卷闆機是建造海上(shàng)石油采集平台和(hé)生産壓力容器所必須的設備。它的功率很(hěn)大(dà) ,一般在幾十千瓦 ,所以生産廠(chǎng)家大(dà)多采用(yòng)交流電機作(zuò)爲驅動控制部件 ,采用(yòng)手工(gōng)操作(zuò)。這(zhè)種方式加工(gōng)效率低(dī) ,且加工(gōng)精度難以保證 ,已不能(néng)很(hěn)好(hǎo)地滿足現(xiàn)代市場對(duì)産品加工(gōng)速度和(hé)質量的要求 ,因而必須對(duì)卷闆機進行數控化改造 ,以适應市場對(duì)卷闆機加工(gōng)效率和(hé)精度的要求。雖然該廠(chǎng)卷闆機實現(xiàn)了(le)NC控制 ,提高(gāo)了(le)加工(gōng)效率和(hé)精度 ,但(dàn)是實際使用(yòng)中還存在一些(xiē)問題 ,例如 :系統的穩定性不高(gāo) ,同步精度不高(gāo) ,及加工(gōng)效率和(hé)精度不能(néng)完全滿足一些(xiē)加工(gōng)單位的要求等。根據廠(chǎng)家的要求 ,我們對(duì)卷闆機進行了(le)數控化改造。本文(wén)結合W11X130 0× 10水(shuǐ)平下(xià)調式三輥卷闆機的改造 ,提出了(le)卷闆機數控系統IPC + PMAC(ProgrammableMulti -AxesController)的設計(jì)方案 ,并對(duì)驅動系統進行了(le)全液壓伺服設計(jì) ,用(yòng)數控系統直接控制液壓系統。1　卷闆機的結構、卷闆工(gōng)藝過程及建模1 1　卷闆機的結構W11X130 0× 10水(shuǐ)平下(xià)調式三輥卷闆機是該廠(chǎng)生産的中型卷闆機 ,如圖 1所示。其中上(shàng)輥可以上(shàng)下(xià)運動 ,其運動由液壓缸驅動 ;2個下(xià)輥可水(shuǐ)平移動 ,且下(xià)輥間距可調。 3個輥的回轉由液壓馬達驅動。1-翻倒機構 ;2 -翻倒架 ;3 -上(shàng)輥油缸 ;4-矮機架 ;5-下(xià)輥油缸 ;6-下(xià)輥 ;7-上(shàng)輥 ;8-拉杆 ;9-高(gāo)機架 ;10 -下(xià)輥液壓傳動裝置 ;11-電器櫃 ;12 -上(shàng)輥液壓傳動裝置 ;13 -卸料裝置圖 1　卷闆機的結構圖1 2　卷闆工(gōng)藝過程卷闆是利用(yòng)卷闆機對(duì)闆料進行連續三點彎曲的過程。如圖 2所示 ,卷闆工(gōng)藝過程大(dà)緻分爲 4步 :a 預彎。卷闆時(shí)平闆兩端各有一段長度由于接觸不到(dào)上(shàng)輥而不發生彎曲 ,稱爲剩餘直邊 ,工(gōng)藝上(shàng)将平闆開(kāi)始彎曲的最小(xiǎo)力臂叫做理(lǐ)論剩餘直邊 ,其大(dà)小(xiǎo)與設備結構及其彎曲形式 (對(duì)稱彎曲 ,不對(duì)稱彎曲 )有關。b 對(duì)中。對(duì)中的目的是使工(gōng)件母線與輥筒軸平行 ,防止産生扭斜。c 卷圓。卷圓是産品成形的主過程 ,分爲一次進給與多次進給。進給次數取決于工(gōng)藝限制條件 (如冷卷時(shí)不得超過允許的最大(dà)變形率 )及設備限制條件 (如不打滑條件和(hé)功率條件)。冷卷回彈量顯著時(shí) ,須加一定的過卷量。d 矯圓。矯圓包括加載、滾圓和(hé)卸載 3個過程。矯圓的目的是盡可能(néng)使整圓曲率均勻一緻 ,保證産品質量。