西線滑臺隨動控制防護系統設計

王興娟 李玲筠

◆摘? 要：西線滑臺隨動控制運行過程中，滑臺與主機速度的誤差、工件跑偏或接頭不良會對電動滑軌產生沖擊，造成系統故障。本文著重分析了此類故障產生的原因及應控制的同步精度范圍，并介紹了解決同步問題的綜合措施，以確保西線滑臺隨動控制系統的安全運行。

◆關鍵詞：滑臺;電動滑軌;直流控制器

輥壓西線是東風專用汽車有限公司的重要生產線，利用冷彎成型技術，將成卷帶鋼輥壓成不同斷面、不同長度的車箱零部件。近年來，由于汽車市場對少批量、多品種的要求不斷增長，輥壓西線原設計的機械檔板定尺裝置由于更換定尺不便、長工件定尺不準和加長工件不能生產等問題，已不能滿足現生產的要求。

為解決生產的燃眉之急，2000年臨時將原設計的機械擋板定尺改為半隨動定尺方式進行試運行。但半隨動定尺生產方式中，工件在達到給定尺寸進行沖切時，整個機組都要停止運行，等油缸沖切完畢、沖頭抬起后，才能再次啟動運行。這樣不僅待機時間長，生產效率低，而且由于機組頻繁啟動、制動，對生產線的傳動機構磨損較大，影響電機的使用壽命。同時大電機的頻繁啟動、制動造成電網電壓的波動，對車間內其它設備的正常運行也造成不利影響。

為使西線能夠長期、安全、可靠地運行，提高設備的運行效率，必須盡快實現全隨動定尺控制，將滑臺氣缸拖動方式改為電機拖動方式，同時對電氣部分重新設計、制造，使西線滑臺沖切時，滑臺隨工件同步運行，主機不用停機便能完成沖切。

1存在的問題

隨動沖切就是主機帶動工件以一定的速度作勻速運行，在工件運行到給定長度的一定余量時，滑臺開始運行，在工件長度達到給定值時，滑臺追上主機的速度，與主機同步運行，并完成沖切動作。切斷工件后，滑臺高速返回原位，等待下一塊工件運行到給定長度的相同余量時，再一次啟動。這樣在確保主機不停機的情況下，循環完成工件的生產。

要實現滑臺的隨動沖切就必須對主機和滑臺的運行進行可靠的控制，控制方式是用直流電機拖動滑臺運行，主機和滑臺的直流電機都用同型號的MENTORⅡ全數字直流控制器來控制，使兩個直流電機的線速度在一定精度范圍內同步，滿足隨動定尺對長度精度和速度精度的要求。

MENTORⅡ全數字直流控制器是英國CT公司最新的工業用全數字化直流控制驅動器，輸出電流范圍25A—1850A。所有裝置均具有PID速度控制和電流自適應控制，給定和反饋的精度可達0.1%，結構緊湊、體積小、可靠性高。

該系列直流調速器以微處理器為核心，配合用戶可變參數的控制軟件，可靈活地修改與電機響應相關的重要參素，在不同的條件下達到最優的電機響應，因而在工業領域得到廣泛的應用。

MENTORⅡ系列直流控制器的操作指令及運行參數由面板或串行口輸入、設定及修改，并受三級保密字保護。所有模擬輸入及大多數數字量輸入用戶可編程。串行口采用RS485，易于多機聯網，與上位機及其他設備形成自動化網絡。

主機的速度由主機的直流調速器M550R根據工件的長度來決定，工件的長度（L）由觸摸屏給定，根據給定的板長，主機設定有三種工作速度（V）即：

主機的各種速度同時由主機的直流調速器M550R的模擬量輸出端輸出一個控制電壓給滑臺的直流調速器M45R的速度給定端，經調速器放大后作為滑臺速度的給定，控制滑臺的同步速度。

要完成全隨動定尺控制，首先要解決的問題是：在同步沖切過程中，當同步速度存在誤差時，可能對系統造成破壞。其次要解決的問題是：生產工件的每卷帶鋼之間的焊接接頭，有時不能通過滑臺沖切模具，將對滑臺造成沖擊以致拉斷電動滑軌的皮帶。另外由于主機成形輥片調整不到位、帶鋼材質不同等情況，工件產生跑偏現象，增大電動滑軌的負荷，也會造成電動滑軌皮帶的拉斷和工件架橋的現象。

因此，必須采用有效的控制手段來減小這些情況對控制精度的影響，以及對設備造成的危害，特別是對電動滑軌的破壞。電動滑軌是進口元氣件，價格較高，定貨周期較長。發生問題后勢必影響設備的正常運行，造成維修費用增高，生產無法正常進行。

