一種鋼料平整度控制方法及裝置的製作方法
2023-10-08 05:34:04
專利名稱：一種鋼料平整度控制方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及控制鋼料平整度的技術，具體地說是一種能夠防止鋼 料扭曲變形，避免卡死現象發生的鋼料平整度控制方法及裝置。
背景技術：
鋼料加熱彎曲成形工具機是一種用於船體肋骨加工的常用工具機。該 種工具機是釆用中頻感應原理對鋼料進行加熱，並釆用液壓伺服系統控 制鋼料彎曲半徑的機、電、液一體化數控加工工具機。鋼料在經過中頻 加熱後，可塑性增加，靠壓型輪將加熱後的鋼料壓製成所需曲率的圓 弧狀鋼料。但是由於鋼料型號多達十幾種，不同型號的鋼料在加熱彎 曲變形後，由於鋼料截面形狀的不對稱性以及淬火水流量的不均勻性 等因素，導致在鋼料加熱彎曲過程中在鋼料前端會出現不同程度的彎 翹現象，從而影響了鋼料的平整度。鋼料平整度的控制是這類工具機加 工的重點，也是難點。以往的做法是依靠不能調整位置的壓緊輪壓制 行進中鋼料來防止鋼料變形，這種做法的缺點是壓緊輪和託輪隨動性
差，而在巨大的摩擦力作用下發生卡死現象，從而嚴重影響生產過程； 且由於壓緊輪與鋼料的受力點隨鋼料的彎曲半徑的變化而變化，會使 鋼料因受力不均而產生扭曲變形。
發明內容
本發明的目的在於提供一種在鋼料加熱彎曲加工過程中能夠防 止鋼料扭曲變形，避免卡死現象發生的鋼料平整度控制方法及裝置。 本發明的目的是通過以下技術方案實現的 控制方法
用與直線位移伺服電機相連接的旋轉編碼器測量壓緊輪實際直 線位移量，用與轉角伺服電機相連接的旋轉編碼器測量壓緊輪實際轉 角，旋轉編碼器內部的變送器將測量的信號轉換成TTL方波脈衝後送 至工控計算機內的計數卡，再通過函數關係計算出壓緊輪的直線位移 和轉角
其中所述壓緊輪直線位移的計算式為X^^R-SQRT(R2-L2),壓 緊輪轉角的計算式為WM=arcsin(L/R)，其中R=R0+l/2; RO為鋼料 內圓半徑，l為鋼料腹板的寬度，R為圓心到鋼料腹板中心線的距離， L為壓緊輪中心到線圈的距離；將計算出的反饋值與給定值相減計算出誤差，經數字PID控制算 法計算出位移控制量ul及和轉角控制量u2,再經模擬量輸出卡轉換 成-10V +10V電壓值後，送至直線位移伺服電機及轉角伺服電機，
從而驅動壓緊輪移動、旋轉，至給定值時停止，壓緊輪中心與鋼料腹
板中心重合，實現壓緊輪的隨動控制；計數卡釆用具有加減功能的計 數卡；
所述計算控制程序流程為
首先初始化參數壓緊輪中心到線圈的距離L,壓緊輪直線位移 伺服電機旋轉編碼器每圈脈衝數ml、壓緊輪轉角伺服電機旋轉編碼 器每圈脈衝數m2,腹板寬度l,減速比k,絲槓螺距s ;讀取鋼料內 圓半徑RO,計算圓心到鋼料腹板中心線的距離R;再計算壓緊輪直線 位移量及轉角控制量的給定值X給定、W給定；讀取直線位移伺服電機旋 轉編碼器計數值CH1丄NT (計數卡上第一通道的計數值)及轉角伺服 電機旋轉編碼器計數值CH2—CNT (計數卡上第二通道的計數值)，計 算壓緊輪實際直線位移量X,rt及實際轉角W ;再計算直線位移誤差 ex及轉角誤差ee;然後由數字PID參數計算直線位移控制量ul及和 轉角控制量u2並輸出；如繼續測量則返回到讀取鋼料內圓半徑RO， 否則結束程序。
其裝置包括直線位移伺服電機、轉角伺服電機、四角支撐機架、 絲槓、託輪、壓緊輪、螺母及壓緊油缸，四角支撐機架的長邊與鋼料 的進給方向垂直安裝，其上設有直線位移伺服電機及絲槓，絲槓與直 線位移伺服電機連動，在絲槓上設有螺母，壓緊輪支架安裝在螺母上、 與其連動，通過絲槓與螺母的轉動副變成壓緊輪支架在水平方向往復 移動；壓緊輪支架上設有導向軸，固接於壓緊輪支架下端的壓緊油缸， 其活塞套裝在導向軸上並可沿導向軸上下往復移動；底座連接架與壓 緊油缸的活塞連動，帶有壓緊輪的壓緊輪底座通過滑動轉盤與底座連