圖 2　卷闆工(gōng)藝過程1 3　卷闆工(gōng)藝的建模對(duì)卷闆機數控化改造的目的就是實現(xiàn)卷闆過程的自(zì)動化 ,由操作(zuò)人員輸入卷圓筒的直徑、闆材的材料及修正系數 ,然後由數控程序自(zì)動計(jì)算(suàn)出各個輥在各卷闆工(gōng)藝階段的位移量及轉速 ,控制 3個輥的相互協調運動 ,自(zì)動完成加工(gōng)。要實現(xiàn)自(zì)動加工(gōng)就必須對(duì)卷闆工(gōng)藝過程進行建模。加工(gōng)時(shí)幾何關系如圖 3所示 ,現(xiàn)将建模過程簡要介紹如下(xià) (這(zhè)裏以一次進給不對(duì)稱卷闆工(gōng)藝爲例進行建模 )。圖 3　加工(gōng)時(shí)幾何關系a 确定回彈前的曲率半徑R1 <1 > :R1=R1+ 2 (k1+ hk02R) σsREh( 1)式中 :R爲加工(gōng)工(gōng)件的曲率半徑 ,mm ;σs爲材料的屈服極限 ,MPa ;E爲材料的彈性模量 ,MPa ;h爲闆厚 ,mm ;k1 爲形狀系數 (對(duì)于矩形截面取 1 5) ;k0 爲材料相對(duì)強化系數 ,查相關手冊得到(dào)。b 上(shàng)輥由最高(gāo)位置下(xià)降到(dào)剛好(hǎo)壓緊鋼闆時(shí)的位移量Δ1 :Δ1=H0 -Da2 -Db2 -h ( 2 )式中 :H0 爲上(shàng)、下(xià)輥間的最大(dà)距離 ,mm ;Da,Db 分别爲上(shàng)、下(xià)輥的直徑 (兩下(xià)輥直徑相同 ) ,mm。c 滾圓時(shí)上(shàng)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爲 2個下(xià)輥的中心距 (對(duì)于不對(duì)稱卷闆 ,一般取1 5倍闆厚 ,即 1 5h) ,mm ;B爲剩餘直邊 ,mm。2　卷闆機數控系統設計(jì)<2～ 4>基于PC機和(hé)Windows操作(zuò)系統的開(kāi)放(fàng)式、模塊化數控系統是當今數控技術發展的主要方向。在PC機的Win95/NT下(xià)有 2種方法可以實現(xiàn)數字控制 :一種是由一台計(jì)算(suàn)機和(hé)一些(xiē)功能(néng)模塊組成的單機模式 ,這(zhè)種模式在硬件成本上(shàng)是較爲便宜的 ,但(dàn)在軟件的編寫上(shàng)卻相當複雜(zá) ,不便于普通用(yòng)戶的二次開(kāi)發 ;另一種是并行雙CPU上(shàng)下(xià)位機通訊模式 ,相對(duì)而言該種模式具有更大(dà)的靈活性 ,是一種便于用(yòng)戶化開(kāi)發的全方位的開(kāi)放(fàng)式體系結構。本數控系統采用(yòng)開(kāi)放(fàng)式數控系統的标準設計(jì) ,即第二種方法 ,使用(yòng)了(le)IPC +PMAC的開(kāi)放(fàng)式結構體系 ,将PMAC插入PC機中所構成的數控系統的硬件系統 ,運行速度快(kuài)、控制精度高(gāo) ;數控系統軟件用(yòng)VC ++6 .0開(kāi)發 ,使用(yòng)美(měi)國DELTATAU公司提供的動态鏈接庫Pcomm32 ,開(kāi)發周期短。2 1　數控系統硬件設計(jì)在本數控系統中将IPC作(zuò)爲系統的核心管理(lǐ)者 ,完成對(duì)底層設備的監控、管理(lǐ)、故障診斷以及提供系統的人機界面 (HMI)。