基于PID控制的板筋一體機調直系統設計

郭 梁，徐慶鋒，覃貴芳

（廣西水利電力職業技術學院，南寧530023）

0 引言

鋼筋是基礎建設不可或缺的一種材料，其中線材使用量大及使用場所最廣。線材鋼筋為了方便運輸在生產環節將其盤成圈狀，使用時根據工程要求將其拉直及制作成相應的形狀，其中使用量最大的是板筋。目前廣西富生等企業已經研制出全自動加工板筋的一體機，提高了我國基礎設施建設自動化水平。廣西富生等企業生產的板筋全自動加工一體機調直部分采用壓輪模式，在加工成型過程中鋼筋與壓輪之間摩擦方式為滑動摩擦，因此鋼筋在加工過程中受到損傷，特別是螺紋線材其表面的螺紋會被壓輪摩擦掉，導致鋼筋不符合建筑力學要求。本文對全自動板筋一體機調直系統、控制系統、測量系統進行設計，引入PID控制算法以及變頻器控制技術實現柔性控制，得到了一種精度高、沒有損傷的全自動板筋一體機。

1 機械系統設計

1.1 調直系統

線材鋼筋調直方式有應力拉直、壓輪拉直以及調直輥輪拉直三種，其中應力拉直的加工方式因無法實現自動控制已經被淘汰，壓輪拉直方式在鋼筋加工過程中調直壓輪與鋼筋產生滑動摩擦造成鋼筋損傷。調直輥輪拉直方式是讓鋼筋通過由6～8個調直輥輪組成的調直框，調直框由動力系統帶動高速旋轉，鋼筋在拉力作用下被調直，調直輥輪隨著鋼筋前進而轉動因此與被調直鋼筋之間是滾動摩擦，滾動摩擦摩擦力遠小于滑動摩擦不會對鋼筋造成的損傷，采用高速旋轉調直輥輪對鋼筋進行調直方式具有可行性。因此，本全自動板筋一體機采用調直輥輪調直方式，根據上述分析設計出調直系統結構如圖1。

圖1 調直系統圖

調直原理為在圖1中六個調直輥輪平均分為兩組自由自轉垂直地固定在兩塊的肋板上，調直輥輪之間軸線間距75 mm。兩塊調節肋板分別用3顆36#螺母固定在旋轉框上，通過調節肋板螺母可以改變調直輥輪與待調直鋼筋的壓力，當動力系統帶動調直框高速旋轉時調直輥輪圍繞待調直鋼筋高速旋轉產生拉力，在拉力的作用下鋼筋被拉直。調直輥輪與肋板垂直且在同一軸線上固定安裝，因此僅產生拉力不產生推力待調直值鋼筋不會前進，鋼筋前進將由驅動系統完成。

1.2 驅動系統與測量系統

全自動板筋一體機鋼筋長度的測量誤差受軟件算法與機械結構兩部分影響，調直系統在調直過程中旋轉速度達到1 000 r/min，高速前進的鋼筋具有較大的慣性，該慣性存在會增加長度測量誤差。為降低測量誤差需合理設計機械結構，將鋼筋前進慣性產生的誤差消除。消除鋼筋高速前進時慣性對測量誤差影響的思路有兩個：一是鋼筋達到目標長度之前降低鋼筋前進速度，通過高速單片機與變頻器組合調節三相異步電動機轉速實現柔性控制，具體控制方法見圖4；二是調直框旋轉速度高慣性大不適合急停，消除其對誤差影響的方法是其在調直過程不對鋼筋產生推力。經力學分析可知當調直輥輪與調直肋板垂直且在同一軸線上時，調直框在調直鋼筋過程中只產生拉力不產生推力，可消除調直框高速旋轉慣性產生誤差的影響。

按照上述要求設計的調直系統沒有推力鋼筋不會前進，因此需設計推動鋼筋前進的的驅動系統。驅動系統需滿足三個要求：一是推動鋼前進；二是不能對鋼筋造成損傷；三是鋼筋前進速度需與調直速度相匹配。根據以上要求設計的驅動與測量系統如圖2。

