鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置及操作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置，該智能控制裝置包括有西門子PLC程序流程、伺服控制部分及機械傳動三部分，所述西門子PLC程序流程轉換為PLC可執(zhí)行的控制程序形成的智能控制程序，能夠根據(jù)不同直徑鋼坯參數(shù)自動執(zhí)行進鋸速度與鋼坯直徑形成數(shù)學模型實現(xiàn)速度變量漸進遞減、漸進遞增的控制程序，對鋼坯切割工作行程建立數(shù)學模型進行分析。同時提供一種鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置的操作方法。有益效果是有效減少切割坯料大負載造成的電流沖擊變頻器報警，保證切割效率不會降低，同時減少對鋸片的損耗；該數(shù)?？刂茖︿徢兴俣冉o定程序進行大范圍修改，改進后的進給調速系統(tǒng)可根據(jù)不同型號的坯料分別進行優(yōu)化切割。
【專利說明】
鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置及操作方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置及操作方法。
【背景技術】
[0002] 原有控制系統(tǒng)在鋼坯鋸的切割過程中工作進給轉速為常量保持不變，但鋼坯為圓 柱體切割，其切割功率根據(jù)位置不同成曲線變化，切割大直徑高硬度鋼坯對設備及鋸片會 造成沖擊，工作檢測電流波動成鋸齒波，變化幅度逐漸增大導致設備報警頻繁，鋼坯鋸鋸片 損耗率增加12 %。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種鋼坯切割過程的恒轉矩智能控 制裝置及操作方法，將鋸切過程中的電機轉矩波動減小，電流波動隨之平穩(wěn)，以利于保護設 備及減少鋸片損耗。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是提供一種鋼坯切割過程的恒轉矩智能 控制裝置，該智能控制裝置包括有西門子PLC程序流程、伺服控制部分及機械傳動三部分， 其中：所述西門子PLC程序流程轉換為PLC可執(zhí)行的控制程序形成的智能控制程序，能夠根 據(jù)不同直徑鋼坯參數(shù)自動執(zhí)行進鋸速度與鋼坯直徑形成數(shù)學模型實現(xiàn)速度變量漸進遞減、 漸進遞增的控制程序，對鋼坯切割工作行程建立數(shù)學模型進行分析，首先假設鋸切行程等 于鋼坯直徑設定為S;伺服電機工作轉速為N= 25rpm/s;伺服系統(tǒng)編碼器采集位置數(shù)據(jù)為變 量為Si對應鋼坯從0-310mm遞增變化;將鋼坯半徑設為r = S/2;為控制積分斜坡的大小設系 數(shù)為速度曲線斜率C;以坯料半徑為分界線設減速變量為N減，設加速變量為N加，根據(jù)上述條 件則工作行程前半行程為遞減速度
函數(shù)關系曲線；工作行程后半行程采用 遞增速度N加=N-函數(shù)關系曲線;將N減與N加的計算公式轉換為西門子PLC控制流程可識別并 執(zhí)行的程序，將H咸與N加數(shù)據(jù)通過通訊電纜傳輸?shù)剿欧刂葡到y(tǒng)；
[0005] 伺服控制系統(tǒng)分為兩個部分組成分別為伺服控制器與伺服電機，伺服控制器為將 低壓控制信號轉換為動力電能夠根據(jù)西門子PLC程序流程的控制信號轉換為變頻信號從而 控制伺服電機轉速，機械傳動部分的傳動方式為伺服電機輸出端安裝的齒帶輪齒數(shù)為21 齒，絲杠部分安裝的齒帶輪齒數(shù)為57齒，兩者中間通過齒帶連接的傳動比為21/57 = 0.368， 通過所述傳動比得出機械傳動部分中進給絲杠的直線速度，伺服電機輸出轉速為N實，進給 絲杠導程5mm，鋸切直線速度為V =導程5mm*伺服電機輸出轉速N實*0.368傳動比，通過所述
