强力圆切机程序控制系统探究

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摘 要：圆切技术广泛地应用于工业生产中。在实际改造一泡绵圆切机时，根据阿基米德螺线原理，建立了圆切机的切割数学模型，并在此基础上，设计了以可编程控制器（PLC）为核心的控制系统。通过准确计算脉冲计数和时间计数，实现高精度快响应的程序控制。它能够切割厚度在1-10 mm内的泡绵，且切割精度控制在0.1 mm内。

关键词：圆切；阿基米德螺线；PLC

中图分类号：TP769 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）6-0082-02

泡绵广泛地应用于各行各业，市场需求量大。某企业的一台泡绵圆切机，其可切割厚度范围较小，切割精度和准确度不够，影响了正常的生产过程，拖延了工期。现该企业扩大生产，要提高切割精度和准确度，且需要切割其他相似材质的材料。

本着节省改造成本原则，在保留原机械结构不变的情况下，利用PLC编程配合伺服控制器实现高精度切割，以较小的成本取得了较好的改造效果。

1 改造要求

改造后的圆切机的切割厚度范围扩大到1～10 mm的，切割厚度设置精确到十分位，实际切割厚度误差小于0.2 mm。同时，在生产的过程中，滚筒的速度可调。

2 分析与设计

2.1 切割原理

两台三相交流电机作为本圆切机控制系统的执行机构。第一台电机控制刀片的切割运动，当刀片与筒型待切材质接触时，对其切割并提供转动动力。第二台电机控制丝杆的转动，丝杆与滚筒螺纹相联，将丝杆的旋转运动转化成滚筒的升降直线运动。

切割厚度的控制依据阿基米德螺线的切割原理，阿基米德螺线曲线极坐标方程为：r=a？夼，其中a为阿基米德螺线的参数，该曲线两条臂之间的距离恒等于2？仔a。根据这一原理，切割厚度d厚为2？仔a，即滚筒每转一圈，直线运动下降距离应为切割厚度d厚，也即滚筒转一圈所用时间与直线运动下降d厚的距离所用时间相等。

2.2 系统设计

本控制系统包括机械和电气两个部分。通过测算，机械系统的误差相对总允许误差较小，对本系统影响较小，在设计时可以进行适当的忽略。机械部件部分参数如下：

①丝杆螺距：L=5 mm，即丝杆转一圈，升降变化距离；

②伺服电机到丝杆的传动比：N=1，即伺服电机齿轮旋转1圈，丝杆转动为1圈。

根据阿基米德螺线曲线的切割原理，本系统控制任务是使滚筒下降的速度与滚筒的转速相配合，是一个速度随动系统。根据这一要求，设计一个以可编程控制器（PLC）为核心的自动控制系统，如图1所示：

变频器控制滚筒作圆周运动，编码器与滚筒同轴相连，将滚筒的角速度转成脉冲信息传递给PLC.PLC经过计算，通过伺服控制器同步控制升降运动，达到等厚度切割.控制方式分为自动模式和半自动模式。

伺服控制器接收PLC输出的模拟电压，将其换算成相应的转速值，控制丝杆的运动，以达到控制切割厚度的目的。

从该控制系统的实际应用角度考虑，主要考虑稳态误差ess和调节时间ts这两个参数。根据厂方的要求，在生产厚度为1～10 mm范围内的绝对误差不大于0.2 mm，即稳态误差ess

2.3 选型与系统实施

根据厂方要求，结合生产中滚筒速度在5～24 r/min的实际情况，本控制系统选用台达变频器VFD037M43 A作为第一台电机的控制器，通过调节其“第一加速度时间”可以减小在加速切割时造成的切割误差。出于成本和性能的考虑，使用台达ASD-A1521MA作为第二台电机的伺服控制器，该控制器的时间常量为2.2 ？滋s，且具有速度S函数平滑器功能，能够有效抑制系统的震荡。台达PLC DVP12SC具有0.1 ms的连接计时器，将其作为中央控制器能够更准确地获得时间参数，配合分辨率为E1=2 000 P/R编码器作为滚筒旋转测速器件，能够满足计算公式的误差要求.

在软件设计方面，从生产产品的厚度范围和要求的精度可知，最大误差不大于2%，即测量的滚筒转速误差不能大于2%。在使用PLC高速计数模块时，PLC硬件电路以脉冲的上升沿作为一个脉冲的标志，存在量化误差。如：当滚筒运行在5 r/min，每个脉冲为6 ms，若以每20个脉冲计算一次速度，则误差为5%.所以，最小测速脉冲间隔P间隔应为：

影响速度测量的另一个因素是计时器.根据实际的生产情况，滚筒的转速范围为5～24 r/min。当滚筒运行在最高速时，每个脉冲为1.25 ms。若每50个脉冲测量一次速度，则每隔62.5 ms测量一次。该PLC提供了一个高速连接定时器D1015，最小计时单位为100 us，能够满足该系统的要求.因高速连接定时器D1015的计数范围是0～32 767，所以在使用时需要对计数进行处理，同时，考虑到工业生产过程中，滚筒存在偏心，故需要对测量得到的速度数据进行平滑处理。在软件设计平滑处理的同时，在伺服器端也可设置滤波选项及S平滑函数。

3 总 结

对原系统进行改造后，取得试验部分典型数据见表1：

试验证明，改造后的系统能够较好的满足生产需要。

参考文献：

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