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变频器在钢板定尺剪切机床中的应用

变频器在钢板定尺剪切机床中的应用

2007/6/21 9:34:00
1 引言 本文叙述的“钢板定尺剪切机床”是一种简称,实际上是由四个分部组成的组合机床,全称为“(金属卷板)开卷、校平、纵横剪切、落料生产线”(参见图1)。作者采用三菱变频器、三菱PLC、三菱触摸屏和欧姆龙旋转编码器等器件,组成生产线的自动控制系统,在兼顾横剪精度和生产效率的前提下,利用PLC的高速计数功能和变频器的多段速控制功能,有效地控制校平辊和压辊的启动、运行、降速、爬行和准确停车,从而实现了金属板材的高效自动定尺剪切。整个自控系统的造价仅为交流伺服系统造价的1/6~1/5,不失为一种高性价比的定位控制系统。 2 钢板定尺剪切机床自控系统的配置 钢板定尺剪切机床自动控制系统配置如图1所示,设备清单如下。
图1图1 钢板定尺剪切机床自动控制系统配置
(1) 校平机变频器:三菱FR-A540-30K-CH(多功能矢量控制型); (2) 校平机变频器配套制动单元和制动电阻:加能电子ICP-DR-1s制动单元、23Ω/3kW制动电阻; (3) 输送机变频器:三菱FR-E540-2.2K-CH(简易矢量控制型); (4) PLC:三菱FX2N-32MR-001(输入16点、输出16点); (5) 触摸屏:三菱F930GOT-BWD-C(4.4英寸、STN蓝白屏); (6) 旋转编码器:欧姆龙E6H-CWZ6C(中空轴型、分辨率:2500p/r、集电极开路输出、24VDC)。 3 钢板定尺剪切机床自控系统关键器件的选型及安装 3.1 校平机变频器及配套器件的选型 校平机电气拖动的作用主要是驱动校平轧辊运动,其阻力矩等于轧辊和钢板之间的摩擦力和轧辊半径的乘积。在这里,轧辊的半径是恒定不变的,摩擦力的大小也与转速无关,这是典型的恒转矩负载机械特性,因而选用三菱FR-A540-30K变频器。三菱A540型变频器除了具有先进的磁通矢量控制特性外,还具有多段速控制功能、“柔性脉宽调制”功能和调速范围宽等优良特性。 因三菱原装的制动单元和制动电阻价格较贵,故外配深圳加能电子公司采用加拿大技术生产的器件,其电阻能耗制动单元具有短路保护、全电压自动跟踪、全程噪声过滤、使用普通电阻等功能和特点。 3.2 PLC和旋转编码器的选型 三菱FX2N型PLC是FX系列小型PLC中运算速度最快的机型:每条基本指令运算速度为0.08μs,每条应用指令运算速度为1.52至几百μs。作者为另一台剪切机床配置自控系统时曾采用过FX1N型PLC,其每条基本指令的运算速度为为0.55~0.7μs,每条应用指令运算速度为3.7至几百μs。与FX1N型PLC相比,FX2N型PLC运算速度快,指令丰富,其控制的机床剪切精度也较高。因此,这类有快速响应要求的系统应尽可能地采用运算速度较快的PLC。 FX2N型PLC内置多个高速计数器。根据系统具体情况,选用频率30kHz的A-B相型双计数输入的C251计数器。C251计数器不仅提供计数信号,还提供计数的方向:利用旋转轴上安装的A/B相型编码器,在机械正转时自动进行加计数,反转时自动进行减计数。编码器的旋转方向也有正反符号:若将PLC的X0、X1与编码器的A相、B相相连,面对轴心顺时钟旋转计数为正,逆时钟旋转计数为负。这个系统在安装编码器时正好使计数值为负,于是将PLC的X0、X1输入点改为与编码器的B相、A相接线端相连,钢板前进时计数数值为正值。其次,PLC的高速计数器的运行建立在中断的基础上,这意味着事件的触发与扫描周期无关,大大地提高了系统响应速度—当计数当前值与预置数值相等时,PLC的输出点能快速地控制变频器的定位运行。 旋转编码器型号采用欧姆龙E6H增量式中空轴型。它不需要弹性耦合器的连动轴,可直接用螺杆螺母与下压辊轴心硬连接,编码器机身则用支架固定在下压辊的轴承座上。E6H-CWZ6C型号中分辨率最高等级为3600p/r,价格也最贵。考虑技术经济等多方面因素,采用分辨率为2500p/r的规格。也曾试用过同型号的2000p/r编码器,因分辨率差一个等级,整机性能也受到影响。 4 钢板定尺剪切机床控制的特点及PLC编程 4.1 钢板定尺剪切机床控制的特点和对策 与交流伺服系统不同,变频器和三相异步电机不可能在高速运行状态下迅速停车,必须有一个降速和低速爬行的过程,才能保证定位点的准确(参见图2)。
图2图2 变频器定位运行降速控制规律
