西线滑台随动控制防护系统设计

王兴娟 李玲筠

◆摘  要：西线滑台随动控制运行过程中，滑台与主机速度的误差、工件跑偏或接头不良会对电动滑轨产生冲击，造成系统故障。本文着重分析了此类故障产生的原因及应控制的同步精度范围，并介绍了解决同步问题的综合措施，以确保西线滑台随动控制系统的安全运行。

◆关键词：滑台;电动滑轨;直流控制器

辊压西线是东风专用汽车有限公司的重要生产线，利用冷弯成型技术，将成卷带钢辊压成不同断面、不同长度的车箱零部件。近年来，由于汽车市场对少批量、多品种的要求不断增长，辊压西线原设计的机械档板定尺装置由于更换定尺不便、长工件定尺不准和加长工件不能生产等问题，已不能满足现生产的要求。

为解决生产的燃眉之急，2000年临时将原设计的机械挡板定尺改为半随动定尺方式进行试运行。但半随动定尺生产方式中，工件在达到给定尺寸进行冲切时，整个机组都要停止运行，等油缸冲切完毕、冲头抬起后，才能再次启动运行。这样不仅待机时间长，生产效率低，而且由于机组频繁启动、制动，对生产线的传动机构磨损较大，影响电机的使用寿命。同时大电机的频繁启动、制动造成电网电压的波动，对车间内其它设备的正常运行也造成不利影响。

为使西线能够长期、安全、可靠地运行，提高设备的运行效率，必须尽快实现全随动定尺控制，将滑台气缸拖动方式改为电机拖动方式，同时对电气部分重新设计、制造，使西线滑台冲切时，滑台随工件同步运行，主机不用停机便能完成冲切。

1存在的问题

随动冲切就是主机带动工件以一定的速度作匀速运行，在工件运行到给定长度的一定余量时，滑台开始运行，在工件长度达到给定值时，滑台追上主机的速度，与主机同步运行，并完成冲切动作。切断工件后，滑台高速返回原位，等待下一块工件运行到给定长度的相同余量时，再一次启动。这样在确保主机不停机的情况下，循环完成工件的生产。

要实现滑台的随动冲切就必须对主机和滑台的运行进行可靠的控制，控制方式是用直流电机拖动滑台运行，主机和滑台的直流电机都用同型号的MENTORⅡ全数字直流控制器来控制，使两个直流电机的线速度在一定精度范围内同步，满足随动定尺对长度精度和速度精度的要求。

MENTORⅡ全数字直流控制器是英国CT公司最新的工业用全数字化直流控制驱动器，输出电流范围25A—1850A。所有装置均具有PID速度控制和电流自适应控制，给定和反馈的精度可达0.1%，结构紧凑、体积小、可靠性高。

该系列直流调速器以微处理器为核心，配合用户可变参数的控制软件，可灵活地修改与电机响应相关的重要参素，在不同的条件下达到最优的电机响应，因而在工业领域得到广泛的应用。

MENTORⅡ系列直流控制器的操作指令及运行参数由面板或串行口输入、设定及修改，并受三级保密字保护。所有模拟输入及大多数数字量输入用户可编程。串行口采用RS485，易于多机联网，与上位机及其他设备形成自动化网络。

主机的速度由主机的直流调速器M550R根据工件的长度来决定，工件的长度（L）由触摸屏给定，根据给定的板长，主机设定有三种工作速度（V）即：

主机的各种速度同时由主机的直流调速器M550R的模拟量输出端输出一个控制电压给滑台的直流调速器M45R的速度给定端，经调速器放大后作为滑台速度的给定，控制滑台的同步速度。

要完成全随动定尺控制，首先要解决的问题是：在同步冲切过程中，当同步速度存在误差时，可能对系统造成破坏。其次要解决的问题是：生产工件的每卷带钢之间的焊接接头，有时不能通过滑台冲切模具，将对滑台造成冲击以致拉断电动滑轨的皮带。另外由于主机成形辊片调整不到位、带钢材质不同等情况，工件产生跑偏现象，增大电动滑轨的负荷，也会造成电动滑轨皮带的拉断和工件架橋的现象。

因此，必须采用有效的控制手段来减小这些情况对控制精度的影响，以及对设备造成的危害，特别是对电动滑轨的破坏。电动滑轨是进口元气件，价格较高，定货周期较长。发生问题后势必影响设备的正常运行，造成维修费用增高，生产无法正常进行。