與N加=N-實現(xiàn)電氣控制與機械傳動裝置的逐級驅動，形成了PLC程序流 程來控制伺服控制系統(tǒng)驅動機械傳動部分，從而操控電動機驅動機械傳動部分進行恒轉矩 切割操作。
[0006] 同時提供一種根據(jù)權利要求1所述鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置的操作方 法。
[0007] 本發(fā)明的效果是采用了鋼坯鋸切智能控制方法，設備運行功率更加平穩(wěn)，有效減 少切割坯料大負載造成的電流沖擊變頻器報警，保證切割效率不會降低，同時減少對鋸片 的損耗。經(jīng)三個月實踐較優(yōu)化前系統(tǒng)月均降低鋸片修復2.3萬元，減少因高負荷大電流沖擊 造成的設備下線維修費用總計3.1萬元在線測試設備運行穩(wěn)定，取得良好的效果。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明的鋼坯鋸外部結構圖；
[0009] 圖2為本發(fā)明的鋸切速度變化曲線圖；
[0010] 圖3為本發(fā)明的伺服控制系統(tǒng)端口網(wǎng)絡圖。
[0011] 圖中：
[0012] 1.齒形傳動連接輪2.伺服電機3.絲杠4.前限位開關
[0013] 5.電機輸出端連接輪6.反饋編碼器7.底部支撐板
[0014] 8.鋸片傳動齒輪箱電機9.伺服控制柜
[0015] a. .310mm直徑鋼還b.270mm直徑鋼還c.210直徑鋼還
[0016] d. .310mm直徑鋼坯快速返回位置e.270mm直徑鋼坯快速返回位置
[0017] f. 210mm直徑鋼坯快速返回位置g. 310mm直徑鋼坯慢速行程開始位置
[0018] h.. 270mm直徑鋼坯慢速行程開始位置i . 210mm直徑鋼坯慢速行程開始位置
[0019] j . 310mm直徑鋼坯工作進給行程中間位
[0020] k. 270mm直徑鋼坯工作進給行程中間位
[0021] 1.210mm直徑鋼坯工作進給行程中間位
[0022] m.速度遞減區(qū)間n.速度遞增區(qū)間
[0023] 〇.鋼坯切割設定工作行程區(qū)間
【具體實施方式】
[0024] 結合附圖對本發(fā)明的鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置及操作方法加以說明。
[0025] 本發(fā)明的鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置及操作方法設計思想是基于鋼坯 在切割過程中，根據(jù)鋼坯直徑逐步降低進給電機轉速，目的是將鋸切過程中的電機轉矩波 動減小，電流波動隨之平穩(wěn)，從而保護設備及減少鋸片損耗。該數(shù)?？刂频囊饬x在于因傳動 方面模塊程序固化而無法達到工藝和機械要求對鋸切速度進行調整時，在PLC程序方面搭 建此控制數(shù)學模型，進而達到可對鋸切速度進行大范圍調整的要求，改進后的進給調速系 統(tǒng)可根據(jù)不同型號的坯料分別進行優(yōu)化切割。
[0026] 本發(fā)明的鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置，該智能控制裝置包括有西門子 PLC程序流程、伺服控制部分及機械傳動三部分，所述西門子PLC程序流程轉換為PLC可執(zhí)行 的控制程序形成的智能控制程序，能夠根據(jù)不同直徑鋼坯參數(shù)自動執(zhí)行進鋸速度與鋼坯直 徑形成數(shù)學模型實現(xiàn)速度變量漸進遞減、漸進遞增的控制程序，對鋼坯切割工作行程建立 數(shù)學模型進行分析，首先假設鋸切行程等于鋼坯直徑設定為S;伺服電機工作轉速為N = 25rpm/s ;伺服系統(tǒng)編碼器采集位置數(shù)據(jù)為變量為Si對應鋼坯從0-310mm遞增變化;將鋼坯 半徑設為r = S/2;為控制積分斜坡的大小設系數(shù)為速度曲線斜率C;以坯料半徑為分界線設 減速變量為N減，設加速變量為N加，根據(jù)上述條件則工作行程前半行程為遞減速度
