水平下調(diào)式三輥數(shù)控卷板機(jī)的設(shè)計

　　卷板機(jī)是建造海上石油采集平臺和生產(chǎn)壓力容器所必須的設(shè)備。它的功率很大 ,一般在幾十千瓦 ,所以生產(chǎn)廠家大多采用交流電機(jī)作為驅(qū)動控制部件 ,采用手工操作。這種方式加工效率低 ,且加工精度難以保證 ,已不能很好地滿足現(xiàn)代市場對產(chǎn)品加工速度和質(zhì)量的要求 ,因而必須對卷板機(jī)進(jìn)行數(shù)控化改造 ,以適應(yīng)市場對卷板機(jī)加工效率和精度的要求。雖然該廠卷板機(jī)實(shí)現(xiàn)了NC控制 ,提高了加工效率和精度 ,但是實(shí)際使用中還存在一些問題 ,例如 :系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高 ,同步精度不高 ,及加工效率和精度不能完全滿足一些加工單位的要求等。根據(jù)廠家的要求 ,我們對卷板機(jī)進(jìn)行了數(shù)控化改造。本文結(jié)合W11X130 0× 10水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)的改造 ,提出了卷板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)IPC + PMAC(ProgrammableMulti -AxesController)的設(shè)計方案 ,并對驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了全液壓伺服設(shè)計 ,用數(shù)控系統(tǒng)直接控制液壓系統(tǒng)。1　卷板機(jī)的結(jié)構(gòu)、卷板工藝過程及建模1 1　卷板機(jī)的結(jié)構(gòu)W11X130 0× 10水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)是該廠生產(chǎn)的中型卷板機(jī) ,如圖 1所示。其中上輥可以上下運(yùn)動 ,其運(yùn)動由液壓缸驅(qū)動 ;2個下輥可水平移動 ,且下輥間距可調(diào)。 3個輥的回轉(zhuǎn)由液壓馬達(dá)驅(qū)動。1-翻倒機(jī)構(gòu) ;2 -翻倒架 ;3 -上輥油缸 ;4-矮機(jī)架 ;5-下輥油缸 ;6-下輥 ;7-上輥 ;8-拉桿 ;9-高機(jī)架 ;10 -下輥液壓傳動裝置 ;11-電器柜 ;12 -上輥液壓傳動裝置 ;13 -卸料裝置圖 1　卷板機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1 2　卷板工藝過程卷板是利用卷板機(jī)對板料進(jìn)行連續(xù)三點(diǎn)彎曲的過程。如圖 2所示 ,卷板工藝過程大致分為 4步 :a 預(yù)彎。卷板時平板兩端各有一段長度由于接觸不到上輥而不發(fā)生彎曲 ,稱為剩余直邊 ,工藝上將平板開始彎曲的最小力臂叫做理論剩余直邊 ,其大小與設(shè)備結(jié)構(gòu)及其彎曲形式 (對稱彎曲 ,不對稱彎曲 )有關(guān)。b 對中。對中的目的是使工件母線與輥筒軸平行 ,防止產(chǎn)生扭斜。c 卷圓。卷圓是產(chǎn)品成形的主過程 ,分為一次進(jìn)給與多次進(jìn)給。進(jìn)給次數(shù)取決于工藝限制條件 (如冷卷時不得超過允許的最大變形率 )及設(shè)備限制條件 (如不打滑條件和功率條件)。冷卷回彈量顯著時 ,須加一定的過卷量。d 矯圓。矯圓包括加載、滾圓和卸載 3個過程。矯圓的目的是盡可能使整圓曲率均勻一致 ,保證產(chǎn)品質(zhì)量。圖 2　卷板工藝過程1 3　卷板工藝的建模對卷板機(jī)數(shù)控化改造的目的就是實(shí)現(xiàn)卷板過程的自動化 ,由操作人員輸入卷圓筒的直徑、板材的材料及修正系數(shù) ,然后由數(shù)控程序自動計算出各個輥在各卷板工藝階段的位移量及轉(zhuǎn)速 ,控制 3個輥的相互協(xié)調(diào)運(yùn)動 ,自動完成加工。要實(shí)現(xiàn)自動加工就必須對卷板工藝過程進(jìn)行建模。加工時幾何關(guān)系如圖 3所示 ,現(xiàn)將建模過程簡要介紹如下 (這里以一次進(jìn)給不對稱卷板工藝為例進(jìn)行建模 )。圖 3　加工時幾何關(guān)系a 確定回彈前的曲率半徑R1 <1 > :R1=R1+ 2 (k1+ hk02R) σsREh( 1)式中 :R為加工工件的曲率半徑 ,mm ;σs為材料的屈服極限 ,MPa ;E為材料的彈性模量 ,MPa ;h為板厚 ,mm ;k1 為形狀系數(shù) (對于矩形截面取 1 5) ;k0 為材料相對強(qiáng)化系數(shù) ,查相關(guān)手冊得到。