PMAC作(zuò)爲下(xià)位機 ,完成實時(shí)的控制功能(néng) ,負責卷闆機的位置及主軸的轉速和(hé)角位移控制 ,由于PMAC自(zì)帶的專用(yòng)CPU是基于DSP的芯片 ,運算(suàn)速度快(kuài) ,計(jì)算(suàn)精度高(gāo) ,因而系統實時(shí)性好(hǎo) ;另一方面 ,也(yě)降低(dī)了(le)上(shàng)位主機的CPU的負荷。同時(shí) ,PMAC具有PLC功能(néng) ,在前台運行加工(gōng)程序時(shí) ,可在後台運行PLC程序 ,完成開(kāi)關量的輸入和(hé)輸出。數控化系統的硬件結構如圖 4所示。圖 4　數控系統硬件結構圖數控系統中 ,上(shàng)位機和(hé)下(xià)位機的實時(shí)通信通過調用(yòng)美(měi)國DELTATAU公司提供的動态鏈接庫Pcomm32的函數來(lái)實現(xiàn) ,可以方便地實現(xiàn)IPC和(hé)PMAC之間進行數據交換。這(zhè)裏若采用(yòng)DPRAM(雙端口RAM) ,則實時(shí)性更強 ,但(dàn)考慮本數控系統爲經濟型數控系統 ,且采用(yòng)Pcomm32能(néng)完全滿足功能(néng)要求 ,故未采用(yòng)DPRAM。例如 ,主機可将需要控制的軸的位置 ,速度信息發送到(dào)PMAC ,然後由PMAC執行具體的運動控制實現(xiàn)位置、速度控制。同時(shí) ,主機在需要的時(shí)候還可以讀取PMAC中的機床的信息 ,如限位報(bào)警等開(kāi)關量信息。2 2　數控系統的軟件設計(jì)<5>卷闆機數控系統采用(yòng)開(kāi)放(fàng)式的結構體系。系統軟件使用(yòng)面向對(duì)象的系統分析與設計(jì)方法 ,采用(yòng)模塊化設計(jì) ,用(yòng)VC ++6 .0實現(xiàn)。系統維護方便 ,功能(néng)便于擴充。系統軟件包括運行在IPC上(shàng)的人機界面程序、上(shàng)位機和(hé)下(xià)位機的通信驅動程序以及PMAC中對(duì)各種輸入輸出量進行監控的PLC程序等 3個部分。人機界面應用(yòng)程序主要是将數控系統的操作(zuò)界面顯示在屏幕上(shàng) ,爲數控系統的操作(zuò)者提供一個直觀的操作(zuò)環境 ,這(zhè)是數控系統軟件的主要部分。該部分主要包括程序編輯人機界面、加工(gōng)參數輸入和(hé)修改人機界面、加工(gōng)模拟人機界面、故障診斷報(bào)警人機界面和(hé)在線幫助人機界面 ,具有很(hěn)好(hǎo)的人機交互性 (HMI) ,在人機界面部分采用(yòng)主菜單和(hé)相關子菜單的形式 ,菜單采用(yòng)按鈕式 ,當主菜單中的某一按鈕按下(xià)時(shí) ,就出現(xiàn)與其相關的子菜單。這(zhè)種用(yòng)圖形化軟鍵代替傳統數控機床上(shàng)的錯綜複雜(zá)的操作(zuò)按鈕的設計(jì)使得操作(zuò)面闆非常易于操作(zuò)。通信驅動程序功能(néng)是利用(yòng)VC ++直接調用(yòng)動态鏈接庫Pcomm32的函數 ,實現(xiàn)對(duì)底層硬件PMAC的操作(zuò) ,這(zhè)種方法實現(xiàn)起來(lái)方便簡單。