PLC應用在高精度定尺剪切控制系統(tǒng)中

1引言
生產(chǎn)飲料筒、油漆筒（桶）、機油筒（桶）等薄板類金屬容器的第一道工序就是把厚為0.2～0.5mm、寬為320～1200mm的卷板按所生產(chǎn)容器的不同剪成不同長度的板料，然后送到下面的工序，如套色印花、焊接、脹型、封口（底）等最終成型。由于后面的工序，特別是套色印花工序對長度偏差的要求甚高，為±0.25mm/1000mm（對角線偏差為±0.4mm/1000mm），單位時間的剪切數(shù)量較高,一般不少于50/min，普通的剪切設備達不到上述要求。有經(jīng)濟實力的大型企業(yè)從國外進口生產(chǎn)線，這種生產(chǎn)線從板料的開卷、校平、定尺剪切到最終成型，由工控計算機作上位機，控制多臺PLC，既由計算機根據(jù)動作需要向PLC寫入或讀出數(shù)據(jù)，達到控制整條生產(chǎn)線的目的。這種生產(chǎn)線結構復雜，價格昂貴。對于中小企業(yè)，我們研制了一種僅需1臺PLC控制的、結構簡單、造價低廉、剪切精度和剪切產(chǎn)量達到和超過上述要求的高精度定尺剪切系統(tǒng)。
剪切系統(tǒng)的結構示意如圖1所示。由圖1可見，系統(tǒng)的機械部分由夾送機構和剪切機構兩部分組成:夾送機構由交流伺服電機驅動旋轉，上下夾送輥的加緊力調至剛好壓緊板料，使板料在兩輥中按設定的速度無滑動滾動;剪切機構與一般剪床同，只是剪切的驅動力來自高壓氣體。
系統(tǒng)的電氣控制部分采用日本光洋的SU系列可編程序控制器;包括SU-5M（CPU模塊），U-01SP單軸伺服定位控制摸塊;U-05N16點DC12/24V輸入模塊;U-01T8點AC220V繼電器輸出模塊等;人機界面為CL-02DS液晶漢字顯示設定單元。伺服系統(tǒng)采用日本安川的交流伺服電機SGMGH-20ADA61和SGDM-20AD數(shù)字交流伺服驅動器。
3 定尺剪切控制
3.1 控制原理
在手動狀態(tài)（板料安裝）時，夾送輥可作正反2個方向轉動。在自動工作情況下，夾送輥的轉動方向如圖1所示。若確定單位脈沖的移動量和編碼器每轉一圈的脈沖數(shù)，當夾送輥的直徑一定時，夾送輥每轉一定的角度或圈數(shù)，板料的移動長度也就確定了。當PLC檢測到伺服電機反饋的脈沖數(shù)達到所設定的目標值（既長度）時，PLC發(fā)出信號，交流伺服電機停止轉動，同時，方向控制閥的電磁鐵通電，氣缸執(zhí)行剪切動作。剪切機構的每一次剪切使接近開關獲得1個脈沖，此脈沖即可計算剪切數(shù)量，又能作為下1個循環(huán)的開始信號。
3.2 參數(shù)設置
（1） 一般參數(shù)的設置
a） 主軸轉速（自動運轉時，下同）的確定:確定主軸的轉速要兼顧2個方面，一是生產(chǎn)能力，二是轉動慣性。轉速不是越快越好，太快，轉動慣性大，達不到精確停止的要求，剪切長度精度不高;當然，慢了，達不到生產(chǎn)力的要求。
b） 脈沖當量的確定:在本例中，之所以能進行高精度定尺剪切，實際上就是精確的控制夾送輥每個脈沖轉動的角度（脈沖當量）。當夾送輥直徑一定時，它轉過一定的角度，就對應轉過一定的弧長，既為板料移動的長度。從理論上說，脈沖當量越小，剪切長度精度越高，但對控制系統(tǒng)的要求也越高，不經(jīng)濟。一般情況下，脈沖當量比加工精度高一個數(shù)量級即可。
c） 脈沖編碼器反饋的每轉脈沖數(shù)（分周比）的確定:脈沖當量確定以后，這個參數(shù)就好確定了。設計時，夾送輥的直徑已定，則其周長也已確定。只要用主動輥的周長除以脈沖當量，即為脈沖編碼器反饋的每轉脈沖數(shù)。該數(shù)應為整數(shù)，當?shù)脭?shù)為小數(shù)時，與脈沖當量一同作一些調整即可。應注意的是確定的脈沖編碼器反饋的每轉脈沖數(shù)必須在所選的脈沖編碼器最大的每轉脈沖數(shù)范圍之內。
d） 伺服驅動器工作模式:速度控制模式。
（2） 智能模塊的參數(shù)選擇
U-01SP智能模塊的參數(shù)共有21個，主要參數(shù)有:
