水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)自動控制系統(tǒng)研究

李宏遠(yuǎn)，劉 歡，黃金鑫

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

0 引言

作為一種可將板料彎曲加工的塑性機(jī)床，卷板機(jī)近些年得到了迅速發(fā)展，已廣泛用于造船、鍋爐、宇航和石油化工等行業(yè)［1］。國外卷板設(shè)備水平較高，意大利PROMAU公司、日本富士車輛公司［2］等研發(fā)的產(chǎn)品，在設(shè)計上多采用機(jī)械式或機(jī)液混合驅(qū)動式；國內(nèi)的生產(chǎn)起步較晚但發(fā)展很快，沈陽重型機(jī)械廠、南京環(huán)力重工機(jī)械公司［3］等生產(chǎn)的非對稱三輥、四輥卷板機(jī)也已成為行業(yè)的主導(dǎo)。然而，局限于對功率的要求，傳統(tǒng)的三輥卷板機(jī)大多采用交流電機(jī)驅(qū)動，配合手工操作。該方式加工效率低，精度也難以保證，已不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代市場對產(chǎn)品質(zhì)量和性能的要求。因此，本文提出一種針對水平下調(diào)式［4］三輥卷板機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計方案，利用PLC和液壓傳動將電、機(jī)、液有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)對設(shè)備的自動控制，取代人工勞動，改善了工作條件，提高了加工效率和精度。

1 工藝分析

相比對稱式卷板機(jī)需借助其他設(shè)備進(jìn)行預(yù)彎的限制，非對稱式設(shè)計更加合理有效，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比如圖1所示。

圖1 對稱式與非對稱式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比

卷板時，將板料置于上、下工作輥之間。上輥垂直升降，兩下輥?zhàn)鲂D(zhuǎn)運(yùn)動且相對于上輥軸心面水平移動。上輥下降時，板材在上、下工作輥之間發(fā)生塑性變形而彎曲。下輥連續(xù)旋轉(zhuǎn)通過板與輥之間的摩擦力帶動鋼板進(jìn)、退，完成卷制。具體分為4步：預(yù)彎、對中、卷圓和矯圓［5］，如圖2所示。

圖2 三輥卷板機(jī)工藝過程

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

利用可編程序控制器實現(xiàn)對設(shè)備的整體操作和狀態(tài)監(jiān)控，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體控制

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

水平下調(diào)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于其靈活性，下輥為主動輥，可自由移動，上輥為從動輥，可垂直升降。針對以上特點(diǎn)，液壓控制系統(tǒng)分為3個子系統(tǒng)，即上輥液壓系統(tǒng)、下輥液壓系統(tǒng)和卸載液壓系統(tǒng)，如圖4所示。

上輥液壓系統(tǒng)用于驅(qū)動上輥完成垂直升降，兩端的同步性至關(guān)重要，若不同步，則卷制出來的圓筒會出現(xiàn)喇叭形，從而造成加工缺陷。

液壓泵電機(jī)啟動，電氣控制系統(tǒng)發(fā)出信號，電磁鐵YV5得電時，使得電磁鐵YV7、YV8得電，升降缸1和2的A孔進(jìn)油，B口回油，使輥?zhàn)觾啥寺湎拢瓿缮陷佂驳拇怪毕陆颠^程。如果在這一過程中，升降缸1的一段達(dá)到了指定刻度，升降缸2的一段尚未到達(dá)，則電磁鐵YV7斷電，升降缸1停止進(jìn)油，直至升降缸2一段也達(dá)到指定刻度時電磁鐵YV8斷電，以此來保證上輥下降的同步性，并實現(xiàn)在工作過程中上輥軸線與下輥軸線始終平行的要求。輥筒上升過程與此相反。

