姜芳芳，郭巖嵩，何 潛，梅康元，李 偉

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

0 前言

在某鋁業(yè)公司鋁板中厚板的生產(chǎn)過程中，由精密鋸切割成型的鋁板為無光澤的粗糙表面，在出廠交付客戶之前需使用拋光機(jī)將鋁板表面進(jìn)行拋光，再按客戶需求將鋁板表面噴碼，上下表面覆膜。鋁板的表面拋光過程需要1名操作工手動(dòng)調(diào)節(jié)，覆膜需數(shù)名操作工同時(shí)配合進(jìn)行手動(dòng)覆膜，每天的鋁板產(chǎn)量在500塊左右。為提高生產(chǎn)效率，中國重型院為該鋁業(yè)公司設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)拋光覆膜機(jī)，整個(gè)拋光覆膜機(jī)的控制僅需1人進(jìn)行操作并可實(shí)現(xiàn)全流程的全自動(dòng)生產(chǎn)，每天的產(chǎn)量可達(dá)到960塊鋁板，生產(chǎn)效率提高了92%。

1 設(shè)備組成、技術(shù)參數(shù)及工藝流程

全自動(dòng)拋光覆膜機(jī)由上下料平車、上下料機(jī)械手、輸送輥道、拋光機(jī)組、噴碼機(jī)、覆膜機(jī)等設(shè)備組成，其整體布置如圖1所示。

圖1 拋光覆膜機(jī)整體布置圖

1.1 技術(shù)參數(shù)

拋光產(chǎn)品：2xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx, 8xxx鋁合金板材

板材寬度：800～2 000 mm

板材長度：1 500～6 000 mm

板材厚度：4～50 mm

平直度公差：0～4 mm

板材最大重量：2.5 t

最大堆垛高度：800 mm

來料最大堆垛高度：1 000 mm

1.2 工藝流程

由于該全自動(dòng)拋光覆膜機(jī)工藝流程復(fù)雜，控制設(shè)備眾多，控制方式多樣，故在其控制以及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了多種控制方式、多種傳動(dòng)類型相結(jié)合的設(shè)計(jì)原則。

該全自動(dòng)拋光覆膜機(jī)主要實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)功能為鋁板的拋光、噴碼、覆膜及堆垛。整個(gè)系統(tǒng)工藝流程順序?yàn)椋河缮狭掀杰嚰吧狭蠙C(jī)械手將鋁板運(yùn)至上料輥道，再由布置在6組輸送輥道上的拋光機(jī)、噴碼機(jī)和覆膜機(jī)依次進(jìn)行拋光、噴碼、覆膜工藝，最后由下料機(jī)械手和下料平車進(jìn)行下料及堆垛。

1.3 控制方式

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，設(shè)置了全自動(dòng)模式、半自動(dòng)模式以及手動(dòng)模式的控制方式。

(1)全自動(dòng)模式。該模式下整臺(tái)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)從拆垛、拋光、噴碼、覆膜直至堆垛的全自動(dòng)工作，全程無需人工參與。根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，由上料平車將鋁板運(yùn)送至自動(dòng)上料裝置，并由其將鋁板運(yùn)送至上料輥道，上料輥道在鋁板放置到位后自動(dòng)啟動(dòng)，將鋁板運(yùn)送至拋光機(jī)前輥道進(jìn)行鋁板對中，經(jīng)過對中后將鋁板由輸送輥道依次送入6臺(tái)拋光機(jī)進(jìn)行上下表面拋光，拋光完成后由輸送輥道將鋁板運(yùn)送至覆膜機(jī)處，在此過程中，可根據(jù)工藝需要進(jìn)行自適應(yīng)噴碼操作。待噴碼完成后鋁板會(huì)在覆膜機(jī)前進(jìn)行對中，繼而將鋁板送進(jìn)覆膜機(jī)進(jìn)行。覆膜后可由真空機(jī)械手將鋁板轉(zhuǎn)移至下料平車上進(jìn)行堆垛操作。

堤頂高程為設(shè)計(jì)洪水位加堤頂超高。堤頂超高Y由波浪爬高R、風(fēng)壅增水高度e和安全加高A三部分構(gòu)成：Y＝R+e+A

(2)半自動(dòng)模式。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于部分設(shè)備的檢修操作或者根據(jù)不同訂單客戶的獨(dú)特需求，有時(shí)無法或者不需要整臺(tái)拋光覆膜機(jī)的全部功能。故設(shè)計(jì)了更加靈活的半自動(dòng)模式。在半自動(dòng)模式下，生產(chǎn)人員可以選擇僅拋光，或僅覆膜操作，同時(shí)，考慮到節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間以及成本，本次設(shè)計(jì)中也為生產(chǎn)人員提供了幾個(gè)不同的上料以及下料位置供其選擇。

