水平下調式三輥數控卷板機的設計

　　卷板機是建造海上石油采集平臺和生產壓力容器所必須的設備。它的功率很大 ,一般在幾十千瓦 ,所以生產廠家大多采用交流電機作為驅動控制部件 ,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代市場對產品加工速度和質量的要求 ,因而必須對卷板機進行數控化改造 ,以適應市場對卷板機加工效率和精度的要求。雖然該廠卷板機實現了NC控制 ,提高了加工效率和精度 ,但是實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。根據廠家的要求 ,我們對卷板機進行了數控化改造。本文結合W11X130 0× 10水平下調式三輥卷板機的改造 ,提出了卷板機數控系統(tǒng)IPC + PMAC(ProgrammableMulti -AxesController)的設計方案 ,并對驅動系統(tǒng)進行了全液壓伺服設計 ,用數控系統(tǒng)直接控制液壓系統(tǒng)。1　卷板機的結構、卷板工藝過程及建模1 1　卷板機的結構W11X130 0× 10水平下調式三輥卷板機是該廠生產的中型卷板機 ,如圖 1所示。其中上輥可以上下運動 ,其運動由液壓缸驅動 ;2個下輥可水平移動 ,且下輥間距可調。 3個輥的回轉由液壓馬達驅動。1-翻倒機構 ;2 -翻倒架 ;3 -上輥油缸 ;4-矮機架 ;5-下輥油缸 ;6-下輥 ;7-上輥 ;8-拉桿 ;9-高機架 ;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　卷板機的結構圖1 2　卷板工藝過程卷板是利用卷板機對板料進行連續(xù)三點彎曲的過程。如圖 2所示 ,卷板工藝過程大致分為 4步 :a 預彎。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 ,其大小與設備結構及其彎曲形式 (對稱彎曲 ,不對稱彎曲 )有關。b 對中。對中的目的是使工件母線與輥筒軸平行 ,防止產生扭斜。c 卷圓。卷圓是產品成形的主過程 ,分為一次進給與多次進給。進給次數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 ,保證產品質量。圖 2　卷板工藝過程1 3　卷板工藝的建模對卷板機數控化改造的目的就是實現卷板過程的自動化 ,由操作人員輸入卷圓筒的直徑、板材的材料及修正系數 ,然后由數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速 ,控制 3個輥的相互協(xié)調運動 ,自動完成加工。要實現自動加工就必須對卷板工藝過程進行建模。加工時幾何關系如圖 3所示 ,現將建模過程簡要介紹如下 (這里以一次進給不對稱卷板工藝為例進行建模 )。圖 3　加工時幾何關系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 (對于矩形截面取 1 5) ;k0 為材料相對強化系數 ,查相關手冊得到。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　卷板機數控系統(tǒng)設計<2～ 4>基于PC機和Windows操作系統(tǒng)的開放式、模塊化數控系統(tǒng)是當今數控技術發(fā)展的主要方向。在PC機的Win95/NT下有 2種方法可以實現數字控制 :一種是由一臺計算機和一些功能模塊組成的單機模式 ,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復雜 ,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構。本數控系統(tǒng)采用開放式數控系統(tǒng)的標準設計 ,即第二種方法 ,使用了IPC +PMAC的開放式結構體系 ,將PMAC插入PC機中所構成的數控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng) ,運行速度快、控制精度高 ;數控系統(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　數控系統(tǒng)硬件設計在本數控系統(tǒng)中將IPC作為系統(tǒng)的核心管理者 ,完成對底層設備的監(jiān)控、管理、故障診斷以及提供系統(tǒng)的人機界面 (HMI)。PMAC作為下位機 ,完成實時的控制功能 ,負責卷板機的位置及主軸的轉速和角位移控制 ,由于PMAC自帶的專用CPU是基于DSP的芯片 ,運算速度快 ,計算精度高 ,因而系統(tǒng)實時性好 ;另一方面 ,也降低了上位主機的CPU的負荷。