關系曲線;工作行程后半行程采用遞增速度N加=N-函數(shù)關系曲線;將N減 與N加的計算公式轉換為西門子PLC控制流程可識別并執(zhí)行的程序，將N減與N加數(shù)據(jù)通過通訊 電纜傳輸?shù)剿欧刂葡到y(tǒng)。
[0027] 伺服控制系統(tǒng)分為兩個部分組成分別為伺服控制器與伺服電機，伺服控制器為將 低壓控制信號轉換為動力電能夠根據(jù)西門子PLC程序流程的控制信號轉換為變頻信號從而 控制伺服電機轉速，機械傳動部分的傳動方式為伺服電機輸出端安裝的齒帶輪齒數(shù)為21 齒，絲杠部分安裝的齒帶輪齒數(shù)為57齒，兩者中間通過齒帶連接的傳動比為21/57 = 0.368， 通過所述傳動比得出機械傳動部分中進給絲杠的直線速度，伺服電機輸出轉速為N實，進給 絲杠導程5mm，鋸切直線速度為V =導程5mm*伺服電機輸出轉速N實*0.368傳動比，通過所述
與N加=N-實現(xiàn)電氣控制與機械傳動裝置的逐級驅動，形成了PLC程序流 程來控制伺服控制系統(tǒng)驅動機械傳動部分，從而操控電動機驅動機械傳動部分進行恒轉矩 切割操作。
[0028] 根據(jù)所述鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置的操作方法，該方法用于圓柱體鋼 坯切割設備工作進給行程的自動控制，包括如下步驟：
[0029] 1).根據(jù)不同直徑鋼坯在西門子PLC程序流程的控制終端中輸入工作行程設定值 后，在伺服控制系統(tǒng)運行過程中采集伺服電機的電流曲線及功率曲線，從而確定鋼坯負荷 最大位置為鋼坯中心位置，設以310mm直徑坯料為切割工作行程〇的水平切割功率與切割面 積成正比，所述坯料最大切割面積位于二分之一直徑，推導結果為最大輸出功率位置處于 不同直徑鋼坯設定工作進給行程的二分之一位置，因此確定了 310mm直徑鋼坯工作進給行 程中間位j。
[0030] 2).利用步驟1)中取得的工作進給行程中間位j，如圖2所示將工作行程劃分為兩 部分：以310_直徑鋼坯的水平工作行程轉速遞減區(qū)間為鋼坯前半徑區(qū)間m與水平工作行程 轉速遞增區(qū)間為鋼坯后半徑區(qū)間n。
[0031] 3).通過西門子PLC程序流程的控制終端中編碼器取得位置變量，利用除法運算將 位置數(shù)值轉化為速度給定做比例積分運算，運算公式為工作進給速度給定變量DB3. DBD22- 行程位置變量MD420/比例變量=轉速下降斜坡速度變量對應的
所編譯 的PLC程序流程，最終得到轉速下降斜坡區(qū)間的速度下降斜坡，將數(shù)據(jù)導入PLC程序流程 MD1048。
[0032] 4).通過所述編碼器取得位置變量，采取減法運算將位置數(shù)值轉化為速度給定做 比例積分運算公式為伺服電機實際位置變量MD1056-行程位置變量MD420-設定工作進給速 度變量MD1064/比例變量，N加=N-公式所編譯的PLC程序流程，最終得到N?咸與N加變量數(shù)值均 傳入PLC程序流程速度給定模塊；
[0033] 5).將傳入西門子PLC程序流程速度給定模塊的工作行程速度變量通過伺服控制 部分轉換成電信號驅動機械部分設備對鋼坯進行變速切割如圖2所示a直徑鋼坯的切割速 度變化曲線為以g為鋸切起始點開始遞減速度鋸切到達j點后進行遞增速度鋸切直到d點完 成鋸切工作行程;b直徑鋼坯的變速曲線以h為鋸切起始點開始遞減速度鋸切到達k點后進 行遞增速度鋸切直到e點完成鋸切工作行程;c直徑鋼坯的切割速度變化曲線以i為鋸切起 始點開始遞減速度鋸切到達1點后進行遞增速度鋸切直到f點完成鋸切工作行程，達到不同 直徑鋼鋸切坯智能恒定轉矩控制。
[0034] 6).為操作方便，在管坯切割鋸PLC控制終端中設置伺服電機轉速控制，并且根據(jù) 所輸入轉速數(shù)據(jù)進行百分比調整伺服電機速度百分比顯示，PLC控制終端中鏈接PLC控制程 序中的變量數(shù)據(jù)，能夠實時顯示到鋸切監(jiān)控畫面中PLC終端監(jiān)控電流曲線，控制畫面通過輸 入百分比來控制工作行程的設定速度。