當(dāng)執(zhí)行僅拋光操作時(shí)，操作人員可選擇上料機(jī)械手自動(dòng)上料或手動(dòng)上料，在執(zhí)行完自動(dòng)拋光操作后，鋁板會(huì)被直接運(yùn)送到下料區(qū)域而不會(huì)執(zhí)行覆膜操作。當(dāng)執(zhí)行僅覆膜操作時(shí)，操作人員需手動(dòng)將鋁板放置在覆膜機(jī)輥道前，并按順序自動(dòng)執(zhí)行覆膜及堆垛操作。

(3)手動(dòng)模式。全自動(dòng)拋光覆膜機(jī)控制系統(tǒng)中的所有電動(dòng)以及氣動(dòng)組件都支持完全的不受任何限制的手動(dòng)操作，操作人員在現(xiàn)場可以進(jìn)行所有系統(tǒng)功能的全手動(dòng)操作，為操作人員提供了最大的使用靈活性和便利性。

(4)輔助功能。包括刷輥角磨功能和除塵功能。鋁板的拋光分別由6個(gè)拋光輥完成，由于鋁板規(guī)格不同，在進(jìn)行完若干次拋光后，拋光輥軸向上的刷毛長度會(huì)有不同程度的磨損，故拋光輥需要定期進(jìn)行角磨操作以便于對不同的鋁板進(jìn)行拋光作業(yè)。鋁板拋光過程中會(huì)揚(yáng)起大量粉塵，為了保證操作人員的健康以及環(huán)境保護(hù)的要求，專門設(shè)置了兩臺(tái)濕式除塵器對拋光機(jī)作業(yè)時(shí)的粉塵進(jìn)行回收。

2 電氣系統(tǒng)硬件組成

2.1 PLC控制站的設(shè)置

PLC作為設(shè)備的控制核心，負(fù)擔(dān)了維持整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)作的監(jiān)控、運(yùn)算以及指令功能。本系統(tǒng)選用西門子S7-300 CPU作為主控制器，依據(jù)分散本地控制的原則，選用了7組西門子ET200M作為遠(yuǎn)程控制終端?，F(xiàn)場操作選用了西門子公司的TP-1500系列精制面板[1-2]。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

由于設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜，控制要求繁瑣，故系統(tǒng)選用了不同的傳動(dòng)方式來應(yīng)對不同的控制要求。對于有調(diào)速要求但是控制精度要求相對較低的子系統(tǒng)，如輥道控制、拋光輥及其升降控制、對中電機(jī)控制、覆膜機(jī)控制等，采用西門子G120系列產(chǎn)品作為變頻傳動(dòng)系統(tǒng)控制器[3]，具有通用性強(qiáng)，可靠性強(qiáng)，安裝空間小，應(yīng)用靈活性高等特點(diǎn)。由于覆膜機(jī)上使用的切膜刀對速度和位置精度要求極高，故選用了FESTO公司的伺服電動(dòng)缸作為控制方式，其具有響應(yīng)速度快，控制精度高，可靠性高等特點(diǎn)。除塵系統(tǒng)選用施耐德ATS48型軟啟動(dòng)器作為解決方案。其余設(shè)備如刮泥板電機(jī)等使用普通MCC控制。

2.3 人機(jī)界面

全自動(dòng)拋光覆膜機(jī)作為一臺(tái)高度自動(dòng)化的生產(chǎn)設(shè)備，所有操作皆可以通過配置在生產(chǎn)線一側(cè)的4 塊15寸西門子觸摸屏完成。其中第一塊和第二塊觸摸屏被安裝在滑動(dòng)導(dǎo)軌上，可根據(jù)生產(chǎn)需要被自由配置在任一拋光機(jī)一側(cè)；第三塊觸摸屏被安裝在現(xiàn)場操作室中，負(fù)責(zé)整條生產(chǎn)線的控制；最后一塊觸摸屏被配置在下線輥道處，負(fù)責(zé)覆膜機(jī)和板材下線的操作。本系統(tǒng)的人機(jī)界面如圖2所示。