2原因分析與方案確定

2.1同步速度

同步沖切時，滑臺與主機的速度并非絕對一致，而是相對的。產生誤差的原因有：調速器自身的精度，電機的運行特性，測速發電機的精度，執行元件的響應時間及程序的掃描時間等。

程序的掃描時間可以通過修改程序，精簡程序的語句，在程序中利用程序中斷功能提高關鍵動作程序的響應時間等措施來減少影響。

直流調速器的速度控制綜合精度為0.125%，經過現場多次對滑臺沖切時液壓系統的調整，參數的測繪，可以很清楚地發現，沖頭與工件接觸的最長時間為0.8s。主機的最快線速度為1.0m/s，因而滑臺與主機在沖切時的最大位移誤差為：

1000mm/s×0.8s×0.125%×2=2mm

通過分析我們可以發現，在工件到達給定長度、滑臺到達同步速度開始沖切并返回上死點的時間為0.8S。如果主機的速度比滑臺的速度快，即主機與滑臺之間所產生的相對位移為正數，并將以主機對滑臺作用力的形式作用于電動滑軌之上，頂著滑臺向前運行2mm，對電動滑軌產生沖擊。

相反，如果主機的速度比滑臺的速度慢，主機與滑臺之間所產生的相對位移為負數，主機雖然沒有對滑臺產生沖擊。但是，如果滑臺速度比主機速度快出一定的值，工件就會被拉出模具，滑臺沖切完畢后，高速返回時撞到工件，也會對電動滑軌產生沖擊。沖頭模具的寬度為20mm，沖切時間為0.8s，則速度差為：20mm/0.8s=25mm/s。也就是說，當滑臺的速度比主機的速度快25mm/s時，也會造成電動滑軌皮帶拉斷，隨動系統無法工作。

綜上所說，滑臺要安全、順利地完成同步沖切，滑臺的同步速度就必須比主機的運行速度要快，而且，又必須把速度誤差控制在25mm/s范圍之內。

2.2材料及模具

成卷帶鋼的長度是有限的，為避免主機重新引料和材料的浪費，節約時間，提高工作效率，兩卷材料在進入螺旋活套前必須進行對接焊接，當焊接質量不好時，產生的接頭無法通過滑臺沖切模具，對電動滑軌產生沖擊。卷鋼材料在輥壓成型的過程中，受模具調整不到位、不同批次鋼材變型量不同的影響，以及工件斷面對沖頭的要求，使得沖頭上下模具之間的間隙不可能留有足夠的空間來保證在工件跑偏的情況下能順利地通過模具，因而會出現工件架橋現象。

要解決以上問題可能對電動滑軌產生的破壞，就必須想辦法解決由此現象產生的作用力不能作用在電動滑軌上，以免拉斷電動滑軌皮帶。同時，還必須想辦法解決在以上措施起不到理想保護作用的情況下，當作用力作用于電動滑軌之上時，也能夠對電動滑軌皮帶起到理想的保護作用。

3方案實施

3.1硬件系統改造

首先對控制系統重新進行設計、制造。所有控制柜、操作臺在現場就近安裝，避免了過去控制柜與操作臺在兩地控制，線路長，故障率高，維修不便的問題，提高了控制系統運行的可靠性。

另外對滑臺進行改造，去掉滑臺拖動氣缸，改為直流調速電機拖動，將滑臺安裝于電動滑軌之上，以實現滑臺的隨動沖切。同時安裝過載離合器和工件形狀檢測裝置。

3.1.1滑臺電機過電流保護

直流電機在實際應用中必須控制的量是速度、輸出力矩和轉向。速度與電樞反電勢成正比。轉向簡單地由電樞和磁場電壓的相對極性決定。力矩與電樞電流和磁通的乘積成正比。

工件形狀不好、與沖切模具產生摩擦時，滑臺電機的負荷變大，從而使電機的力矩也變大，引起電機電流的增大，滑軌皮帶的拉力也隨之增大。如果工件變形量較大，就有可能拉斷滑軌皮帶。因此，在調整好工件后，啟動滑臺，用示波器觀察、測量電機電流的最大值。然后根據測量值設定直流調速器的電流保護值，作為滑臺的過電流保護。在電機轉矩增大的情況下，當電樞電流增大達到或超過設定值時，直流調速器過電流保護動作，整個系統停止運行，確保電動滑軌皮帶不會因為作用力過大而被拉斷。

3.1.2工件形狀檢測及保護

兩卷帶鋼之間的焊接接頭，不能通過滑臺沖切模具，會對滑臺產生沖擊;工件在運行中跑偏，會增大滑臺與沖切模具的摩擦力，增大電機的負荷，并會帶動滑臺產生誤動作。

在工件運行上滑臺之前，制作一個工件形狀檢測裝置，安裝于滑臺之前，檢測工件的接頭及工件的跑偏情況。由于焊接接頭不能通過工件形狀檢測裝置，會使工件形狀檢測裝置的接近開關發出信號使主機停止運行，以保護電動滑軌;同樣，當工件的材料跑偏時，材料與工件形狀檢測裝置之間的摩擦力大于工件形狀檢測裝置保護彈簧的設定力時，也會使主機停機。