圖2 驅動系統與測量系統圖

驅動系統由兩組上下牽引輪、減速裝置、皮帶傳動裝置構成，通過調節隱藏在減速裝置內的彈簧松緊度控制上下牽引輪之間的壓力。鋼筋調直速度與鋼筋前進速度匹配控制由1、2兩組皮帶傳動裝置和牽引輪對鋼筋壓力組合控制。測量系統由測速傳感器、測速滾輪構成，測速系統通過測量滾輪的速度經算法計算可得出調直鋼筋長度和鋼筋前進速度。

2 控制系統設計

2.1 控制電路設計

全自動板筋一體機動力由三相異步電動機提供，合理控制異步電動機的運行速度不僅可以提高工作效率還能把長度誤差控制在較小范圍內，控制電路系統設計如圖3。

圖3 控制電路系統

控制電路由高速CPU、變頻器、測速編碼器、變壓器、整流電路、穩壓電路等核心部件組成，變壓器、整流電路、穩壓電路為控制電路提供電源。測速編碼器測量測速滾輪轉速，把結果傳送給高速CPU。CPU按照設定的算法算出當前鋼筋的狀態然后控制變頻器的輸出頻率實現對電動機的柔性控制，控制流程如圖4。

圖4 電動機速度柔性控制流程圖

2.2 控制算法

通過對調直系統機械結構設計從硬件上消除了鋼筋前進慣性對長度誤差的影響，但要達到理想的長度精度需選擇合適的控制算法。本系統的控制算法需要滿足兩個要求：一是可能提高工作效率，要求在鋼筋調直初始階段至接近目標長度階段鋼筋調直速度與前進速度盡量快；二是為消除鋼筋前進慣性對誤差的影響要求長度接近目標值時降低鋼筋調直速度及前進速度，且不能停止。為了達到以上兩點要求全自動板筋一體機控制算法采用PID控制原理，PID控制算法原理如公式（1）。

式中：kp為系統比例系數，Ti為系統積分常數，Td為系統微分常數。

圖3中CPU輸入量為測速編碼器測量滾輪轉速采樣值，該采樣值為數字量，因此需將公式（1）模擬量控制算法離散化轉換為數字量算法。假設一個鋼筋加工計數周期時間為t，m為采樣序號，n為采樣周期，則t=mn，對微分與積分進行變換得：

將公式（3）、（4）帶入（1）可得：

式中：u為第m次采樣時刻輸出，m為采樣序號，em為偏差值。

式（5）將模擬PID控制算法離散為數字PID控制算法，通過公式發現只要將采樣周期變小就可以提高控制精度，在軟件編寫完成后在調試階段將通過選擇不同的采樣周期進行驗證獲取最優的采樣周期。

2.3 誤差分析

根據上述機械結構設計方法、控制算法原理、控制電路設計方法制作出樣機，通過實測的方式驗證本設計是否符合國家標準要求。在軟件中設置合適的采樣周期、調試好調直框后運行樣機，本次試驗加工調直兩組不同長度的鋼筋，每組10根，得到的數據如表1。

表1 全自動板筋一體機長度誤差分析表

從表1中可知加工5 000 mm的鋼筋其長度誤差最大為0.28%，加工1 000 mm的鋼筋長度誤差為0.9%。滿足國家機械加工標準最大允許誤差2%要求，本調直方案設計符合鋼筋加工企業需求。

3 結語

本文通過分析現有全自動板筋一體機在鋼筋加工過程中對鋼筋表面造成磨損、長度誤差偏大，導致加工后的鋼筋不符合基礎建設力學要求，從調直系統、驅動系統、控制電路等方面設計，采用PID控制算法控制長度誤差，采用控制變頻器調節電動機轉速實現柔性控制，設計出了誤差符合國家標準要求且在加工過程中鋼筋無損傷的板筋一體機調直系統。