滑台式液压冲剪机高速精密同步控制系统.pdf

自动化 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 2 ． 0 7 ． 0 0 6 滑台式液压冲剪机高速精密同步控制系统 潘启 军 韶关市光栅测量控制技术研究所， 广东韶关 5 1 2 0 2 6 摘要目前国内型材辊压生产线的冲剪设备一般采用定尺停剪方式。该方式生产效率低，精度不易控制 ，常出现拉 压 痕等缺陷。所设计的系统将液压冲剪设备置于滑动平台上，平台速度由伺服电机驱动滚珠丝杆控制，将圆光栅传感器测得 的工件进料速度送人微处理器 ，通过伺服控制器控制伺服电机 ，实现滑动平台与工件的同步运动。工程应用表明，所设计 的系统同步控制精度 t O ． 0 5 m m，剪切速度大于5 O 根 3 0 0 m m ／ 根／ m i n ，冲压频率 1 H z 以上， 工作效率提高 l 倍。 关键词冲剪机；液压冲剪机；冲剪；滑台；控制 中图分类号 T G 3 1 5 ． 5 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 2 0 70 0 2 0 0 3 A Hi g h - S p e e d a n d Ac c u r a t e a n d S y n c h r 0 n i z a t i 0 n Co n t r o l S y s t e m f o r Hy d r a u l i c Pu n c h i n g a n d S h e a r i n g M a c h i n e Ba s e d o n a S l i d P l a t f o r m P AN Qi i u n I n s t i t u t e o f G r a n t i n g Me a s u r e me n t a n d C o n t r o l T e c h n i q u e s ，S h a o g u a n 5 1 2 0 2 6 ，C h i n a Ab s t r a c t Ge n e r a l l y， a s p e c ifie d l e n g t h s h e a r i n g f o r s t o p s h e a r i s a d o p t e d i n d o me s t i c p u n c h i n g a n d s h e a rin g ma c h i n e o f s e c t i o n r o l l p r o d u c t i o n l i n e ． I t s p r o d u c t i o n e f f i c i e n c y i s l o w； i t s p r e c i s i o n i s n o t e a s y c o n t r o l l e d； a n d t h e r e a r e o fte n s o me c i n c h ma r k s， d e n t s a n d e t c ． A h y d r a u l i c p u n c h i n g a n d s h e a rin g ma c h i n e i s e q u i p p e d o n a s l i d p l a t f o r m． T h e s l i d p l a t f o rm ’ S v e l o c i t y i s c o n t r o l l e d b y b a l l s c r e w t h a t i s d riv e n b y s e r v o mo t o r ． Th e v e l o c i t y me a s u r e d b y g r a t i n g s e n s o r i s s e r v e d i n t o MCU． Th e s e r v o mo t o r i s c o n t r o l l e d b y MCU． S o t h e s l i d p l a t f o rm a n d wo r k p i e c e ’ S s y n c h r o n o u s mo v e me n t i s r e a l i z e d． Th e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s ho ws t h a t t h e s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l p r e c i s i o n i s t O ． 