōu)良特性。
結(jié)束語
本文敘述的解決方案總結(jié)了以往的經(jīng)驗和教訓(xùn)，有其“精度效率兼顧、數(shù)據(jù)修正方便、配置實用合理”等特點。以常用規(guī)格—橫剪一塊厚2mm、長2000mm鋼板為例，從啟動校平到剪切完畢，次高速40Hz運行約5s，降速爬行約50s，整個運行時間約55s，連續(xù)自動運行1h能夠加工60多塊鋼板，誤差1mm以下，達到了預(yù)期的目標(biāo)。但是，從以上數(shù)據(jù)也可以看出，降速爬行占據(jù)了絕大部分運行時間，這是導(dǎo)致效率低的主要原因，這也就是變頻器定位控制的不足之處和交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越之處。盡管如此，變頻器定位控制仍有其特定的市場需求，在目前經(jīng)濟條件下有其一席之地，應(yīng)用領(lǐng)域也有待拓展。