3.1.3過載離合器保護

主機在運行過程中由于各種不確定因素，仍有可能對滑臺產生沖擊。為確保電動滑軌的安全運行，在滑軌和減速器之間選用合適的轉矩過載離合器作為對電動滑軌的保護。當電動滑軌所受的沖擊力超過過載離合器設定的最大轉拒時，過載離合器自動脫開，滑臺電機不再拖動電動滑軌運行，電動滑軌只在主機拖動工件作用力的作用下運行，保證了電動滑軌不會因為在電機和主機相互作用力的作用而損壞。

3.2軟件系統設計

3.2.1沖切油缸動作測試

滑臺在滑軌上的有效行程為2.4m，在僅有的長度范圍內，滑臺要實現加速、同步運行、沖切、減速和原位的極限保護，各個動作環節的速度應盡可能快，用時盡可能短?；_的加速、減速時間為0.7S，時間再短就會產生超調，引起振蕩。極限保護距離是滑臺在運行到極限位置的情況下，滑臺電機在直流調速器起保護作用的情況下下，停止運行，滑臺在慣性力的作用下，滑行的距離。因此，滑臺的沖切時間在很大程度上決定著主機的運行速度。通過多次測量、調試，滑臺的沖切時間被控制在0.8S以內，以避免由于滑臺的沖切時間過長而造成其他動作的時間不夠，降低主機的運行速度，從而降低設備的工作效率，延長工人的工作時間和設備的開動時間，浪費資源。沖切油缸動作波形如圖1所示。

3.2.2主機、滑臺速度測試

滑臺和主機在同步沖切時，同步速度的精確度決定著沖切成功于否。因此，上工件之前，對滑臺和主機在同步速度下各個參數的測定至關重要。首先，測試、調整主機和滑臺在三種工作速度下直流調速器的參數。數據如下：

3.2.3滑臺隨動沖切的仿真

為驗證滑臺隨動沖切時，滑臺直流調速器各參數的給定是否正確，因此，在設備上工件實際運行前，必須對滑臺的實際運行狀況有充分了解。為此，對滑臺的實際運行狀況編制一段仿真程序，滑臺直流調速器參數由電位器給定，空負荷運行滑臺。

在實際運行過程中發現：滑臺直接啟動時，由于啟動時間短，加速度大，速度到達時會出現超調和振蕩，影響到同步速度的穩定，同步時間加長。另外，由于滑臺加速度大，滑臺質量大，滑臺在加速過程中造成過載離合器經常過負荷脫開，同步運行失敗，過載離合器頻繁過載保護，磨損嚴重，使用壽命短，維修費用高。

如果，延長滑臺的加速時間，這樣雖然可以避免以上的問題，但是加速時間的加長，就必須降低主機的速度，從而降低設備的生產效率，增加工作的勞動強度。

MentorⅡ全數字直流調速器具有兩級加減速功能。首先，以低的加速度啟動滑臺，當滑臺啟動到一定的速度時，再增大加速度啟動滑臺，這樣就即保證了滑臺的啟動時間不會延長較多，又保證了過載離合器不會因為加速度太大而造成過載離合器過負荷脫開。測得速度曲線如圖3所示。

3.2.4聯機調試

主機上料實際運行設備。為確保設備的安全運行，主機首先生產最短的工件，以最低的速度運行?；_在工件達到設定長度同步沖切時發現主機與滑臺的速度存在著不同步，滑臺在還沒有完成沖切的過程中，出現工件頂著滑臺向前運動的現象。原因為：主機的直流調速器的模擬量輸出，作為滑臺的速度給定，給定值較小。通過提高反饋量的系數，使得滑臺與主機的速度同步，消除主機對滑臺的沖擊，生產出合格的產品。實際生產4065MM工件測得波形如圖4所示。

然后，再不斷地改變工件的長度，調試生產的三種工作速度，生產出合格的產品。

4效果

去掉了滑臺拖動氣缸。解決了西線每生產一件工件都必須停止主機才能沖切的問題。避免了大電機的頻繁啟動、制動造成的電網電壓的波動，對車間其他用電設備的影響，提高了設備的運行效率。

本系統設計技術先進：采用PLC和全數字直流調速器進行定尺控制，控制精度高，生產線柔性化程度高;采用觸摸顯示屏給定工件的長度，修改系統參數，顯示系統狀態，快捷方便。

參考文獻

[1]MentorⅡ《全數字直流調速器》說明手冊.

[2]MentorⅡ? User Guide.

[3]C200HX可編程序控制器編程手冊OMRON.