接架連接，轉角伺服電機設於壓緊輪底座上，驅動其旋轉；壓緊輪底 座的兩側設有連接板，壓緊輪底座與連接板滑動連接，可在連接板的 滑槽內上下往復移動；託輪安裝在託輪底座上、對應設於壓緊輪的下 方，託輪底座固接於連接板，在託輪底座的下方設有滑動轉盤；
在四角支撐機架的下方設有與其平行的支撐滑道；所述直線位移 伺服電機及轉角伺服電機上設有旋轉編碼器，其上的變送器通過信號 接口接至插在工控計算機內的計數卡。
本發明的優點與積極效果為
l.本發明結構簡單，測量使用方便，測量精度高(測量誤差dR=
±lmm),通過測量壓緊輪的直線位移及轉角，控制鋼料的平整度，因此能夠有效地防止壓緊輪和託輪發生卡死現象，彌補了原鋼料平整度 控制的不足，適合加工各種船體肋骨時使用。
2.本發明能在工控計算機上顯示鋼料的直線位移量及轉角量，在 高精度測量的基礎上，結合高精度的伺服機構實現壓緊輪和託輪直線 位移量及轉角的控制。
圖1為本發明方法的專用裝置結構示意圖； 圖2為本發明方法的控制原理圖； 圖3為本發明方法的計算程序流程其中專用裝置1為直線位移伺服電機，2為轉角伺服電機，3 為四角支撐機架，4為支撐滑道，5為絲槓，6減速齒輪箱為，7為壓 緊輪底座，8為託輪底座，9為滑動轉盤，10為託輪，11為壓緊輪，12 為連接板，13為T型螺母，14為壓緊輪支架，15為壓緊油缸，16為 導向軸，17為底座連接架。
具體實施例方式
下面結合以下實施例及附圖詳細說明本發明。 本發明控制方法
通過安裝於直線位移伺服電機1尾部的旋轉編碼器測量出壓緊 輪11的實際直線位移量，通過安裝於轉角伺服電機2尾部的旋轉編 碼器測量出壓緊輪11的實際轉角，這些測量得到的信號通過旋轉編 碼器內部的變送器轉換成TTL方波脈衝送至工控計算機內具有加減 計數功能的計數卡，再通過函數關係計算出壓緊輪直線位移和轉角； 所述計數卡有3個計數通道，插在工控計算機的ISA總線插槽上；所 述模擬量輸出卡有6個模擬量輸出通道、16個數字量輸入通道、16 個數字量輸出通道，插在工控計算機的ISA擴展插槽上；所述直線位 移伺服電機1尾部裝有的旋轉編碼器上的變送器通過DB25接口接至 計數卡第1通道，轉角伺服電機2尾部裝有的旋轉編碼器上的變送器 通過DB25接口接至計數卡第2通道，模擬量輸出卡的輸出通道1通 過雙絞屏蔽電纜接至與直線伺服電機1相連的伺服驅動器的模擬量 輸入端，模擬量輸出卡的輸出通道2通過雙絞屏蔽電纜接至與轉角伺 服電機2相連的伺服驅動器的模擬量輸入端。所述直線位移和轉角計
算公式為 R=R0+l/2
X =R-SQRT ( R2-L2) W測量二arcs in (L/R)
其中RO為鋼料內圓半徑，l為鋼料腹板的寬度，R為圓心到鋼料腹板中心線的距離，L為壓緊輪中心到線圏的距離，X測量為壓緊輪的
直線位移量，w,慢為壓緊輪的轉角。
如圖3所示，所述控制程序流程為
