6ES7511-1TK01-0AB0技术参数

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1       引言

    金属丝材是基本常用的金属深加工制品。生产金属丝材的金属拉拔机械简称拉丝机。随着国家对不可再生资源的日益关注，提倡节约，在整个电线电缆行业，越来越多的厂家开始尝试开发新型的生产设备，如铜包铝设备，由此延伸出来的三联拉等高端设备的潜在市场显得非常巨大，张家港维达机械正是看到了这样的商机，因此投入人力、物力开始研发新型的三联拉设备。在竞争激烈的拉丝机市场，单片机开发的专用控制器以及拉丝机专用变频器系统虽然结构简单造价低廉，但是对于工艺条件要求严格的高端拉丝机，由触摸屏、PLC与变频器系统集成的方案具有更加的自动控制技术优势。

2       拉丝机工艺描述

    拉丝机种类繁多，按照拉丝的线径大小可以分为：微拉机（线径单位：丝）、小拉机（线径单位：0.Xmm）、中拉机（线径单位：mm）、大拉机（线径单位：1X mm）从拉丝机内部控制方式和机械结构来说，又可以分为水箱式、滑轮式、直进式等主要的几种。对于不同要求，不同精度规则的产品，不同的金属物料，可选择不同规格的拉丝机械。而于钢丝生产企业和高端丝材，针对材料特性，其精度要求和拉拔稳定度高，因此使用直进式拉丝机较多。尽管拉丝工艺不同，但其工作过程基本上可以划分成放线、拉丝、收线等3部份工艺过程。

    金属丝的放线，对于整个拉丝机环节来说，其控制没有过高的精度要求，大部分拉丝机械，放线的操作是通过变频器驱动放线架实现的，但也有部分双变频控制的拉丝机械，甚至直接通过拉丝环节的丝线张力牵伸送进拉丝机，实现自由放线。拉丝环节是拉丝机为重要的工作环节。不同金属物料，不同的丝质品种和要求，拉丝环节有很大的不同，本文将详细分析设计直进式拉丝机自动控制系统。收线环节的工作速度决定了整个拉丝机械的生产效率，也是整个系统难控制的部分。在收线部分，常用的控制技术有同步控制与张力控制实现金属制品的收卷。

3       系统设计

3.1 直进式三联拉丝机系统方案设计

    直进式三联拉丝机自动化系统框图参见图1。

图1直进式三联拉丝机自动化系统框图

    三联拉属于大型拉丝机，拉出丝的线径较粗（大线径14mm），因此需要电机在低频启动时要能提供足够大的输出转矩。这样对于变频器的低频特性有较高的要求。因此在做方案时选择了使用B系列的变频器，矢量控制能较普通变频器在低频控制时，让电机的输出转矩有明显的提高。

    三联拉不同于传统的拉丝机，一般的拉丝机分为双变频和单变频控制两种。因此在控制上只要PID参数在调试的过程当中能够合理设置，让收线的速度通过积分的作用跟随拉丝的速度，将积分增益设置的大一些，而积分周期要长一些，这样控制效果会比较理想。而三联拉分为两级拉伸，从拉的速度跟随主拉的速度，同时收线的速度要快速跟随从拉的速度。当主拉速度变化时，从拉及收线的速度要跟随主拉的速度同升同降，并且由于主拉加减速打破了之前的平衡状态，要求从拉及收线的要快速响应，达到新的平衡状态。尤其是收线要更加要快速响应。由于控制对象相互之间在速度上相互影响，因此在应用普通拉丝机的控制方法，使用简单的PID调整就很难使得从拉和收线达到平衡。积分作用的滞后，同时平衡杆可调节的范围又比较小，如果不能快速响应，会出现摆杆回到平衡位置的时间较长，同时在回到平衡位置后，由于积分的累计使得前后速度已经有较大的差异，又造成超过平衡位置，此时后一级又需要经过一段时间的积分作用才能将速度校正过来，但由于积分作用的滞后使得还未将平衡杆校正过来，可能丝就已经被拉断了。因此需要一种新的控制算法，要能够快速响应主速的变化，同时不能够超调，造成系统的震荡。具体的控制算法在下文进行详细的介绍及说明。