圖4 液壓原理圖

下輥液壓系統(tǒng)用于驅(qū)動下輥及支撐輥完成水平位移，工作過程及同步控制原理與上輥液壓系統(tǒng)相似，在此不再贅述。

卸載液壓系統(tǒng)則用于驅(qū)動鋼架水平位移完成對產(chǎn)品的卸載和自身復(fù)位。當(dāng)產(chǎn)品加工完成時，卸載系統(tǒng)啟動，電磁鐵YV9得電，卸載缸的A口進(jìn)油，B口回油，使鋼架水平向左運(yùn)動，進(jìn)而推動產(chǎn)品運(yùn)動，完成卸載。當(dāng)電磁鐵YV10得電時，卸載缸的B口進(jìn)油，A口回油，使鋼架水平向右運(yùn)動，完成自身復(fù)位。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 電路設(shè)計

主電路采用3臺電動機(jī)，液壓泵電動機(jī)M1，上輥旋轉(zhuǎn)電動機(jī)M2和下輥旋轉(zhuǎn)電動機(jī)M3。上、下輥旋轉(zhuǎn)電動機(jī)為三相繞線式。

控制電路則包含PLC的電源、接地、輸入、輸出、通信等接線端子到各輸出端子板或柜內(nèi)其他電器元件之間的連接，其外部接線如圖5所示。

圖5 PLC外部接線圖

4.2 流程設(shè)計

首先根據(jù)卷板機(jī)加工順序把復(fù)雜的控制過程分解為若干個工序，然后將各工序看成是一種工作狀態(tài)，并將它們聯(lián)系起來，其工作流程如圖6所示。

圖6 卷板機(jī)工作流程圖

4.3 系統(tǒng)測試

三菱公司的GX Developer編程軟件［6］功能強(qiáng)大，使用方便，可用于系統(tǒng)的監(jiān)控與調(diào)試。

進(jìn)入主界面，創(chuàng)建新工程，將梯形圖程序?qū)懭?。每完成一個工序，可執(zhí)行菜單命令變換，以檢驗是否正確。執(zhí)行梯形圖邏輯測試，系統(tǒng)會逐漸寫入待測試程序，直至全部完成。

這里僅以輸送板料至工作輥為例進(jìn)行測試，如圖7所示。首先啟動系統(tǒng)總按鈕，液壓泵電動機(jī)隨之啟動，下輥開始旋轉(zhuǎn)，通過與板料相接觸產(chǎn)生的摩擦力帶動板料運(yùn)動，待板料達(dá)到預(yù)彎位置時，旋轉(zhuǎn)停止。測試結(jié)果如圖7所示，與預(yù)期相一致。

圖7 板料輸送監(jiān)控時序圖

5 結(jié)論

根據(jù)水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計了全新的控制方案。采用先進(jìn)的PLC將原有的電路控制改為軟件控制，實現(xiàn)了鋼板卷制的自動循環(huán)。液壓系統(tǒng)的融入又提升了驅(qū)動的可靠性。兩者有機(jī)結(jié)合，很大程度上改善了傳統(tǒng)卷板機(jī)控制系統(tǒng)的不足。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)真實有效，符合預(yù)期。同時，操作維護(hù)簡單，既提高了加工效率和精度，又減少了人工成本。

［1］劉華，閆潔，劉斌.現(xiàn)代塑性加工新技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010（4）：10-13.

［2］邢偉榮.卷板機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010（2）：10-16.

［3］仉志強(qiáng)，宋建麗，付建華，等.板材彎卷成形工藝的研究現(xiàn)狀［J］.塑性工程學(xué)報，2014（1）：1-6，84.

［4］邢偉榮，原加強(qiáng)，郭永平.水平下調(diào)式結(jié)構(gòu)在大型三輥卷板機(jī)上的應(yīng)用［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006（5）：20-23.

［5］任育紅.水平下調(diào)式三輥卷板工藝及設(shè)備研究［D］.天津：天津大學(xué)，2006：13-16.

［6］于海龍，石東東，趙秀美.基于PLC的數(shù)控卷板機(jī)自動控制系統(tǒng)研究［J］.機(jī)械工程與自動化，2011（1）：133-134，137.