首先初始化參數壓緊輪中心到線圈的距離L-500 (mm),壓緊輪 直線位移伺服電機旋轉編碼器每圈脈衝數ml-1000、壓緊輪轉角伺服 電機旋轉編碼器每圈脈衝數m2=3000,腹板寬度1=300 (隱)，減速比 kl=l: 10，減速比k24:25，絲槓螺距s=6 (mm);讀取鋼料內圓半徑 RO,本實施例取R0=3000 (mm);計算壓形輪中心線到鋼料彎曲圓心的 距離R=R0+1/2,計算得R=315(km;計算直線位移量給定值XSQRT (R2-L2),計算得X給定-191.96(mm);計算轉角控制量給定值W給定 =arcsin(L/R)，計算得W給定=0. 1594 (弧度)；讀取直線位移電機旋轉 編碼器計數值CH1-CNT (計數卡上第一通道的計數值)，本實施例取 CH1_CNT=308333;計算壓緊輪的實際直線位移量X =CH1—CNT*kl*s /ml，計算得X =185(mm);讀取轉角控制電機旋轉編碼器計數值 CH2_CNT (計數卡上第二通道的計數值)，本實施例取CH2丄NT4791; 計算壓緊輪的實際轉角W測量=2*3. 142*CH2—CNPk2/m2，計算得W測量 =0. 15 (弧度);計算直線位移誤差ex=X給定-X測，計算得ex=6. 96，計算轉 角誤差ee=W給定-W測，計算得ee=0. 0094;由數字PID參數計算直線位 移控制量ul及轉角量u2;輸出控制量ul，u2;判斷是否繼續測量， 如繼續測量則返回第2步讀取鋼料內圓半徑R0，否則結東程序。
本發明方法所用裝置，如圖1所示，包括直線位移伺服電機l、 轉角伺服電機2、四角支撐機架3、絲槓5、託輪IO、壓緊輪ll、螺 母13及壓緊油缸15,四角支撐機架3通過螺栓及定位銷固定在工具機 床身上，且其長邊與鋼料的進給方向垂直安裝。四角支撐機架3上設 有直線位移伺服電機1及絲槓5,直線位移伺服電機1的輸出軸與齒 輪減速箱6輸入軸相連，絲槓5與齒輪減速箱6的輸出軸連動，在絲 槓5上設有螺母13,壓緊輪支架14安裝在螺母13上、與其連動， 通過絲槓5與螺母13的轉動副變成壓緊輪支架14在水平方向往復移 動。壓緊輪支架14上設有導向軸16,固接於壓緊輪支架14下端的 壓緊油缸15,其活塞套裝在導向軸16上並可沿導向軸16上下往復 移動。底座連接架17與壓緊油缸15的活塞連動，帶有壓緊輪ll的 壓緊輪底座7通過滑動轉盤9與底座連接架17連接，轉角伺服電機 2設於壓緊輪底座7上，驅動其旋轉；壓緊輪底座7的兩側設有連接 板12,壓緊輪底座7與連接板12滑動連接，保證壓緊輪底座7可在 連接板12的滑槽內上下往復移動；託輪10安裝在託輪底座8上、對 應設於壓緊輪11的下方，託輪底座8與連接板12固定在一起，在託輪底座8的下方設有滑動轉盤9。支撐滑道4固定在工具機床身上且與 四角支撐機架3平行安裝。直線位移伺服電機1及轉角伺服電機2上 設有旋轉編碼器，其上的變送器通過信號接口接至插在工控計算機內 的計數卡。
整個裝置通過伺服電機、內置於電機的編碼器、計數卡、工控計 算機、模擬量輸出卡、伺服驅動器構成直線位移及轉角閉環控制系統, 實現壓緊輪11和託輪10的直線位移和轉角的隨動控制。
由本發明結構看其控制過程如圖2所示，首先將一段平直的鋼 料放置於壓緊輪11與託輪IO之間，並保證壓緊輪11和託輪10的中 心位於鋼料腹板的中心處。通過插在計算機ISA擴展插槽內的模擬量 輸出卡上的第一數字量輸出通道控制壓緊油缸15向下移動，壓緊油 缸15帶動壓緊輪支架14及壓緊輪11向下移動，將鋼料腹板夾在壓 緊輪11與託輪IO之間，壓緊油缸15向下的作用力保證鋼料受熱後 不會向上翹起。鋼料在經過中頻加熱後，通過壓型輪的進給控制使鋼 料產生塑性變形從而使鋼料產生水平方向彎曲，同時鋼料的曲率逐漸 減小，曲率測量傳感器檢測到鋼料的曲率變化後，由曲率測量傳感器 測得的鋼料內圓半徑經過計算得到壓緊輪的直線位移和轉角值，作為 壓緊輪直線移動及轉角控制的給定值，由計數卡第一通道計數值計算 出當前壓緊輪的直線位移量，由計數卡第二通道計數值計算出當前壓 緊輪的轉角值，作為直線位移量閉環控制及轉角閉環控制的反饋值， 經數字PID控制算法計算出直線位移誤差及轉角誤差，然後計算出直 