3.2 控制系统结构与算法设计

    （1）系统控制结构。系统控制结构如图2所示。

图2 系统控制结构如

    （2）控制算法设计。根据实际控制对象的特性，要求快速响应，同时调节范围有限。因此考虑用比例的关系进行调整，因为大拉机械设计上与微拉、小拉、中拉有很大的不同。前者收线都存在卷径的变化，由卷径的变化而影响速度。而大拉的收线部分不同于前者，可以忽略卷径的变化。算法如下公式所示：

其中K1为主拉与从拉之间的同步比例系数，K2为从拉与收线之间的同步比例系数。

Kf1, Kf2分别为反馈比例系数，ΔE1，ΔE2为偏离平衡位置的偏差，偏差有正负之分。

由于原料丝经过不同孔径的模具后，被拉成细线径的丝。因此伸长率很大，如果对伸长部分不进行处理，在低速和高速的时候，从拉及收线是来不及响应的。如何确定K1与K2的大小，可以通过原料丝与被拉后丝的体积不变的原则来计算。因此在人机界面上由操作者在图3画面进行设定。

图3 同步比例系数设定画面

    （3）同步比例系数的确定方法。因为体积V=πr2L(r为丝的半径，L为丝的长度)，因此从原料丝到经过模具后丝的线径发生了变化。假设进模具前的线径为r1,长度为L1;经过模具后丝的线径为r2,长度为L2，则根据体积不变的原则可以得出：

因此：r12L1= r22L2，即原料丝经过模具后被拉长了，伸长的系数K= L2/ L1= r12/ r22

经过这样的推导，就可以得出在前面控制算法中（1）,(2)两式中同步比例系数K1、K2.

反馈比例系数Kf1、Kf2的确定是依据具体的调试效果来确定。

3.3 台达机电产品应用设计

    （1）硬件构成。硬件构成参见表1。

表1  硬件选型

    （2）PLC-变频器电气设计。在配置上选用比较有特色的DVP10SX00R的主机，该主机上自带2路模拟量输入和2路模拟量输出，解析度12位。另外选用DVP02DA-S的模块，一路作为两个平衡杆电位器的电源，另外一路作为收线变频器的速度给定。而主机上自带的2路DA，分别作为主拉变频、从拉变频的速度给定。另外2路AD则分别作为2路电位器的反馈输入，参见图4。这样不仅仅能够为客户节省大幅的成本，同时安装尺寸也非常小，节省了安装空间。

图4 PLC电控设计

4 系统调试
    在整个调试过程中，不仅要合理的调整反馈比例系数。同时也要注意主拉、从拉在正常运行过程中出力的不同。可以想象由于原料丝的线径粗，即道拉伸主拉电机要出更多的力，即主拉在低速启动时需要较高的转距，如果仅仅单纯的去调试PLC程序，改变反馈比例系数，在拉不同线径的丝时，控制的效果一定是会发生变化的。我们不可能要求操作人员去动态的调整反馈比例系数。其实只要将主拉的V/F曲线调整的合理，提高低速转距或者根据实际情况还可以将主拉变频的控制方式改成矢量控制，来弥补低速运行时出力不足的情况。
    如果主拉的控制方式采用矢量控制，在负载较重的时候，会发现平衡杆频繁震荡。
    如果观察运行电流，会发现电机运行电流忽大忽小，之所以会出现这种情况的原因是由于采用矢量控制时，变频的输出电流会进行补偿，以提高电机的输出转矩。而电流改变的太频繁，会造成上述的现象，如何解决？可以增大转矩补偿低通滤波时间，增大该值可以非常有效的克服振动的现象。这一点是非常关键的。
    整个系统在运行中可以分启动、加速、减速、停车过程。启动要求主拉具有较高的启动转矩，在拉大线径时也要能有足够的力量。在加速的过程中需要从拉的加速时间要小于主拉的加速时间，目的是为了快速跟随主拉速度的变化，同时也能及时的对平衡杆的变化响应出来。收线在加速的过程中，加速时间要比从拉更小，因为收线要更加快速的对主拉或从拉速度的变化进行快速响应。在减速和停车的过程中，也要合理的对主拉、从拉、收线的减速时间进行设定。以保证在停车时平衡杆能够停在平衡位置附近