利用(yòng)VC ++調用(yòng)相應的函數即可實現(xiàn)上(shàng)位機和(hé)下(xià)位機的通信 ,完成控制量、系統參數的下(xià)載及機床狀态信息的上(shàng)傳。系統的PLC程序完成系統的初始化和(hé)對(duì)各種輸入輸出量進行監控 ,主要包括看(kàn)門(mén)狗PLC、上(shàng)電PLC、主PLC、指示燈管理(lǐ)PLC和(hé)下(xià)電PLC。主PLC用(yòng)來(lái)完成對(duì)控制面闆及機床輸入、輸出進行監控的任務 ,它主要包括各種手動、自(zì)動功能(néng)的實現(xiàn) ,主軸運動的控制等操作(zuò)。2 3　液壓伺服控制及同步控制的實現(xiàn)該卷闆機的液壓伺服系統采用(yòng)意大(dà)利生産的比例流量伺服閥 ,伺服閥可接受 0～ 10V的模拟電壓信号 ,控制流量的大(dà)小(xiǎo)也(yě)就實現(xiàn)了(le)工(gōng)作(zuò)輥的速度和(hé)位移的控制 ;PMAC卡的伺服輸出通道(dào)的輸出也(yě)是 0～ 10V的模拟電壓信号 ,因此可以實現(xiàn)數控系統與液壓伺服系統的連接。卷闆機的同步控制精度是卷闆精度的關鍵。當工(gōng)作(zuò)輥兩端的油缸進給速度不一緻時(shí) ,就會(huì)導緻任意兩輥之間的軸線不平行 ,這(zhè)樣在卷制圓筒時(shí)會(huì)出現(xiàn)圓筒一端被壓延 ,使得圓筒一端直徑變大(dà) ,影響工(gōng)件精度。所以要提高(gāo)卷闆機加工(gōng)精度 ,關鍵就是提高(gāo)同步控制的精度。同步控制精度受兩方面因素的影響 :一是機床制造時(shí)導軌的平行度 ,另一個就是控制的精度。現(xiàn)在主要從(cóng)第二個方面讨論如何利用(yòng)PMAC的時(shí)基控制實現(xiàn)高(gāo)精度的同步控制。以上(shàng)輥爲例 ,它由 2個油缸驅動 ,油缸運動速度及位移由伺服閥控制。設其中一個油缸爲主控軸 ,它的運動爲主運動 ,另一個油缸爲從(cóng)動 ,利用(yòng)PMAC的時(shí)基控制原理(lǐ) ,将從(cóng)運動定義爲主運動的函數 ,而不是時(shí)間的函數 ,這(zhè)樣可以實現(xiàn) 2個缸的實時(shí)同步。3　結束語本數控系統是基于IPC +PMAC的雙CPU的開(kāi)放(fàng)式系統 ,硬件實時(shí)性、穩定性好(hǎo) ,運行速度快(kuài) ,控制精度高(gāo) ;軟件開(kāi)發周期短 ,程序采用(yòng)模塊化設計(jì) ,便于改進和(hé)擴充。實際加工(gōng)表明(míng)該機床加工(gōng)效率明(míng)顯提高(gāo) ,5分鐘(zhōng)卷制一個工(gōng)件 ,而且加工(gōng)出來(lái)的工(gōng)件的圓度、錯邊及剩餘直邊等指标均優于以前加工(gōng)出來(lái)的産品。若對(duì)機床的機械部分及控制系統稍加改進可以成爲小(xiǎo)型的柔性制造單元 ,與其他(tā)相應加工(gōng)設備單元組成卷闆加工(gōng)生産線 ,實現(xiàn)卷闆産品的下(xià)料、卷制、焊接的自(zì)動化水(shuǐ)平下(xià)調式三輥數控卷闆機的設計(jì)@劉芳華$華東船(chuán)舶工(gōng)業學院機械系!江蘇鎮江212003

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