另外,钢板剪切的长度与毛巾平网印花机的花色间距不同,它不是定值,而是从几十毫米到数千毫米不等,因此不可能采用同样的运行速度和同样的降速爬行距离。否则,变频器的定位停车会处于一种无序状态,剪切精度和生产效率也不能得到平衡和兼顾。 针对机床的上述特点,我们采用如下对策:将钢板校平运行速度分为6档,将钢板定尺长度与速度对应,再根据校平速度摸索出降速爬行距离经验数据。所有钢板的爬行速度固定为0.4m/min(参见附表)。为了防止误操作可能带来剪切次品和废品,在PLC中编写相应程序:在机器启动前,必须根据加工对象并按照附表数据在触摸屏上进行速度设定,否则将无法开机(参见图3)。触摸屏上速度启动键采用PLC中的“一般用辅助继电器”(M0-M499)。画面中的虚线框是指示灯,当选中了下方某一速度时,其虚线框内变成蓝色。
图3图3 校平机速度选定的触摸屏画面
附表中的经验数据储存在PLC的“停电保持数据寄存器”(D200~D511)中,并且可以在触摸屏上随时修改原数据和保存新数据,停电后数据也不会丢失(参见图4、图5)。 附表 钢板运行数据表
图4图4 爬行距离设定的触摸屏画面1
图5图5 爬行距离设定的触摸屏画面2
因为是用于矫正校平,加之纵剪横剪同时启动时,钢板最高25m/min的运行速度完全可以满足生产需要,而以20m/min的速度使用频率最高。从运行的情况看,这种分段处理的方法以及经验数据是行之有效的。 4.2 钢板定尺剪切机床的PLC编程 (1) PLC的高速计数器指令 这是定尺剪切机床PLC程序的核心,也是变频器定位控制的关键。FX系列PLC有三条相关指令:高速计数器置位指令HSCS、高速计数器复位指令HSCR和高速计数器区间比较指令HSZ。曾选用FX1N型PLC,故只能采用其高速计数器复位HSCR指令,用C251计数到的下降沿复位Y0输出点,进而断开变频器的正向启动端使其停车,但是由于其下降沿时间过于短促,捕捉信号时不够稳定,后改用FX2N型PLC,采用其独有的32位的DHSZ(Zone compare for High Speed Counter)指令。 PLC程序见图6。程序中M8002是初始化脉冲辅助继电器; X007是横剪机的下死点行程开关; RST是复位指令; ZRST是区间复位指令; M10是单次/连续工作条件; M8000是常通辅助继电器; D10是可赋值的总脉冲数; D14是可赋值的降速爬行点距定位点的脉冲数(参阅下节)。此外,图7中的PLC的Y0输出点与变频器正向启动端STF相连; PLC的COM1与变频器的输入公共端SD相连。
图6图6 高速计数器区间比较指令应用程序
图7图7 PLC控制变频器运行的时序图
以变频器次高速40Hz运行为例,DHSZ指令比较输出的动作如下:(参见图6、图7) 当D14>C251当前值时,M200 ON; 当D14≤C251当前值时,M201 ON—Y2、Y3接通,使变频器RH、RM端接通,开始降速爬行; 当D10<C251当前值时,M202 ON—Y0断开,变频器正向启动端STF断开,变频器停机。 (2) 长度—脉冲数换算的PLC程序 钢板长度—脉冲数换算采用正比例运算方法:即先计算出2000mm长度的理论脉冲数,再用所设长度与之进行正比例运算,求出每一长度对应的脉冲数。具体程序如下: 图8所示程序,实际上是做了两个比例运算和一个减法运算:
图8图8 长度—脉冲数换算的PLC程序
D410(触摸屏设定2000mm对应脉冲数)/2000mm=D10(总脉冲数)/D420(触摸屏设定长度mm); D410(触摸屏设定2000mm对应脉冲数)/2000mm=D12(开始降速脉冲数)/D52(触摸屏设定降速长度mm); D10(总脉冲数)-D12(开始降速脉冲数)=D14(降速爬行脉冲数)。 这样处理的优点是便于修正数据,以提高变频器定位精度。图9触摸屏中的“#####”的“停电保持数据寄存器”就是D410。例如:我们在试车验收时,剪切了几十块钢板,发现所有的钢板全部超长约2mm,这说明剪切精度较为稳定,仅仅是2000mm的理论脉冲数与实际脉冲数有误差,可以用很简便的方法予以修正。
图9图9 脉冲比例调整的触摸屏画面
已知E6H编码器分辨率为2500p/r,根据理论计算:直径100mm的压辊行走2000mm需要15924个脉冲,即1mm的行走约需8个脉冲。由于压辊机械加工等因素的综合误差使得钢板超长2mm,需减少8×2=16个脉冲即总数为15908才符合实际情况。在图9所示的触摸屏上对D410(#####)赋值15908后,再行试车,剪切误差均在1mm以下,符合设计要求。 机床经过长时间的生产使用后,压辊也会有磨损,也会产生误差,这时只需对D410进行修正即可。另外若<
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