 主要是应用到20PM的圆弧插补功能，因为在折弯机弯一些短管时，控制不好，可能会将铜管压扁。虽说PLC也支持圆弧插补，但是在使用上有诸多的限制。在此设备上，使用20PM控制悬臂上的前后和上下两轴，设备通过悬臂拉住铜管做圆弧插补将铜管弯曲成形。后来在调试中，根据实际要求，将圆弧改成渐开线，以期有更好的弯管效果。
关键词： 圆弧插补弯管模式 渐开线坐标计算

1 引言

管材塑性加工是以管材作毛坯,通过塑性加工手段,制造管材零件的加工技术 。管材塑性加工由于容易满足塑性成形产品轻量化、强韧化和低耗高效、**制造等方面的要求,已成为**塑性加工技术面向21 世纪研究与发展的一个重要方向。

2 数控弯管

2.1 弯管工艺

实践中有许多不同的弯管工艺,从不同的角度出发可以有多种不同的分类。工程中通常按弯曲时加热与否可分为冷弯和热弯,根据弯曲时有无填充物可分为有芯弯管和无芯弯管。 无模弯曲成形是指管材弯曲变形区不直接受到模具的作用,终的形状由工具和工件的相对运动决定,属于高度灵活的柔性加工手段。有模弯曲成形是指通过刚性模具直接作用于弯曲变形区而进行的管材弯曲,要求此刚性模具作用部分尺寸可以补偿制件卸载后发生的弯曲回弹,属于可重复性高而且快速的加工手段。管材弯曲的几种新工艺包括热应力弯曲；基于工具运动控制的无模弯曲；叠加法弯曲；数控机床绕弯等等。

2.2 数控弯管

数控弯管将管材夹紧在弯曲模上,随弯曲模一起转动,当管材被拉过压块时,压块即将管材绕弯在弯曲管上,属于成形模弯曲工艺。传统绕弯工艺多是手工绕弯,效率低,质量难以保证。随着数控机床业的发展,采用**的数控弯管机床实现绕弯工艺,可以大大地提高生产效率,保证产品的质量。由于可以方便地调节工艺参数,因此数控弯管机可以既准确又稳定地完成弯曲、送进、转角等动作,保证了管制件的弯曲准确度。数控弯管机可以自动连续地成形不同曲率半径的空间弯曲件。结合相应的数据库软件系统,控制程序还可以预先修正弯曲回弹量。但是该工艺的模具结构(见图7) 比较复杂,制件质量对工艺参数敏感,要求有充分的前期准备和试制工作。尤其是对于弯制薄壁管制件的情况,如果工艺参数选择不当,则很容易出现起皱现象导致零件甚至是模具的报废。如何高效准确地获取这些工艺参数,充分保证弯管产品质量,是数控绕弯工艺的研究热点。

3 数控弯管系统

3.1系统组成

基于台达机电一体化平台的数控弯管设备共有六个运动轴系，工艺要求其中两轴需要直线插补，两轴需要圆弧插补，其它两轴没有特别的要求。PLC控制器选择的是32EH00T2和20PM00D，显示部分选择的是10.4寸触摸屏DOP-AE10THTD1，如表1所示。

表1 数控弯管系统配置

3.2 20PM运动控制器

弯管控制系统核心由台达运动控制器DVP-20PMMOOD构成。台达DVP-20PM00D是一款具有运动控制专用功能的可编程控制器。DVP-20PM00D的大特点是PLC主机直接提供电子凸轮功能，或者说DVP-20PM00D是内置电子凸轮功能的PLC,所以有些场所直接称呼DVP-20PM00D为台达20PM运动控制器。20PM具有2路500KHz的输入与输出，在电子凸轮功能中定义X轴为从轴，编码器输入轴为主轴，当定义好CAM Table后，从轴依据定义的曲线跟随主轴运动。采用高速双CPU结构形式，利用独立CPU处理运动控制算法，可以很好地实现各种运动轨迹控制、逻辑动作控制，直线/圆弧插补控制等，数控弯管机正是利用了20PM运动控制器的电子凸轮功能解决复杂运动轨迹控制问题。