[0035] 以310_直徑鋼坯為例對本發(fā)明的鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置及操作方 法實現(xiàn)過程詳細說明。
[0036] 該智能控制裝置包括有PLC程序流程、伺服控制部分及機械傳動，其中伺服控制系 統(tǒng)分為三個部分組成，如圖3所示分別為伺服控制柜9與伺服電機2反饋編碼器6,伺服控制 器為將低壓控制信號轉換為動力電能夠根據(jù)西門子PLC程序流程的控制信號轉換為變頻信 號從而控制伺服電機轉速，如圖1所示機械傳動部分分為底部支撐板7鋸片傳動齒輪箱電機 8的傳動方式為伺服電機輸出端安裝的齒帶輪齒數(shù)為21齒5,絲杠3安裝的齒帶輪齒數(shù)為57 齒的齒形傳動連接輪1，兩者中間通過齒帶連接，通過所述傳動比得出機械傳動部分中進給 絲杠的直線速度為保護電機加裝前限位開關4。
[0037] 1).根據(jù)不同直徑鋼坯在西門子PLC程序流程的控制終端中輸入工作行程設定值 后，在伺服控制系統(tǒng)運行過程中采集伺服電機的電流曲線及功率曲線，從而確定鋼坯負荷 最大位置為鋼坯中心位置，如圖2所示設以310mm直徑坯料為切割工作行程〇水平切割功率 與切割面積成正比，圓形坯料最大切割面積位于二分之一直徑，推導結果為最大輸出功率 位置處于不同直徑鋼坯設定工作進給行程的二分之一位置，因此確定了 310mm直徑鋼坯工 作進給行程中間位j。
[0038] 2).利用步驟1)中取得的工作進給行程中間位，將工作行程劃分為兩部分：以 310mm直徑鋼坯為例水平工作行程轉速遞減區(qū)間為鋼坯前半徑區(qū)間m與水平工作行程轉速 遞增區(qū)間為鋼坯后半徑區(qū)間n。
[0039] 3).通過編碼器取得位置變量，利用除法運算將位置數(shù)值轉化為速度給定做比例 積分運算，運算公式為工作進給速度給定變量DB3. DBD22-行程位置變量MD420/比例變量= 轉速下降斜坡速度變量對應的
所編譯的PLC程序流程，最終得到轉速下 降斜坡區(qū)間的速度下降斜坡，將數(shù)據(jù)導入PLC程序流程MD1048。
[0040] 4).通過編碼器取得位置變量，采取減法運算將位置數(shù)值轉化為速度給定做比例 積分運算公式為伺服電機實際位置變量MD1056-行程位置變量MD420-設定工作進給速度變 量MD1064/比例變量，N加=N-公式所編譯的PLC程序流程，最終得到N減與N加變量數(shù)值均傳入 PLC程序流程速度給定模塊。
[0041 ] 5).將傳入PLC程序流程速度給定模塊的工作行程速度變量通過伺服控制部分轉 換成電信號驅動機械部分設備對鋼坯進行變速切割如圖2所示a直徑鋼坯的切割速度變化 曲線為以g為鋸切起始點開始遞減速度鋸切到達j點后進行遞增速度鋸切直到d點完成鋸切 工作行程，達到不同直徑鋼鋸切坯智能恒定轉矩控制。
[0042] 6).為以上改進PLC數(shù)據(jù)端口操作方便，在管坯切割鋸PLC控制終端中增加了伺服 電機轉速控制，并且根據(jù)所輸入轉速數(shù)據(jù)進行百分比調整伺服電機速度百分比顯示，PLC控 制終端中鏈接PLC控制程序中的變量數(shù)據(jù)，可以實時顯示到鋸切監(jiān)控畫面中PLC終端監(jiān)控電 流曲線，改進后的控制畫面可通過輸入百分比來控制工作行程的設定速度。
【主權項】
1. 一種鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置，該智能控制裝置包括有西門子PLC程序 流程、伺服控制部分及機械傳動三部分，其特征是:所述西門子PLC程序流程轉換為PLC可執(zhí) 行的控制程序形成的智能控制程序，能夠根據(jù)不同直徑鋼坯參數(shù)自動執(zhí)行進鋸速度與鋼坯 直徑形成數(shù)學模型實現(xiàn)速度變量漸進遞減、漸進遞增的控制程序，對鋼坯切割工作行程建 立數(shù)學模型進行分析，首先假設鋸切行程等于鋼坯直徑設定為S;伺服電機工作轉速為N = 25rpm/s ;伺服系統(tǒng)編碼器采集位置數(shù)據(jù)為變量為Si對應鋼坯從0-310mm遞增變化;將鋼坯 