a） 設定的主軸轉速時智能模塊發(fā)出的脈沖頻率FBF:U-01SP智能模塊與數(shù)字式交流伺服驅動器配合使用，可以在交流伺服電機額定的轉速內任意設定，這個設定值就是FBF:
FBF（kHz）=主軸轉速（RPS）×脈沖編碼器反饋的每轉脈沖數(shù)（PPR）該參數(shù)必須在智能模塊的最大FBF范圍之內。
b） 主軸手動速度的確定:根據(jù)手動安裝板料的需要，一般設定為主軸轉速的10%～20%。
c） 加、減速時間，即主軸從0轉速到額定轉速（或反之）所需要的時間:主要根據(jù)剪切的板長確定，剪切的板長較短時，該時間可短些，反之，可長些。對于本例，可選500～1000ms。
d） 緊急停止時間，在自動運轉時，從額定轉速到停止轉動的時間:當系統(tǒng)發(fā)生意外時，控制系統(tǒng)需急停，以減少對系統(tǒng)和機器的損傷。該時間可少些，一般選500ms以內。其余參數(shù)可用該模塊出廠時的原設定值或根據(jù)需要設定。
3.3 程序設計
這里使用的SU-5M型PLC與大多數(shù)型號的中型PLC在程序設計上并無大的差異，由于采用了高級語言編程，更接近計算機的流程圖設計思路。特別需要指出的是U-01SP單軸伺服定位控制模塊采用類似數(shù)控CNC系統(tǒng)的G語言，編程方便、功能強大。
舉例:G00 X（位置值） F（速度值）;代表一個典型的階梯形定位指令。
單軸伺服定位控制模塊U-01SP的控制信號通過模塊所占I/O定義號對應。
（1） PLC上電后，首先進行初始化處理:把為系統(tǒng)建立的參數(shù)表從CPU寫入智能模塊U-01SP、檢查系統(tǒng)有無錯誤、數(shù)據(jù)有無錯誤、語法有無錯誤，檢查結果判斷為正常時，系統(tǒng)進入伺服準備狀態(tài)，這其中包括進入到動作方式（手動、自動）選擇、數(shù)據(jù)監(jiān)控狀態(tài)（伺服數(shù)據(jù)讀出）、伺服異常（數(shù)據(jù)出錯、系統(tǒng)出錯、語法出錯）處理完畢狀態(tài)。
（2） 在手動狀態(tài)下，按下主軸正、反轉按鈕，主軸可驅動板料前進、后退;按下手動剪切按鈕，剪去板頭。此狀態(tài)一般在新安裝板料時使用，手動剪切不計數(shù)。
（3） 在自動狀態(tài)下，料批（剪切長度、剪切張數(shù)）在人機對話裝置CL-02DS液晶設定顯示單元上設定完畢后（實際上料批可在PLC上電后任意動作方式下設定），CL-02DS將料批數(shù)（十進制數(shù)）轉換成BCD數(shù)，存入到CPU的指定寄存器中，程序根據(jù)已確定的脈沖當量進行計算，轉換成脈沖數(shù)，再將脈沖數(shù)變換成BIN數(shù)，存入到U-01SP內的指定目標寄存器而成為目標值。然后，人機對話裝置CL-02DS進入監(jiān)控狀態(tài)。按下自動剪切按鈕，主軸開始轉動，每次轉動的周長就是目標值的脈沖數(shù)與脈沖當量的乘積。到了目標值后主軸停止，氣缸執(zhí)行剪切動作，剪刀回位的同時，計量剪切 張數(shù)，然后重復上次操作。直至達到剪切張數(shù)的目標值后停止。
由于圓周率的存在和轉動慣性，主軸每次轉過的實際周長與應該轉過的周長還會有一點差異，雖然很小，在1mm以內，但對于±0.25mm的長度精度還有影響，這樣，在程序中按需要設定幾個尺寸段進行一定數(shù)量的脈沖補償（分段補償），最終完全達到了剪切長度精度要求。
4 結束語
適當改變脈沖當量、夾送輥直徑和脈沖編碼器反饋的每轉脈沖數(shù)，剪切精度可提高一個數(shù)量級;剪切動作換成液壓缸執(zhí)行，能剪厚板，可用于機械、汽車等其它行業(yè)。該系統(tǒng)已在濟南、深圳等地投入使用，經(jīng)過近一年的運行，剪切長度精度、剪切速度完全達到設計要求和用戶要求，系統(tǒng)運行情況良好。該產(chǎn)品填補了我省空白，現(xiàn)已通過技術鑒定，正批量生產(chǎn)。


來源:零八我的愛0次