0 5 ram，s h e a r v e l o c i t y i s mo r e t h a n 5 0 p i e c e s 3 0 0 m m／ p i e c e ／ mi n，p u n c h f r e q u e n c y i s mo r e t h a n 1 Hz ，w o r k e f fi c i e n c y i s i n c r e a s e d 1 t i me ． Ke y wo r ds p u n c h i n g a n d s h e a rin g ma c h i n e；h y d r a u l i c p un c h i n g a n d s h e a rin g ma c h i n e ；p u n c h i n g a nd s h e a r i n g ；s l i d p l a t f o rm ；c o n t r o l 0 引言 冲剪机是一种将冲压成型和剪断于一体的机 械冷加工成型设备 ，是型材辊压成型冲剪生产线 的关键设备之一，主要用于各种抽屉轨道、防盗 网、垫网、防护罩等产品的生产加工。目前，国 内在这方面进行 了一些相关研究 。阎青松等开发 了一种新 型液压联合 冲剪机 Q A 3 5 Y 一 3 0 ，该设 备 采 用单 缸结构 ，通过机 械杠 杆驱动 冲压工作 机 构 ；采取单片机控制，可实现单次、连续 、微动 等冲压及剪切操作，并具有 自动计数及预置等功 能 ；剪切工作机构采用参数优化设计 ，在功率相 同、结构简化的情况下 ，可剪切的最大方钢 、圆 钢 、角钢等尺寸明显增加 ，一次剪切宽度可提高 收稿 日期 2 0 1 20 4 2 8 2 8 ． 3 ％，机器的净重降低了 1 t ，外形长度尺寸减小 4 0 0 m m，减少率达 1 4 ．7 ％t。。 。孙友松等设计了一 种液压联合冲剪机的杠杆一 摇块剪板机构 ，进行了 运动 和受力分析 ，建立 了剪板机构优化设计 的数 学模 型 ；按该方法进行产 品设计 ，一次行程剪切 宽度增加 3 7 ． 7 m m，大大减少耗料 ，刚度也得到增 加 。陈星星设计 了带折边钣 金件 的数控冲剪 。 但是 目 前国内型材辊压生产线上的冲剪设备一般 采用定尺停剪方式。这种方式是硬件 固定好要剪 切 物料 的长度 ，采 用减速 或停机 的方法 进行剪 切。定尺停剪控制简单 ，定尺重复精度较好 ，但 生产效率低 ，产品质量不易控制，常常出现拉 压 痕等缺陷。此外 ，冲剪机构频繁起停将降低 工业自动 设备的使用寿命，而且不适用于刚性较小的型材 的 冲剪 。而同类进 口设 备价格 昂贵 ，结构复杂 ， 维护费用高等[5- 7 ]。为此，研制了滑台式液压冲剪 高速精密 同步控制系统 。 1 滑台式液压冲剪高速精密同步控制系统 1 ． 1 型材辊压冲剪生产线及监控系统 型材辊压冲剪生产线 如图 1 所示 。它 由送 料 系统 、型材辊压成型系统 、冷却系统 、工件校直 系统、速度测试系统、工件定长测控系统、冲剪 装置与工件同步控制系统、液压冲剪系统和辅助 系统等组成。本系统将液压冲剪设备置于滑动平 台上 ，平台速度由伺服电机驱动滚珠丝杆控制， 将圆光栅传感器测得的工件进料速度送人微处理 l l 1 ． 辊压成型线2 ． 机柜3 ． 送料机4 ． 滚筒5 ． 辊 压成 型机6 ． 马达7 ． 水箱8 ． 水泵9 ． 水槽1 0 ． 工件 校直 单元1 1 ． 伺服电机1 2 ． 圆光栅l 3 ． 模具l 4 ． 冲剪液 压缸1 5 ． 油管1 6． 液压站1 7 ． 液压站驱动电机 图 l 型材辊压冲剪生产线示意图 器 ，通过伺服控制器控制伺服电机 ，实现滑动平 台与工件的同步运动。