4 20PM数控弯管编程设计

4.1 弯模模式

根据弯管加工要求，开发了两个弯管工艺模式，参见图1所示。

图1 弯管模式

4.2 工艺流程

设备分手动和自动模式，手动模式下主要是包括设备回原点、悬臂定长前进/后退、悬臂定长上升/下降以及弯短管时的手动弯模。

设备的自动流程分A模式和B模式，分别对应下面的A流程和B流程，流程之间的切换通过人机来完成。在具体实施中，PLC为主控制器，用来控制流程的选择和跳转等，同时通过PLC给PM命令，以完成PM所担负的工作。

图2 弯模A模式流程图

图3 弯模B模式流程图

4.3 渐开线坐标计算

由于20PM自身不支持渐开线方式的插补功能，所以在具体实施中，将渐开线按照弯曲的角度分成多点，通过人机计算出每点的坐标，后PM通过做直线插补来实现用户要求的功能。当时给出的具体渐开线方程：

X=（R+H）*sinα+（L-α*R）*cosα
Y= R-（R+H）* cosα+（L-α*R）*sinα

其中L,R,H都为常量，可以通过人机设定

在计算时，为了预防编写的宏指令对人机的执行速度造成影响，通过画面cycle宏来实现坐标的计算，这样就不会影响到人机其它页面的操作速度。下面是编写的宏指令：

BMOV($88, (2@D664), 2)
BMOV($90, (2@D144), 2)
## X=（R+H)*SINθ+(L-R*θ)COSθ
## Y=R-（R+H)*COSθ+(L-R*θ)SINθ
#初始化运算
IF $58 <= $M56 (Signed DW)
$112 = SIN($58) (Signed DW)
$116 = COS($58) (Signed DW)
$66 = FCNV($58) (Signed DW)
$60 = FCNV($M50) (Signed DW)
$62 = FCNV($M52) (Signed DW)
$64 = FCNV($M54) (Signed DW)
$120 = FDIV($66, 180.0) (Signed DW)
$124 = FMUL($120, 3.14) (Signed DW)
$128 = FMUL($124, $62) (Signed DW)
##R+H
$108 = FADD($62, $64) (Signed DW)
##L-R*θ
$132 = FSUB($60, $128) (Signed DW)
##（R+H)*SINθ
$136 = FMUL($108, $112) (Signed DW)
##(L-R*θ)COSθ
$140 = FMUL($132, $116) (Signed DW)
##（R+H)*COSθ
$144 = FMUL($108, $116) (Signed DW)
##(L-R*θ)SINθ
$148 = FMUL($132, $112) (Signed DW)
##开始计算
## X
$152 = FADD($136, $140) (Signed DW)
## Y
$156 = FSUB($62, $144) (Signed DW)
$160 = FADD($156, $148) (Signed DW)
##角度自加一
$58 = $58 + 1 (Signed DW)
##转成整数并存储
$164 = iCNV($152) (Signed DW)
$168 = iCNV($160) (Signed DW)
$170 = $88 - $164 (Signed DW)
$172 = $90 - $168 (Signed DW)
*$200 = $170 (Signed DW)
*$900 = $172 (Signed DW)
$200 = $200 + 2 (DW)
$900 = $900 + 2 (DW)
ELSEIF $58 < 120 (Signed DW)
$58 = $58 + 1 (Signed DW)
*$200 = 400 (Signed DW)
*$900 = 400 (Signed DW)
$200 = $200 + 2 (DW)
$900 = $900 + 2 (DW)
ELSE
##赋值给PM，并重新初始化
BMOV((2@D3000), $500, 240)
BMOV((2@D3600), $1000, 240)
$58 = 0 (DW)
$200 = 500 (DW)
$900 = 1000 (DW)
SETB $50.0
endif
end

5 结束语

台达PM20运动控制器在执行圆弧插补以及执行连续性的动作流程方面更接近于数控系统，有着PLC所不能比拟的优势，尽管在执行程序流程的灵活性方面，和PLC还是有一定的距离。

用管材制造的弯曲零件,无论是平面弯曲件,还是空间弯曲件,除大量应用于气体、液体的输送管路外,在金属结构中的应用也十分广泛。因此管材弯曲成形工艺是备受关注并得到迅速发展的重要领域,开展这方面的研究工作,具有十分重要的意义。