2原因分析与方案确定

2.1同步速度

同步冲切时，滑台与主机的速度并非绝对一致，而是相对的。产生误差的原因有：调速器自身的精度，电机的运行特性，测速发电机的精度，执行元件的响应时间及程序的扫描时间等。

程序的扫描时间可以通过修改程序，精简程序的语句，在程序中利用程序中断功能提高关键动作程序的响应时间等措施来减少影响。

直流调速器的速度控制综合精度为0.125%，经过现场多次对滑台冲切时液压系统的调整，参数的测绘，可以很清楚地发现，冲头与工件接触的最长时间为0.8s。主机的最快线速度为1.0m/s，因而滑台与主机在冲切时的最大位移误差为：

1000mm/s×0.8s×0.125%×2=2mm

通过分析我们可以发现，在工件到达给定长度、滑台到达同步速度开始冲切并返回上死点的时间为0.8S。如果主机的速度比滑台的速度快，即主机与滑台之间所产生的相对位移为正数，并将以主机对滑台作用力的形式作用于电动滑轨之上，顶着滑台向前运行2mm，对电动滑轨产生冲击。

相反，如果主机的速度比滑台的速度慢，主机与滑台之间所产生的相对位移为负数，主机虽然没有对滑台产生冲击。但是，如果滑台速度比主机速度快出一定的值，工件就会被拉出模具，滑台冲切完毕后，高速返回时撞到工件，也会对电动滑轨产生冲击。冲头模具的宽度为20mm，冲切时间为0.8s，则速度差为：20mm/0.8s=25mm/s。也就是说，当滑台的速度比主机的速度快25mm/s时，也会造成电动滑轨皮带拉断，随动系统无法工作。

综上所说，滑台要安全、顺利地完成同步冲切，滑台的同步速度就必须比主机的运行速度要快，而且，又必须把速度误差控制在25mm/s范围之内。

2.2材料及模具

成卷帶钢的长度是有限的，为避免主机重新引料和材料的浪费，节约时间，提高工作效率，两卷材料在进入螺旋活套前必须进行对接焊接，当焊接质量不好时，产生的接头无法通过滑台冲切模具，对电动滑轨产生冲击。卷钢材料在辊压成型的过程中，受模具调整不到位、不同批次钢材变型量不同的影响，以及工件断面对冲头的要求，使得冲头上下模具之间的间隙不可能留有足够的空间来保证在工件跑偏的情况下能顺利地通过模具，因而会出现工件架桥现象。

要解决以上问题可能对电动滑轨产生的破坏，就必须想办法解决由此现象产生的作用力不能作用在电动滑轨上，以免拉断电动滑轨皮带。同时，还必须想办法解决在以上措施起不到理想保护作用的情况下，当作用力作用于电动滑轨之上时，也能够对电动滑轨皮带起到理想的保护作用。

3方案实施

3.1硬件系统改造

首先对控制系统重新进行设计、制造。所有控制柜、操作台在现场就近安装，避免了过去控制柜与操作台在两地控制，线路长，故障率高，维修不便的问题，提高了控制系统运行的可靠性。

另外对滑台进行改造，去掉滑台拖动气缸，改为直流调速电机拖动，将滑台安装于电动滑轨之上，以实现滑台的随动冲切。同时安装过载离合器和工件形状检测装置。

3.1.1滑台电机过电流保护

直流电机在实际应用中必须控制的量是速度、输出力矩和转向。速度与电枢反电势成正比。转向简单地由电枢和磁场电压的相对极性决定。力矩与电枢电流和磁通的乘积成正比。

工件形状不好、与冲切模具产生摩擦时，滑台电机的负荷变大，从而使电机的力矩也变大，引起电机电流的增大，滑轨皮带的拉力也随之增大。如果工件变形量较大，就有可能拉断滑轨皮带。因此，在调整好工件后，启动滑台，用示波器观察、测量电机电流的最大值。然后根据测量值设定直流调速器的电流保护值，作为滑台的过电流保护。在电机转矩增大的情况下，当电枢电流增大达到或超过设定值时，直流调速器过电流保护动作，整个系统停止运行，确保电动滑轨皮带不会因为作用力过大而被拉断。

3.1.2工件形状检测及保护

两卷带钢之间的焊接接头，不能通过滑台冲切模具，会对滑台产生冲击;工件在运行中跑偏，会增大滑台与冲切模具的摩擦力，增大电机的负荷，并会带动滑台产生误动作。

在工件运行上滑台之前，制作一个工件形状检测装置，安装于滑台之前，检测工件的接头及工件的跑偏情况。由于焊接接头不能通过工件形状检测装置，会使工件形状检测装置的接近开关发出信号使主机停止运行，以保护电动滑轨;同样，当工件的材料跑偏时，材料与工件形状检测装置之间的摩擦力大于工件形状检测装置保护弹簧的设定力时，也会使主机停机。