送料机将坯料送至其后端 的辊轮 ，辊轮将坯料校直 ；辊轮后端设有若 干辊 压机 ，辊压机 由一侧 的电机带动运转 ，辊压机在 坯料向前运行过程 中成型压制 ；电机下方设有水 箱 ，水箱 中的冷却液通过水泵抽到辊轮机 中，对 辊压机进行冷却 ，辊压机两侧均设有水槽，冷却 水被使用后，通过水槽流回水箱循环使用；辊压 机后端设有 固定架 ，固定架上设有校直系统对工 件进行校直，同时对工件进行导向；校直系统下 方设有伺服电机，伺服电机通过智能控制台控 制 ，当工件前进到合适位移量 ，就会进行 同步随 动，然后对工件进行冲压剪切，固定架侧边装有 圆光栅传感器，圆光栅传感器连接到智能控制模 块，伺服电机后端设有模具组，模具上方设有冲 孑 L 的液压油缸 ，液压系统上部设有液压电机 ，整 个冲孔运动由液压系统提供动力。控制系统的设 计是对在线经过辊轧机轧制成型的型材进行 同步 跟踪 ，在同步跟踪段内进行冲孑 L ，另可根据产品 需要进行二次冲孔 ，冲压完成后进行剪断 ，在整 个生产过程进料速度保持不变。 型材辊压冲剪生产线状态监测控制系统如图 2 所示 。监控 系统 以双微处理器为核心 ，主要监 控 5 个 系统 工件进料系统 、辊压 系统 、液压冲 剪系统、高速同步跟随系统和冷却系统。进料系 统由进料电动机驱动进给卷筒以实现工件坯料进 给 ，为保证不同工件 的进给速度要求 ，电动机由 变频 器控制 以实现不 同速度运行 。辊压 系统 由专 用控制 系统进行监控 。液压 冲剪系统 由电动机驱 动柱 塞泵 ，为液压 系统提供压力油 ，并对冲剪动 作进行控制。高速同步跟随系统由伺服电动机驱 动滚珠丝杆转动 ，带动液压 冲剪机构与 以一定速 度前进的工件高速精密同步随动跟进。冷却系统 由电动机驱动水泵将冷却液送到辊压机冷却系统 以对辊压机进行循环冷却 。 探 ； 作 i 台 光电传感器 工件进料系统 位移传感器 状 位 置传感器 态 辊压 系统 温唐佬威盛 监 测 。 4 液 压 冲 剪 系 统 信 开 及 号 关 控 精密同步系统 指 制 信 尔 号 系 冷却 系统 灯 统 辅助 系统 图2 型材辊压冲剪生产线监控系统示意图 1 ． 2冲剪液压系统 为 了 保 证 型 材 出 料 速 度 达 5 O根 3 0 0 mm ／ 根／ ra i n 以上、液压冲剪速度以及在线同时完成2 次 冲压 、1 次剪断 ，冲剪液压系统 的工作频率大 于 1 H z 、工 作 压 力 2 5 MP a 。液 压 系 统 采 用 柱 塞 泵、插装阀、蓄能器 、两组冲剪液压缸，液压系 统流量大 、压力高 ，冲剪液压缸 冲压速度快 、冲 [二] 二 二 [ G 化 剪频率高、压力大、设备结构紧凑、体积小，以 满足设备功能要求。冲剪液压系统如图3 所示。 图3 冲剪液压系统原理图 1 ． 3 滑台高速精密同步跟随控制系统 型材辊压冲剪生产线状态监控系统 中，滑台 高速精密同步跟随控制 系统是最关键 、最难控制 的系统之一。其运动过程将影响剪切 、冲压精度 和系统的稳定性。一个冲压、剪切工作循环包括 等待 、加速 、同步 、冲压 、剪切 、正向减速停 止 、反向运动 、原点停止等一系列 动作 。该 系统 由圆光栅传感器 、双微处理器智能控制系统 、交 流伺服控制器 、伺 服电机 、脉 冲信号调理模块 、 高速光电隔离控制模块 、输入输 出控制模块 、光 电开关等组成 ，系统框 图如 图4 所示 。由圆光栅 传感器测量工件进给速度送入双微处理器智能控 制系统处理 ，通过交流伺服控制器控制伺服电机 转速 ，从而通过滚珠丝杆控制滑台运动速度 ，使 滑动平台速度与工件进给速度一致 ，实现滑动平 台与工件的同步运动 ，方便液压冲剪 系统对工件 的冲剪 。运动控制算法采用闭环矢量控制法 。滑 动平台速度控制 曲线如图5 所示。 1 O A段 。等待 ，滑动平 台静止在起始点 ， 当型材 伸 出到预定长 度时 ，控制器 发 出控制 指 令 ，使滑动平台进入到速度跟踪段A B。 2 A B段。追踪，控制器发出指令使滑动平 台加速到与型材同步 ，加速 时间少于 l O O ms 。同 时检测型材 尺寸是 否到达 冲孔定长 ，若 到达定 长，则发出冲压命令。 3 B C段。同步，此时 ，滑动平台与型材速 度 同步 ，控制器 检测 型材 是否到 达预定 断料尺 寸 ，若到达 ，则发出断料指令。 4 C D段 。正向减速 ，控制器接受到剪切完 成以后，立即发停止信号，使滑动平台速度减为 零 ，停止正向运行。 5 D ， 段 。反向运行 ，要经过反 向加速 、反 向运行。反 向减速 ，直至反 向停止 。滑动平 台归 位零点 ，反 向运行时 ，应当由控制器发 出绝对位 置定位指令 ，避免二次误差或者累积误差 ，保证 下一次剪切精度 。 为了保证高速精密同步运行，必须对脉冲进 行快速处理。