同時 ,PMAC具有PLC功能 ,在前臺運行加工程序時 ,可在后臺運行PLC程序 ,完成開關量的輸入和輸出。數控化系統(tǒng)的硬件結構如圖 4所示。圖 4　數控系統(tǒng)硬件結構圖數控系統(tǒng)中 ,上位機和下位機的實時通信通過調用美國DELTATAU公司提供的動態(tài)鏈接庫Pcomm32的函數來實現 ,可以方便地實現IPC和PMAC之間進行數據交換。這里若采用DPRAM(雙端口RAM) ,則實時性更強 ,但考慮本數控系統(tǒng)為經濟型數控系統(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)行具體的運動控制實現位置、速度控制。同時 ,主機在需要的時候還可以讀取PMAC中的機床的信息 ,如限位報警等開關量信息。2 2　數控系統(tǒng)的軟件設計<5>卷板機數控系統(tǒng)采用開放式的結構體系。系統(tǒng)軟件使用面向對象的系統(tǒng)分析與設計方法 ,采用模塊化設計 ,用VC ++6 .0實現。系統(tǒng)維護方便 ,功能便于擴充。系統(tǒng)軟件包括運行在IPC上的人機界面程序、上位機和下位機的通信驅動程序以及PMAC中對各種輸入輸出量進行監(jiān)控的PLC程序等 3個部分。人機界面應用程序主要是將數控系統(tǒng)的操作界面顯示在屏幕上 ,為數控系統(tǒng)的操作者提供一個直觀的操作環(huán)境 ,這是數控系統(tǒng)軟件的主要部分。該部分主要包括程序編輯人機界面、加工參數輸入和修改人機界面、加工模擬人機界面、故障診斷報警人機界面和在線幫助人機界面 ,具有很好的人機交互性 (HMI) ,在人機界面部分采用主菜單和相關子菜單的形式 ,菜單采用按鈕式 ,當主菜單中的某一按鈕按下時 ,就出現與其相關的子菜單。這種用圖形化軟鍵代替?zhèn)鹘y(tǒng)數控機床上的錯綜復雜的操作按鈕的設計使得操作面板非常易于操作。通信驅動程序功能是利用VC ++直接調用動態(tài)鏈接庫Pcomm32的函數 ,實現對底層硬件PMAC的操作 ,這種方法實現起來方便簡單。利用VC ++調用相應的函數即可實現上位機和下位機的通信 ,完成控制量、系統(tǒng)參數的下載及機床狀態(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床輸入、輸出進行監(jiān)控的任務 ,它主要包括各種手動、自動功能的實現 ,主軸運動的控制等操作。2 3　液壓伺服控制及同步控制的實現該卷板機的液壓伺服系統(tǒng)采用意大利生產的比例流量伺服閥 ,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現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 ,因此可以實現數控系統(tǒng)與液壓伺服系統(tǒng)的連接。卷板機的同步控制精度是卷板精度的關鍵。當工作輥兩端的油缸進給速度不一致時 ,就會導致任意兩輥之間的軸線不平行 ,這樣在卷制圓筒時會出現圓筒一端被壓延 ,使得圓筒一端直徑變大 ,影響工件精度。所以要提高卷板機加工精度 ,關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 :一是機床制造時導軌的平行度 ,另一個就是控制的精度。現在主要從第二個方面討論如何利用PMAC的時基控制實現高精度的同步控制。以上輥為例 ,它由 2個油缸驅動 ,油缸運動速度及位移由伺服閥控制。設其中一個油缸為主控軸 ,它的運動為主運動 ,另一個油缸為從動 ,利用PMAC的時基控制原理 ,將從運動定義為主運動的函數 ,而不是時間的函數 ,這樣可以實現 2個缸的實時同步。3　結束語本數控系統(tǒng)是基于IPC +PMAC的雙CPU的開放式系統(tǒng) ,硬件實時性、穩(wěn)定性好 ,運行速度快 ,控制精度高 ;軟件開發(fā)周期短 ,程序采用模塊化設計 ,便于改進和擴充。實際加工表明該機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均優(yōu)于以前加工出來的產品。若對機床的機械部分及控制系統(tǒng)稍加改進可以成為小型的柔性制造單元 ,與其他相應加工設備單元組成卷板加工生產線 ,實現卷板產品的下料、卷制、焊接的自動化水平下調式三輥數控卷板機的設計@劉芳華$華東船舶工業(yè)學院機械系!江蘇鎮(zhèn)江212003

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