薄壁长细管专用卷板机的计算机控制
[卷板机W11JB三辊对称卷板机系列上辊万能式卷板机非标卷板机大型上辊万能式卷板机校平机吊装机]
摘要 提出了由通用计算机扩展接口模板构成的集中式卷板机计算机控制系统结构, 讨论了对交流异步电机采用预测Bang-Bang控制,对液压伺服采用双闭环智能模糊控制和对压 力进行分时控制的控制策略,并且开发了一个简单实用的示教系统。
Abstract：The architecture of centralized computer control system compo sed of microcomputer with expanded interface board for thin-walled pipe roller h as been proposed accompanied with discussion of forecast Bang-Bang control of AC asynchronous motor and intelligent double-loop fuzzy control of the hydraulic s ervo and time-sharing control of hydraulic pressure with a simple and practical demonstration system developed.
Keywords: Pipe-roller， Computer control， Demonstration system
壁厚为0.8～3mm,长度达6 000mm,直径为180～400mm的不锈钢管的制造,原采用折弯机逐次折 弯工艺成形,生产效率低,管壁不光滑,严重影响了不锈钢管的精度和质量。受生产企业的委 托,我们研制了一台专用的水平下调式三辊卷板机。
1 卷板机结构简介
卷板机结构如图1所示。下辊由两个主辊和下托辊组成,具 有足够的刚度,异步电机D通过减速机构驱动下辊水平运移动。
图1 卷板机结构示意图
上辊直径为180～360mm(对于不同壁厚和管径的工件,卷板机的上辊可以更换),卷制区长度为 6 000mm,总长度超过8 000mm。这样的长细杆刚度很差,自重就已使上辊变形,如果仅采用左 右两个液压缸下压,会使上辊中部上翘,卷制出的钢管呈现中间粗的鼓形,需要采用措施克服 。
上辊由A1和A2左右两个主缸驱动。卷板机工作时,D使下辊水平移动到指定位置,A1和A 2使上辊下压到指定位置后, 左右上托缸B1和B2再下压,到达设定压力后停止,用于消 除上辊的上翘变形。卷板工作时,D使下辊回到中间位置,B1和B2脱离上辊,左右两反支承 缸C1和C2上升,到达设定压力后停止,反支承缸使上辊为杠杆,主缸为杠杆支点,在上辊中 部形成下压的力，消除上辊的上翘变形,各液压缸运动到位后,下辊旋转完成卷板过程。（卷板机W11JB三辊对称卷板机系列上辊万能式卷板机非标卷板机大型上辊万能式卷板机校平机吊装机卷板机、卷板机价格、卷板机型号、卷板机分类、卷板机作用、卷板机应用、卷板机维修、）
2 控制系统的结构
薄壁长细管卷板机的计算机控制对象是D、A1和A2三个伺服运动轴,B1和B2与C1和 C2的压力及其他一些开关量。其中，D轴由普通交流异步电机驱动,A1和A2液压缸使用 了比例换向阀,三个伺服运动轴都使用光栅尺检测位置,控制精度要求为±0.1mm,A1和A2还要求同步精度为±0.1mm。B1和B2与C1和C2液压缸的压力控制精度为+0.5-0.1MPa,由于存在泄漏,卷板过程中需要不断监测压力,压力超标后需要及时补偿。（卷板机W11JB三辊对称卷板机系列上辊万能式卷板机非标卷板机大型上辊万能式卷板机校平机吊装机）
计算机控制系统控制的对象多,控制规律复杂。若采用分布控制，因其结构复杂,导致可靠性 低(在机床控制中,分布控制系统中任何子系统故障都将导致整个系统的瘫痪)、成本高,故采 用集中式控制结构,通过软件技术来实现对各个对象的分布控制。（卷板机W11JB三辊对称卷板机系列上辊万能式卷板机非标卷板机大型上辊万能式卷板机校平机吊装机卷板机、卷板机价格、卷板机型号、卷板机分类、卷板机作用、卷板机应用、卷板机维修）
图2是薄壁长细管卷板机计算机控制系统的结构,使用了All-in-One单板计算机(SBC)。它通 过ISA总线扩展了一块16路12位A/D模板,用于检测各个液压缸的工作压力和比例溢流阀的溢 流压力;一块4路12位D/A模板,用于控制两个比例换向阀系统的结构和一个比例溢流阀;一块光隔I/O模板,实现内装PLC功能,完 成开关量控制;一块ROM/RAM电子盘模板,用于固化控制软件和存储参数文件,使系统能够去掉 硬盘,提高可靠性。光栅尺输出的TTL电平的脉冲信号在机床侧转换成RS422差动电平,长距离 传输到控制系统后,再将RS422电平转换成RS232电平,输入到SBC的串行通信接口COM1和COM2, 用软件对三路光栅尺脉冲进行鉴相和计数。这种接口方式省去了专用的计数模板, 提高了可 靠性, 降低了成本。（卷板机W11JB三辊对称卷板机系列 上辊万能式卷板机非标卷板机大型上辊万能式卷板机校平机吊装机卷板机、卷板机价格、卷板机型号、卷板机分类、卷板机作用、卷板机应用、卷板机维修）
图2 卷板机计算机控制
3 控制策略
3.1 D轴交流异步电机控制