線位移控制量ul及轉角控制量u2，直線位移控制量ul及轉角控制 量u2經模擬量輸出卡轉換成-10V +10V電壓值後送至直線位移伺服 驅動器及轉角伺服驅動器，從而驅動直線位移伺服電機1及轉角伺服 電機2旋轉，直線位移伺服電機1經減速齒輪箱6帶動絲槓5旋轉， 絲槓5經螺母13帶動壓緊輪支架14水平移動，壓緊輪支架14帶動 壓緊輪ll、連接板12、託輪IO、託輪底座8、導向軸16—起水平移 動，同時轉角伺服電機2帶動滑動轉盤9水平方向順時針旋轉，滑動 轉盤9帶動壓緊輪底座7旋轉，壓緊輪11在壓緊輪底座7的帶動下 旋轉，壓緊輪底座7帶動連接板12、託輪10、託輪底座8 —起水平 方向順時針旋轉。當壓緊輪11移動到計算機給定的直線位移值時直 線位移停止，當壓緊輪11轉動到設定的轉角給定值時旋轉停止。當 直線位移及轉角均達到計算機給定值時，調整結東，此時壓緊輪及託 輪的中心與鋼料腹板的中心重合，從而實現了壓緊輪及託輪的隨動控 制。
工控計算機根據讀取的鋼料內圓半徑可計算出所需要X和W的給定值，通過內置在直線位移和轉角電機的旋轉編碼器及變送器可將壓 緊輪和託輪的實際直線位移量和轉角測量出來，以直線位移電機為例 其每圈脈衝數為1000,其誤差僅為一個脈衝的誤差，折算成直線位
移量誤差為ex=l/1000*l/2*6=0. 003腿。而對轉角電機而言，其每圈 脈衝數為3000,其轉角誤差為ee=l/3000*2*3. 142=0. 002弧度。測
量出來的實際直線位移量和轉角與計算出來的給定值做一比較，如果 無偏差，則無需電機動作，如果有偏差，則通過先進的PID控制算法 以該偏差作為輸入量，算出輸出控制量，該控制量經模擬量輸出卡輸 出到電機伺服驅動器，伺服驅動器在接到輸出控制量後，驅動電機動 作，消除偏差，如此構成一個閉環控制。可實現壓緊輪和託輪的曲率 隨動動作。
本發明通過在計算機ISA擴展插槽上加裝計數卡來檢測脈衝數， 所述計數卡釆用PCL-833 (臺灣研華公司生產)，它是3通道脈衝輸 入卡，並可進行加/減計數，接口形式為DB25。旋轉編碼器的變送器 與PCL-833卡的DB25 口相連，其中直線位移電機旋轉編碼器接計數 卡第1通道，轉角控制電機旋轉編碼器接計數卡第2通道。通過模擬 量輸出卡控制直線位移電機及轉角控制電機旋轉，所述模擬量輸出卡 釆用PCL-726 (臺灣研華公司生產)，它具有6個通道，直線位移驅 動器與PCL-726的輸出通道1相連，轉角控制驅動器與PCL-726的輸 出通道2相連。
旋轉編碼器LEC-200-BM-G05D,長春第一光學儀器廠。
權利要求
1. 一種鋼料平整度控制方法，其特徵在於用與直線位移伺服電機相連接的旋轉編碼器測量壓緊輪實際直線位移量，用與轉角伺服電機相連接的旋轉編碼器測量壓緊輪實際轉角，旋轉編碼器內部的變送器將測量的信號轉換成TTL方波脈衝後送至工控計算機內的計數卡，再通過函數關係計算出壓緊輪的直線位移和轉角其中所述壓緊輪直線位移的計算式為X測量＝R-SQRT(R2-L2)，壓緊輪轉角的計算式為W測量＝arcsin(L/R)，其中R＝R0+1/2；R0為鋼料內圓半徑，1為鋼料腹板的寬度，R為圓心到鋼料腹板中心線的距離，L為壓緊輪中心到線圈的距離；將計算出的反饋值與給定值相減計算出誤差，經數字PID控制算法計算出位移控制量u1及和轉角控制量u2，再經模擬量輸出卡轉換成-10V～+10V電壓值後，送至直線位移伺服電機及轉角伺服電機，從而驅動壓緊輪移動、旋轉，至給定值時停止，壓緊輪中心與鋼料腹板中心重合，實現壓緊輪的隨動控制。
2. 按權利要求1所述的鋼料平整度控制方法，其特徵在於所 述計數卡釆用具有加減功能的計數卡。