3.1.3过载离合器保护

主机在运行过程中由于各种不确定因素，仍有可能对滑台产生冲击。为确保电动滑轨的安全运行，在滑轨和减速器之间选用合适的转矩过载离合器作为对电动滑轨的保护。当电动滑轨所受的冲击力超过过载离合器设定的最大转拒时，过载离合器自动脱开，滑台电机不再拖动电动滑轨运行，电动滑轨只在主机拖动工件作用力的作用下运行，保证了电动滑轨不会因为在电机和主机相互作用力的作用而损坏。

3.2软件系统设计

3.2.1冲切油缸动作测试

滑台在滑轨上的有效行程为2.4m，在仅有的长度范围内，滑台要实现加速、同步运行、冲切、减速和原位的极限保护，各个动作环节的速度应尽可能快，用时尽可能短。滑台的加速、减速时间为0.7S，时间再短就会产生超调，引起振荡。极限保护距离是滑台在运行到极限位置的情况下，滑台电机在直流调速器起保护作用的情况下下，停止运行，滑台在惯性力的作用下，滑行的距离。因此，滑台的冲切时间在很大程度上决定着主机的运行速度。通过多次测量、调试，滑台的冲切时间被控制在0.8S以内，以避免由于滑台的冲切时间过长而造成其他动作的时间不够，降低主机的运行速度，从而降低设备的工作效率，延长工人的工作时间和设备的开动时间，浪费资源。冲切油缸动作波形如图1所示。

3.2.2主机、滑台速度测试

滑台和主机在同步冲切时，同步速度的精确度决定着冲切成功于否。因此，上工件之前，对滑台和主机在同步速度下各个参数的测定至关重要。首先，测试、调整主机和滑台在三种工作速度下直流调速器的参数。数据如下：

3.2.3滑台随动冲切的仿真

为验证滑台随动冲切时，滑台直流调速器各参数的给定是否正确，因此，在设备上工件实际运行前，必须对滑台的实际运行状况有充分了解。为此，对滑台的实际运行状况编制一段仿真程序，滑台直流调速器参数由电位器给定，空负荷运行滑台。

在实际运行过程中发现：滑台直接启动时，由于启动时间短，加速度大，速度到达时会出现超调和振荡，影响到同步速度的稳定，同步时间加长。另外，由于滑台加速度大，滑台质量大，滑台在加速过程中造成过载离合器经常过负荷脱开，同步运行失败，过载离合器频繁过载保护，磨损严重，使用寿命短，维修费用高。

如果，延长滑台的加速时间，这样虽然可以避免以上的问题，但是加速时间的加长，就必须降低主机的速度，从而降低设备的生产效率，增加工作的劳动强度。

MentorⅡ全数字直流调速器具有两级加减速功能。首先，以低的加速度启动滑台，当滑台启动到一定的速度时，再增大加速度启动滑台，这样就即保证了滑台的启动时间不会延长较多，又保证了过载离合器不会因为加速度太大而造成过载离合器过负荷脱开。测得速度曲线如图3所示。

3.2.4联机调试

主机上料实际运行设备。为确保设备的安全运行，主机首先生产最短的工件，以最低的速度运行。滑台在工件达到设定长度同步冲切时发现主机与滑台的速度存在着不同步，滑台在还没有完成冲切的过程中，出现工件顶着滑台向前运动的现象。原因为：主机的直流调速器的模拟量输出，作为滑台的速度给定，给定值较小。通过提高反馈量的系数，使得滑台与主机的速度同步，消除主机对滑台的冲击，生产出合格的产品。实际生产4065MM工件测得波形如图4所示。

然后，再不断地改变工件的长度，调试生产的三种工作速度，生产出合格的产品。

4效果

去掉了滑台拖动气缸。解决了西线每生产一件工件都必须停止主机才能冲切的问题。避免了大电机的频繁启动、制动造成的电网电压的波动，对车间其他用电设备的影响，提高了设备的运行效率。

本系统设计技术先进：采用PLC和全数字直流调速器进行定尺控制，控制精度高，生产线柔性化程度高;采用触摸显示屏给定工件的长度，修改系统参数，显示系统状态，快捷方便。

参考文献

[1]MentorⅡ《全数字直流调速器》说明手册.

[2]MentorⅡ  User Guide.

[3]C200HX可编程序控制器编程手册OMRON.