圖2 人機(jī)界面圖

3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)拋光覆膜機(jī)的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由Ethernet網(wǎng)絡(luò)和構(gòu)成[4-5]。Ethernet用于不同CPU間通信， ProfiNet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)CPU、遠(yuǎn)程控制站、觸摸屏及傳動(dòng)裝置之間通信。 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由一臺(tái)西門子公司生產(chǎn)的SCANLANCE X216網(wǎng)管型交換機(jī)作為中樞，將所有設(shè)備接入至同一網(wǎng)絡(luò)。本網(wǎng)絡(luò)為星型連接，共有7條支路，其中三條用來連接現(xiàn)場ET200M遠(yuǎn)程控制站，一條用來連接CPU，一條用來連接工程師站上位機(jī)，一條用來連接傳動(dòng)裝置，一條用來連接外購設(shè)備的CPU[2]。該連接的特點(diǎn)是當(dāng)某一條支路網(wǎng)絡(luò)由于故障斷開連接時(shí)，其余部分的網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)正常工作，不影響整個(gè)拋光覆膜機(jī)的部分工作，同時(shí)可以方便檢修定位并處理故障[6]?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 控制系統(tǒng)軟件

全自動(dòng)拋光覆膜機(jī)的控制系統(tǒng)主要解決了拋光工序中的全自動(dòng)拋光輥位置控制問題以及覆膜工序中切膜定位問題。如圖4所示，該系統(tǒng)采用了西門子公司的PLC控制器以及變頻器，同時(shí)使用的西門子SIEMENS STEP7 軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)，使用SIEMENS STARTER 軟件對變頻傳動(dòng)裝置進(jìn)行傳動(dòng)參數(shù)配置，使用 SIEMENS TIA軟件進(jìn)行系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)和通信。另外，對于系統(tǒng)中的FESTO伺服電機(jī)，采用FESTO FCT軟件對其參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定及調(diào)試。系統(tǒng)各軟件的設(shè)定及編程均使用以太網(wǎng)通信完成[7]。

圖4 拋光輥高度閉環(huán)控制系統(tǒng)

4.1 全自動(dòng)拋光輥位置控制系統(tǒng)

鋁板的表面拋光作為全自動(dòng)拋光覆膜機(jī)的核心功能，其控制精度直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量[8]。拋光輥和鋁板表面的接觸面積是影響鋁板表面拋光質(zhì)量最重要的因素。6臺(tái)拋光機(jī)中3臺(tái)為上表面拋光，3臺(tái)為下表面拋光。拋光輥的升降使用G120變頻器進(jìn)行變頻控制，控制類型選用了V/F控制方式?？刂评碚摬捎迷隽渴絇ID控制理論，其公式為

(1)

簡化后得

Δu(k)=Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(2)

式中，e(k)為偏差值；Kp、Ki、Kd分別為比例、積分以及微分常數(shù)；e(k)為設(shè)定電流值與實(shí)際電流值的差值。

在相同轉(zhuǎn)速的情況下，拋光輥與鋁板表面的接觸面積越大，其電機(jī)電流越大。因此，將拋光輥的電機(jī)電流作為目標(biāo)值，通過監(jiān)控該電流間接確定拋光輥與鋁板表面的接觸面積。拋光輥的拋光電流可由拋光機(jī)構(gòu)的升降電機(jī)進(jìn)行控制，通過對拋光輥升降電機(jī)進(jìn)行PID閉環(huán)控制來間接達(dá)到控制鋁板拋光精度的目標(biāo)[9-11]。閉環(huán)控制流程圖如圖5所示。

圖5 閉環(huán)控制軟件實(shí)現(xiàn)

將拋光輥電機(jī)電流設(shè)定值作為系統(tǒng)輸入，與拋光輥?zhàn)冾l器反饋電流比較后的差值輸入控制器，經(jīng)過PID控制器的計(jì)算，將控制量Δu分配給拋光輥升降電機(jī)，以完成整個(gè)拋光輥高度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，使用了西門子PLC內(nèi)部提供的PID控制功能塊FB41來實(shí)現(xiàn)拋光輥的高度閉環(huán)控制系統(tǒng)。

如圖5所示，SP_INT為設(shè)定電流值，GAIN和TI分別為比例和積分常數(shù)。全自動(dòng)拋光覆膜機(jī)提供了可供生產(chǎn)工藝人員修改參數(shù)的畫面接口，在實(shí)際生產(chǎn)中，相關(guān)人員可以根據(jù)不同的工況要求修改系統(tǒng)中的比例和積分常數(shù)來滿足不同的生產(chǎn)要求[12]。