3. 按權利要求1所述的鋼料平整度控制方法，其特徵在於所 述計算控制程序流程為首先初始化參數壓緊輪中心到線圈的距離L，壓緊輪直線位移 伺服電機旋轉編碼器每圈脈衝數ml、壓緊輪轉角伺服電機旋轉編碼 器每圈脈衝數m2,腹板寬度l，減速比k,絲槓螺距s ;讀取鋼料內 圓半徑RO,計算圓心到鋼料腹板中心線的距離R;再計算壓緊輪直線 位移量及轉角控制量的給定值X^、 W^;讀取直線位移伺服電機旋 轉編碼器計數值CHLCNT (計數卡上第一通道的計數值)及轉角伺服 電機旋轉編碼器計數值CH2—CNT (計數卡上第二通道的計數值)，計 算壓緊輪實際直線位移量X織及實際轉角W ;再計算直線位移誤差 e,及轉角誤差ee;然後由數字PID參數計算直線位移控制量ul及和 轉角控制量u2並輸出；如繼續測量則返回到讀取鋼料內圓半徑RO， 否則結東程序。
4. 按權利要求1所述鋼料平整度控制方法所用裝置，其特徵在 於包括直線位移伺服電機(1)、轉角伺服電機(2)、四角支撐機架(3)、絲槓(5)、託輪(10)、壓緊輪(11)、螺母(13)及壓緊油缸 (15)，四角支撐機架(3)的長邊與鋼料的進給方向垂直安裝，其上設有直線位移伺服電機(1)及絲槓(5)，絲槓(5)與直線位移伺服電機(1)連動，在絲槓(5)上設有螺母(13),壓緊輪支架(14) 安裝在螺母(13)上、與其連動，通過絲槓(5)與螺母(13)的轉 動副變成壓緊輪支架(14)在水平方向往復移動；壓緊輪支架(14) 上設有導向軸(16 ),固接於壓緊輪支架(14 )下端的壓緊油缸(15 ), 其活塞套裝在導向軸(16)上並可沿導向軸(16)上下往復移動；底 座連接架(17)與壓緊油缸(15)的活塞連動，帶有壓緊輪(11)的 壓緊輪底座(7 )通過滑動轉盤(9 )與底座連接架(17 )連接，轉角 伺服電機(2)設於壓緊輪底座(7)上，驅動其旋轉；壓緊輪底座(7) 的兩側設有連接板(12 )，壓緊輪底座(7 )與連接板(12 )滑動連接， 可在連接板(12)的滑槽內上下往復移動；託輪(10)安裝在託輪底 座(8 )上、對應設於壓緊輪(11 )的下方，託輪底座(8 )固接於連 接板(12),在託輪底座(8)的下方設有滑動轉盤(9)。
5. 按權利要求4所述裝置，其特徵在於在四角支撐機架(3) 的下方設有與其平行的支撐滑道(4)。
6. 按權利要求4所述裝置，其特徵在於所述直線位移伺服電 機(1)及轉角伺服電機(2)上設有旋轉編碼器，其上的變送器通過 信號接口接至插在工控計算機內的計數卡。
全文摘要
本發明公開一種鋼料平整度控制方法及裝置。方法用與直線位移伺服電機相連接的旋轉編碼器測量壓緊輪實際直線位移量，用與轉角伺服電機相連接的旋轉編碼器測量壓緊輪實際轉角，旋轉編碼器內部的變送器將測量的信號轉換成TTL方波脈衝後送至計數卡，再經過計算程序求出直線位移和轉角，將位移及轉角控制量經模擬量輸出卡轉換成電壓值，送至伺服電機，使壓緊輪中心與鋼料腹板中心重合，實現壓緊輪的隨動控制；裝置包括直線位移伺服電機、轉角伺服電機、絲槓、託輪、壓緊輪及螺母，絲槓與直線位移伺服電機連動，壓緊輪支架上設有導向軸、壓緊油缸、底座連接架、壓緊輪、轉角伺服電機及託輪，與壓緊輪支架連動。本發明具有測量精度高等特點。
文檔編號B21D7/00GK101468366SQ20071015928
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者吳景輝, 軍 朱, 榮勝波 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所