普通交流异步电动机通过大速比的减速机和涡轮涡杆机构，推动下辊水平移动。为了降低成 本,系统中没有使用变频器和制动机构,对异步电动机的控制只能采用继电器型的Bang-Bang 控制,即控制信号的幅值始终取最大值。由于惯性和开关作用，存在一定延时,所以会使系统 在定位附近产生极限环,导致系统的自振荡。（卷板机 W11JB三辊对称卷板机系列 上辊万能式卷板机非标卷板机大型上辊万能式卷板机校平机吊装机卷板机、卷板机价格、卷板机型号、卷板机分类、卷板机作用、卷板机应用、卷板机维修）
为了克服自振荡,需要对开关切换点进行准确预测。下辊的摩擦阻力f可以近似认为是与 速度V无关的常数,在一定的初始速度下,下辊依靠惯性滑行的距离d=kV2(k--与下 辊摩擦阻力和质量有关的常数)。当异步电机拖动下辊到达距定位点为d的位置时,切断电 机电源,下辊依靠惯性滑行到定位点。由于下辊导轨的润滑情况和负载质量会发生变化,因此 ，计算机每次在下辊滑行时动态辨识出系数k,作为下次控制的参数,此参数掉电保持， 以便再次启动时使用。（卷板机W11JB三辊对称卷板机系列 上辊万能式卷板机非标卷板机大型上辊万能式卷板机校平机吊装机卷板机、卷板机价格、卷板机型号、卷板机分类、卷板机作用、卷板机应用、卷板机维修）
3.2 A1和A2液压伺服的控制
基于液压系统存在死区和非线性增益及其他一些“软量”,要精确求解此类非线性时变系统 比较困难。本系统使用了双闭环智能模糊控制器,其方框图如图3所示。
图3 双闭环智能模糊控制器
外环为位置环,为比例控制,增益为KP；内环为速度环,为智能模糊PID控制。为了使左右 液压缸同步运动,在位置反馈环节上还设置了用于同步控制的PI控制器。双闭环控制使位置 控制与速度控制分离,便于控制参数的分别调整和优化,容易实现较好的控制效果。位置控制 与速度控制的分离使左右液压缸同步控制算法简单,这里只采用了普通的PI控制。(卷板机、卷板机价格、卷板机型号、卷板机分类、卷板机作用、卷板机应用、卷板机维修)
速度环的智能模糊PID控制器是控制系统的核心,它由普通的PID控制器调整控制参数的规则 库和推理机组成。系统中还有自适应参数调整器,它不断监视调节时间、最大超调量和稳态 误差等特征量。根据模糊控制原理和专家经验,在不知道实际系统数学模型的情况下,可自动 检测和补偿系统的死区,在一定范围内调整控制器的规则库,使系统具有最快的响应,同时超 调量和稳态误差都在规定的范围之内。
为了避免比例阀频繁动作,位置控制器采用了简单的变参数策略。当位置误差小于规定值时, 位置环增益KP等于零,即位置环的输出为零,这样能显著减少比例阀的动作。（卷板机W11JB三辊对称卷板机系列 上辊万能式卷板机非标卷板机大型上辊万能式卷板机校平机吊装机卷板机、卷板机价格、卷板机型号、卷板机分类、卷板机作用、卷板机应用、卷板机维修）
3.3 B1和B2与C1和C2轴压力和比例溢流阀控制
B1和B2与C1和C2轴的压力对卷板质量有很大的影响,其供油压力通过比例溢流阀的 调整来控制。比例溢流阀采用开环控制,液压缸压力控制过程为:①根据电压-压力对照表设 置比例溢流阀的压力；②延时等待比例溢流阀压力稳定；③开关阀开启向液压缸供油；④液 压缸压力到达设定值时关闭开关阀,控制过程结束。在液压缸初始加压时,为了避免对上辊的 冲击,使上辊发生位移,采取了逐次加压的控制策略;在卷板过程中,计算机不断监视液压缸的 压力，当低于规定下限时，自动进行补油。
为了降低成本，液压系统中只有一个比例溢流阀给所有的液压缸提供压力。为此，控制软件 中还有一个比例溢流阀的动态分配器,使各液压缸能够分时复用。（卷板机W11JB三辊对称卷板机系列上辊万能式卷板机非标卷板机大型上辊万能式卷板机校平机吊装机卷板机、卷板机价格、卷板机型号、卷板机分类、卷板机作用、卷板机应用、卷板机维修）
4 示教系统
卷板机动作的液压缸多,相互配合的动作复杂，对于不同板材的加工,成形步骤和各液压缸的 位移压力有很大差异。由于板材弯曲过程是一个非线性、连续渐变的非稳态变形过程,影响 因素多且互相偶合,靠计算机程序自动加工是不现实的,而人工操作又容易发生差错,故开发 了一个简易的示教系统。
示教系统是一张状态记录表,记录表由若干行组成，每行记录卷板机在某工况下的的主缸位 移、下辊水平位移和各液压缸的压力。示 教系统的工作过程如下:①人工控制卷板的成形过程,每次成形时,由人工按下记录按钮,计算 机会把当前卷板机各执行机构的状态参数记录到光标所在的参数行,调整光标,为下次记录作 准备;②卷板结束后,由人工对记录下的原始数据进行归纳和修改;③卷制相同板材时,调动光 标到所需的参数行,按下定位按钮,计算机会自动控制卷板机的各执行部件到达设定的参数状 态;④使下辊旋转,完成一次成形过程,重复③直到记录的所有成形过程结束。（卷板机W11JB三辊对称卷板机系列上辊万能式卷板机非标卷板机大型上辊万能式卷板机校平机吊装机卷板机、卷板机价格、卷板机型号、卷板机分类、卷板机作用、卷板机应用、卷板机维修）
示教系统的状态记录表是掉电保持的,在大批卷板时,能有效降低操作的复杂程度,提高效率 。
以上所讨论的薄壁长细管卷板机的计算机控制系统已成功应用于生产实践中,对所有执行机 构的控制都达到了控制精度要求。整个控制系统结构简洁、成本低、可靠性高。
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