程序中為每個(gè)拋光升降電機(jī)設(shè)定了一個(gè)PID控制器，選用對應(yīng)的拋光輥旋轉(zhuǎn)電流作為反饋進(jìn)行閉環(huán)控制。由于過多的接觸面積會(huì)導(dǎo)致鋁板表面的過拋光進(jìn)而引起劃傷，所以在PID控制邏輯中選擇了小比例，小積分的控制方式從而避免超調(diào)的產(chǎn)生。此種設(shè)定會(huì)保證實(shí)際電流值穩(wěn)定的趨近于設(shè)定值，但是會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間變長。另外，在實(shí)際生產(chǎn)工況中，由于鋁板的厚度不均勻，有時(shí)頭部和尾部的厚度可能相差數(shù)毫米，在全自動(dòng)生產(chǎn)過程中，單臺(tái)拋光機(jī)可能無法有足夠的響應(yīng)時(shí)間來進(jìn)行位置調(diào)整，進(jìn)而影響了鋁板頭部和尾部的拋光精度。為了解決這兩個(gè)問題，當(dāng)板材進(jìn)入某個(gè)拋光機(jī)前，通過預(yù)設(shè)進(jìn)設(shè)備的板材厚度，拋光機(jī)升降電機(jī)可提前將拋光輥移動(dòng)至與板材厚度相一致的高度從而保證當(dāng)板材進(jìn)入拋光機(jī)并與拋光輥開始接觸時(shí)拋光輥的高度接近工作高度。當(dāng)系統(tǒng)讀取到工作電流時(shí)拋光輥的PID控制器開始讀取實(shí)際反饋電流并與設(shè)定電流值進(jìn)行閉環(huán)控制[13]。同時(shí)在單臺(tái)拋光輥的電流閉環(huán)控制外又嵌套了一層3臺(tái)拋光機(jī)為一組的位置環(huán)控制，通過對前序的拋光輥高度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄跟蹤，對后面的兩臺(tái)拋光輥高度進(jìn)行高度設(shè)置來保證鋁板的頭部和尾部最終的拋光精度。

4.2 切膜位置控制系統(tǒng)

在覆膜工序中，隨著鋁板在輥道上移動(dòng)，鋁板上下表面會(huì)由軟包壓輥覆蓋上一層塑料薄膜。同時(shí)使用電動(dòng)伺服缸帶動(dòng)的兩片切膜刀的橫向移動(dòng)切斷前后兩塊鋁板之間的薄膜以進(jìn)行順利的下料操作。由于工藝的要求，鋁板兩側(cè)的剩余薄膜寬度要求為不大于1 mm，故而在切膜時(shí)兩片鋁板之間的間隙要求小于2 mm。為了實(shí)現(xiàn)此工藝要求，需對鋁板在輥道上的位置進(jìn)行精確跟蹤和控制，鋁板在輥道上的移動(dòng)距離可由式(3)表示。

(3)

式中，S為移動(dòng)總距離；v為板材移動(dòng)線速度；t勻速為板材勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間；t減速為板材從開始減速到靜止的時(shí)間；a為板材的加速度。

覆膜板材的起始位置由懸吊在覆膜機(jī)入口上的激光測距儀確定，板材的停止位置為切膜刀的所在位置，所以板材的移動(dòng)總距離為一固定常數(shù)。板材移動(dòng)線速度為

v=2πr·n·i

(4)

式中，r為運(yùn)輸輥半徑；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；i為減速機(jī)減速比。

由于電機(jī)的減速時(shí)間t減速為一固定常數(shù)，該數(shù)值可在變頻器中的ramp-down參數(shù)中設(shè)置。板材在輥道上屬于自由放置狀態(tài)，并無固定裝置，為了減小由于摩擦力不足而導(dǎo)致的電機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)過程中板材在輥道上的縱向位移(該位移會(huì)導(dǎo)致鋁板的位置跟蹤產(chǎn)生誤差)，電機(jī)的ramp-up和ramp-down時(shí)間皆被設(shè)置為5 s。在確定輥道的線速度以及減速加速時(shí)間后，電機(jī)的加速度為

(5)

由式(3)計(jì)算可得出鋁板的位移長度，最終通過控制兩塊鋁板的勻速移動(dòng)時(shí)間即可將兩塊鋁板的間隙控制在2 mm以內(nèi)，同理也可將鋁板縫隙精確定位在切刀的行走軌跡上，以避免切刀與鋁板的碰撞[14-15]。

5 結(jié)束語

全自動(dòng)拋光覆膜機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC作為主干控制裝置(電控和儀控)，同時(shí)選用MCC，V/F變頻以及伺服控制等多種傳動(dòng)控制方式，以全觸控畫面為主的操作方式，該覆膜機(jī)為中國重型院完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的首臺(tái)同類型設(shè)備，安全可靠，簡單易用，維護(hù)簡便，可拓展性強(qiáng)。同時(shí)，其控制精度、技術(shù)參數(shù)、年產(chǎn)量等也達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先的水平，可為同類設(shè)備提供技術(shù)參考。