b 上輥由最高位置下降到剛好壓緊鋼板時的位移量Δ1 :Δ1=H0 -Da2 -Db2 -h ( 2 )式中 :H0 為上、下輥間的最大距離 ,mm ;Da,Db 分別為上、下輥的直徑 (兩下輥直徑相同 ) ,mm。c 滾圓時上輥的位移量Δ2 :Δ2 =H1-(H0 -H) -Δ1( 3 )H1=(R1-Da2 -h2 )cos ( β-α)H =(R1+ Da2 + h2 )cosβα =arcsin BR1　　　β=arcsin ( L2 (R1+ h2 + Db2 ))式中 :L為 2個下輥的中心距 (對于不對稱卷板 ,一般取1 5倍板厚 ,即 1 5h) ,mm ;B為剩余直邊 ,mm。2　卷板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計<2～ 4>基于PC機(jī)和Windows操作系統(tǒng)的開放式、模塊化數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主要方向。在PC機(jī)的Win95/NT下有 2種方法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制 :一種是由一臺計算機(jī)和一些功能模塊組成的單機(jī)模式 ,這種模式在硬件成本上是較為便宜的 ,但在軟件的編寫上卻相當(dāng)復(fù)雜 ,不便于普通用戶的二次開發(fā) ;另一種是并行雙CPU上下位機(jī)通訊模式 ,相對而言該種模式具有更大的靈活性 ,是一種便于用戶化開發(fā)的全方位的開放式體系結(jié)構(gòu)。本數(shù)控系統(tǒng)采用開放式數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計 ,即第二種方法 ,使用了IPC +PMAC的開放式結(jié)構(gòu)體系 ,將PMAC插入PC機(jī)中所構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng) ,運(yùn)行速度快、控制精度高 ;數(shù)控系統(tǒng)軟件用VC ++6 .0開發(fā) ,使用美國DELTATAU公司提供的動態(tài)鏈接庫Pcomm32 ,開發(fā)周期短。2 1　數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計在本數(shù)控系統(tǒng)中將IPC作為系統(tǒng)的核心管理者 ,完成對底層設(shè)備的監(jiān)控、管理、故障診斷以及提供系統(tǒng)的人機(jī)界面 (HMI)。PMAC作為下位機(jī) ,完成實(shí)時的控制功能 ,負(fù)責(zé)卷板機(jī)的位置及主軸的轉(zhuǎn)速和角位移控制 ,由于PMAC自帶的專用CPU是基于DSP的芯片 ,運(yùn)算速度快 ,計算精度高 ,因而系統(tǒng)實(shí)時性好 ;另一方面 ,也降低了上位主機(jī)的CPU的負(fù)荷。同時 ,PMAC具有PLC功能 ,在前臺運(yùn)行加工程序時 ,可在后臺運(yùn)行PLC程序 ,完成開關(guān)量的輸入和輸出。數(shù)控化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 4所示。圖 4　數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖數(shù)控系統(tǒng)中 ,上位機(jī)和下位機(jī)的實(shí)時通信通過調(diào)用美國DELTATAU公司提供的動態(tài)鏈接庫Pcomm32的函數(shù)來實(shí)現(xiàn) ,可以方便地實(shí)現(xiàn)IPC和PMAC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這里若采用DPRAM(雙端口RAM) ,則實(shí)時性更強(qiáng) ,但考慮本數(shù)控系統(tǒng)為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng) ,且采用Pcomm32能完全滿足功能要求 ,故未采用DPRAM。例如 ,主機(jī)可將需要控制的軸的位置 ,速度信息發(fā)送到PMAC ,然后由PMAC執(zhí)行具體的運(yùn)動控制實(shí)現(xiàn)位置、速度控制。同時 ,主機(jī)在需要的時候還可以讀取PMAC中的機(jī)床的信息 ,如限位報警等開關(guān)量信息。2 2　數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計<5>卷板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用開放式的結(jié)構(gòu)體系。