半徑設為r = S/2;為控制積分斜坡的大小設系數(shù)為速度曲線斜率C;以坯料半徑為分界線設 減速變量為N減，設加速變量為N加，根據(jù)上述條件則工作行程前半行程為遞減速度函數(shù)關系曲線;工作行程后半行程采用遞增速度N加=N-函數(shù)關系曲線;將N減 與N加的計算公式轉換為西門子PLC控制流程可識別并執(zhí)行的程序，將N減與N加數(shù)據(jù)通過通訊 電纜傳輸?shù)剿欧刂葡到y(tǒng)； 伺服控制系統(tǒng)分為兩個部分組成分別為伺服控制器與伺服電機，伺服控制器為將低壓 控制信號轉換為動力電能夠根據(jù)西門子PLC程序流程的控制信號轉換為變頻信號從而控制 伺服電機轉速，機械傳動部分的傳動方式為伺服電機輸出端安裝的齒帶輪齒數(shù)為21齒，絲 杠部分安裝的齒帶輪齒數(shù)為57齒，兩者中間通過齒帶連接的傳動比為21/57 = 0.368,通過 所述傳動比得出機械傳動部分中進給絲杠的直線速度，伺服電機輸出轉速為N實，進給絲杠 導程5mm，鋸切直線速度為V =導程5mm*伺服電機輸出轉速N實*0.368傳動比，通過所述公式與N加=N-實現(xiàn)電氣控制與機械傳動裝置的逐級驅動，形成了PLC程序流 程來控制伺服控制系統(tǒng)驅動機械傳動部分，從而操控電動機驅動機械傳動部分進行恒轉矩 切割操作。2. -種根據(jù)權利要求1所述鋼坯切割過程的恒轉矩智能控制裝置的操作方法，該方法 用于圓柱體鋼坯切割設備工作進給行程的自動控制，包括如下步驟： 1) .根據(jù)不同直徑鋼坯在西門子PLC程序流程的控制終端中輸入工作行程設定值后，在 伺服控制系統(tǒng)運行過程中采集伺服電機的電流曲線及功率曲線，從而確定鋼坯負荷最大位 置為鋼坯中心位置，設以310mm直徑坯料為切割工作行程(〇)的水平切割功率與切割面積成 正比，所述坯料最大切割面積位于二分之一直徑，推導結果為最大輸出功率位置處于不同 直徑鋼坯設定工作進給行程的二分之一位置，因此確定了工作進給行程中間位(j); 2) .利用步驟1)中取得的工作進給行程中間位(j)，將工作行程劃分為兩部分：以310mm 直徑鋼坯的水平工作行程轉速遞減區(qū)間為鋼坯前半徑區(qū)間(m)與水平工作行程轉速遞增區(qū) 間為鋼坯后半徑區(qū)間(n); 3) .通過西門子PLC程序流程的控制終端中反饋編碼器取得位置變量，利用除法運算將 位置數(shù)值轉化為速度給定做比例積分運算，運算公式為工作進給速度給定變量DB3. DBD22- 行程位置變量MD420/比例變量=轉速下降斜坡速度變量對應的公式所編譯 的PLC程序流程，最終得到轉速下降斜坡區(qū)間的速度下降斜坡，將數(shù)據(jù)導入PLC程序流程 MD1048； 4) .通過所述反饋編碼器取得位置變量，采取減法運算將位置數(shù)值轉化為速度給定做 比例積分運算公式為伺服電機實際位置變量MD1056-行程位置變量MD420-設定工作進給速 度變量MD1064/比例變量，N加=N-公式所編譯的PLC程序流程，最終得到N?咸與N加變量數(shù)值均 傳入PLC程序流程速度給定模塊； 5) .將傳入西門子PLC程序流程速度給定模塊的工作行程速度變量通過伺服控制部分 轉換成電信號驅動機械部分設備對鋼坯進行變速切割，達到不同直徑鋼鋸切坯智能恒定轉 矩控制； 6) .為操作方便，在管坯切割鋸PLC控制終端中設置伺服電機轉速控制，并且根據(jù)所輸 入轉速數(shù)據(jù)進行百分比調整伺服電機速度百分比顯示，PLC控制終端中鏈接PLC控制程序中 的變量數(shù)據(jù)，能夠實時顯示到鋸切監(jiān)控畫面中PLC終端監(jiān)控電流曲線，控制畫面通過輸入百 分比來控制工作行程的設定速度。
【文檔編號】G05B19/414GK106054818SQ201610488030
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】王華偉, 王傳銘, 吳聯(lián)合
【申請人】天津鋼管集團股份有限公司