系统采用高线数的光栅传感器 ，光 栅信号经倍 比齿轮和电路硬件放大倍频后已达 1 3 万脉冲／ 圈以上再经软件处理去控制伺服电机 以实 现高速同步。实验证明这种控制方法比电压式控 位移控制环 图4 高速精密同步跟随控制系统示意图 F G 图5 滑动平台速度控制曲线 下转 第1 4 9 页 应用技 7 馈线断路器跳 闸； 8 充电浮充 电装置故障 ； 9 U P S装置故障 ； 1 O 绝缘监察／ 监控装置装置故障。 2 系统监控 监控装置 智能控制单元 其功能是监控 U P S 、蓄 电池组 和 配 电状 态 ，监 控 装 置应 能显 示下列信息 1 输入端参数 ；2 输 出端参数 ； 3 U P S 直流母线参数 ；4 充 电装置状态 ；5 蓄 电池组状态 ；6 充 电装置运行状态 ；7 U P S运 行状态。 监控装置根据整合U P S 电源的工作状态和参 数变化趋势 ，及时、准确判断异常或故障类型， 并 自动实施异常工况 限制 、故 障保护和声光报警 显示 功能 。监控装 置应具 有 自检和人 机对话 功 能 ，配置标准 串行接 口、网络接 口和 U S B接 口， 实现对设备的遥信 、遥测及遥控功能并方便导出 运行记录。 7 整合 UP S电源容量 根据 目前 已运营车站各机 电系统 U P S 容量的 统计 ，其总容量约为 1 2 0 k V A，具体统计表如表 2 所 示 。 8 结论 综上所述 ，在地铁车站整合 U P S电源在选择 整体式 1 1 并机冗余的模式下 ，既能满足各机电 系统对 电源高可靠性的要求 ，又能在投资 、维护 上接 第 2 2页 制法提高了控制性能和精度 。脉冲信号 的硬件数 量和软件倍频要适合，并且做好信号的抗干扰处 理 。系统采用长线驱动器 和高速光 电隔离处理 圆 光栅出来的信号 。 2工程应用及结论 该滑台式高速精密液压冲剪 系统在广东省佛 山市某 型材加工厂得到应用 ， 目前仍运行 良好 ， 企业 的生产 和经济效应有 了明显提高 。工程应用 表 明 ，同步控 制精度 0 ． 0 5 ram，剪切速度在 5 0 根 3 0 0 ra m ／ 根 ／ rai n 以上 ，冲压频率 1 Hz 以上 ，生产效 率提高 1 倍 。且系统操作简单 ，运行可靠 ，相对 于同类进 口设备其成本大大降低 ，适用于剪切各 种规格的型材加工。该技术可为同类设备及相关 技术提供借鉴， 具有广泛的推广应用价值。 参考文献 [ 1 ]阎青松，陈华丰． Q A 3 5 Y一 3 0 液压联合冲剪机的研制 表 2 UP S容量统计 管理 、节 约资 源等方 面均具有 一定 的优势 。因 此 ，在地铁车站应用整合 U P S电源是可行 的。目 前 ，在 国内各城市轨道交通工程中，部分城市如 北京 、上海 、深圳等地也实施 了整合 U P S电源的 工作 ，不论采用模块式 的N X并机模式 ，还是采 用整体式 1 1 并机冗余 ，抑或是单机模式，都能 满足地铁运营的需求。 参考 文献 [ 1 ]G B 5 0 1 5 7 2 0 0 3 ． 地铁设计规范 [ S ]． [ 2 ]J G J 1 6 2 0 0 8 ． 民用建筑电气设计规范 [ s ]． 作者简介程强，男，1 9 7 8 年生，湖北人 ，大学本科 ， 工程师。研究领域电气。已发表论文1 篇。 编辑 向飞 [ J ]． 锻压技术，2 0 0 8 ，3 3 1 1 0 9 1 1 2 ． [ 2 ]阎青松，刘杰，陈华丰． 液压联合冲剪机剪切机构的 建模与仿真 [ J ]． 机械，2 0 0 8 ，3 5 4 1 7 2 0 ． [ 3 ]孙友松，朱新榕． 杠杆式液压联合冲剪机剪板机构优 化设计 [ J ]． 锻压技术，1 9 9 8 1 4 7 5 1 ． [ 4 ]陈星星． 带折边钣金件 的数控冲剪 [ J ]． 金属加工， 2 0 0 9 5 5 4 5 5 ． [ 5 ]刘伯军． 多工位 冲剪机转台 [ J ]． 机械工程师，2 0 0 0 7 3 8 3 8 ． [ 6 ]王东明，李世军． 数控角钢 自动冲剪线 [ J ]． 机床 电 器，2 0 0 1 2 1 1 - 1 4 ． [ 7 ]张永林，马小建． 快速微网冲剪机步进送料系统的研 究与设计 [ J ]． 机械工程师，2 0 0 1 1 2 1 2 1 3 ． 作者简介潘启军，男，1 9 7 0 年生，广东韶关人，大学专 科，工程N／ 高级技师。研究领域 光机电一体化、检测 与控制。已发表论文1 篇。 编辑 阮毅 L 一 L