系統(tǒng)軟件使用面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析與設(shè)計方法 ,采用模塊化設(shè)計 ,用VC ++6 .0實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)維護(hù)方便 ,功能便于擴(kuò)充。系統(tǒng)軟件包括運(yùn)行在IPC上的人機(jī)界面程序、上位機(jī)和下位機(jī)的通信驅(qū)動程序以及PMAC中對各種輸入輸出量進(jìn)行監(jiān)控的PLC程序等 3個部分。人機(jī)界面應(yīng)用程序主要是將數(shù)控系統(tǒng)的操作界面顯示在屏幕上 ,為數(shù)控系統(tǒng)的操作者提供一個直觀的操作環(huán)境 ,這是數(shù)控系統(tǒng)軟件的主要部分。該部分主要包括程序編輯人機(jī)界面、加工參數(shù)輸入和修改人機(jī)界面、加工模擬人機(jī)界面、故障診斷報警人機(jī)界面和在線幫助人機(jī)界面 ,具有很好的人機(jī)交互性 (HMI) ,在人機(jī)界面部分采用主菜單和相關(guān)子菜單的形式 ,菜單采用按鈕式 ,當(dāng)主菜單中的某一按鈕按下時 ,就出現(xiàn)與其相關(guān)的子菜單。這種用圖形化軟鍵代替?zhèn)鹘y(tǒng)數(shù)控機(jī)床上的錯綜復(fù)雜的操作按鈕的設(shè)計使得操作面板非常易于操作。通信驅(qū)動程序功能是利用VC ++直接調(diào)用動態(tài)鏈接庫Pcomm32的函數(shù) ,實(shí)現(xiàn)對底層硬件PMAC的操作 ,這種方法實(shí)現(xiàn)起來方便簡單。利用VC ++調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信 ,完成控制量、系統(tǒng)參數(shù)的下載及機(jī)床狀態(tài)信息的上傳。系統(tǒng)的PLC程序完成系統(tǒng)的初始化和對各種輸入輸出量進(jìn)行監(jiān)控 ,主要包括看門狗PLC、上電PLC、主PLC、指示燈管理PLC和下電PLC。主PLC用來完成對控制面板及機(jī)床輸入、輸出進(jìn)行監(jiān)控的任務(wù) ,它主要包括各種手動、自動功能的實(shí)現(xiàn) ,主軸運(yùn)動的控制等操作。2 3　液壓伺服控制及同步控制的實(shí)現(xiàn)該卷板機(jī)的液壓伺服系統(tǒng)采用意大利生產(chǎn)的比例流量伺服閥 ,伺服閥可接受 0～ 10V的模擬電壓信號 ,控制流量的大小也就實(shí)現(xiàn)了工作輥的速度和位移的控制 ;PMAC卡的伺服輸出通道的輸出也是 0～ 10V的模擬電壓信號 ,因此可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與液壓伺服系統(tǒng)的連接。卷板機(jī)的同步控制精度是卷板精度的關(guān)鍵。當(dāng)工作輥兩端的油缸進(jìn)給速度不一致時 ,就會導(dǎo)致任意兩輥之間的軸線不平行 ,這樣在卷制圓筒時會出現(xiàn)圓筒一端被壓延 ,使得圓筒一端直徑變大 ,影響工件精度。所以要提高卷板機(jī)加工精度 ,關(guān)鍵就是提高同步控制的精度。同步控制精度受兩方面因素的影響 :一是機(jī)床制造時導(dǎo)軌的平行度 ,另一個就是控制的精度?，F(xiàn)在主要從第二個方面討論如何利用PMAC的時基控制實(shí)現(xiàn)高精度的同步控制。以上輥為例 ,它由 2個油缸驅(qū)動 ,油缸運(yùn)動速度及位移由伺服閥控制。設(shè)其中一個油缸為主控軸 ,它的運(yùn)動為主運(yùn)動 ,另一個油缸為從動 ,利用PMAC的時基控制原理 ,將從運(yùn)動定義為主運(yùn)動的函數(shù) ,而不是時間的函數(shù) ,這樣可以實(shí)現(xiàn) 2個缸的實(shí)時同步。3　結(jié)束語本數(shù)控系統(tǒng)是基于IPC +PMAC的雙CPU的開放式系統(tǒng) ,硬件實(shí)時性、穩(wěn)定性好 ,運(yùn)行速度快 ,控制精度高 ;軟件開發(fā)周期短 ,程序采用模塊化設(shè)計 ,便于改進(jìn)和擴(kuò)充。實(shí)際加工表明該機(jī)床加工效率明顯提高 ,5分鐘卷制一個工件 ,而且加工出來的工件的圓度、錯邊及剩余直邊等指標(biāo)均優(yōu)于以前加工出來的產(chǎn)品。若對機(jī)床的機(jī)械部分及控制系統(tǒng)稍加改進(jìn)可以成為小型的柔性制造單元 ,與其他相應(yīng)加工設(shè)備單元組成卷板加工生產(chǎn)線 ,實(shí)現(xiàn)卷板產(chǎn)品的下料、卷制、焊接的自動化水平下調(diào)式三輥數(shù)控卷板機(jī)的設(shè)計@劉芳華$華東船舶工業(yè)學(xué)院機(jī)械系!江蘇鎮(zhèn)江212003

　　@盧道華$華東船舶工業(yè)學(xué)院機(jī)械系!江蘇鎮(zhèn)江212003