一種高精度矯直機自動控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明一種高精度矯直機自動控制系統(tǒng)及控制方法，屬于自動控制領(lǐng)域，本發(fā)明使高精度矯直機的矯直精度直線度(彎曲度)達到0.3mm/m以上；從高精度矯直機液壓系統(tǒng)油源壓力和油缸活塞位移的閉環(huán)控制、矯直運行過程數(shù)據(jù)的連續(xù)檢測、標定各組矯直輥傳動的無級調(diào)速控制等入手，設(shè)計高精度矯直機自動控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件方法，達到高精度自動控制的三維旋轉(zhuǎn)矯直的國際領(lǐng)先水平，本發(fā)明能夠保證矯直過程中各組輥縫精度的一致性；均布、均衡矯直力的穩(wěn)定性；非線性變量增益自動補償?shù)目煽啃裕垢呔瘸C直機的矯直精度由直線度0.3mm/m提高到0.2mm/m；矯直后的被矯材達到了無盲區(qū)、無微裂、無劃痕、無橢圓、無反彈的矯直目標。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自動控制領(lǐng)域，具體涉及一種高精度矯直機自動控制系統(tǒng)及控制方 法。 一種高精度矯直機自動控制系統(tǒng)及控制方法

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國工業(yè)快速發(fā)展，稀有金屬及其合金材料在航空航天、電子通訊、核發(fā)電 等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛，對其管材、棒材的直線度（彎曲度）要求達到〇.3mm/m至 0. 2mm/m，我國目前生產(chǎn)的矯直機矯直精度大多停留在lmm/m以上，最高也只能達到0. 5mm/ m左右，滿足不了 0. 3mm/m的高直線度矯直需求，更無法滿足壁厚在0. 5mm以下的極薄壁管 材的矯直需求；因此，稀有金屬及其合金材料軋制后的精整生產(chǎn)線和核發(fā)電等新興產(chǎn)業(yè)都 需要配置高精度矯直設(shè)備；而穩(wěn)定的高精度矯直設(shè)備必須配備高精度矯直自動控制系統(tǒng)， 才能實現(xiàn)高精度矯直目標。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提出一種高精度矯直機自動控制系統(tǒng)及控制方法， 以達到提高矯直精度、可靠性，實現(xiàn)矯直后被矯材無盲區(qū)、無微裂、無劃痕、無橢圓、無反彈 的目的。
[0004] 一種高精度矯直機自動控制系統(tǒng)，包括磁致式位移傳感器、油壓傳感器、人機界 面、PLC控制器、放大器、直流調(diào)速控制器、直流電機、減速器、增量式光電編碼器、比例換向 閥和比例溢流閥，其中，所述的磁致式位移傳感器安裝于矯直機油缸的活塞連桿處，油壓傳 感器設(shè)置于矯直機液壓站的液壓閥塊上，磁致式位移傳感器的輸出端連接于PLC控制器的 第一通道模擬量輸入端，油壓傳感器的輸出端連接PLC控制器的第二通道模擬量輸入端， 人機界面通過總線連接PLC控制器；PLC控制器的第一通道模擬量輸出端通過放大器連接 比例換向閥的輸入端，PLC控制器的第二通道模擬量輸出端通過放大器連接比例溢流閥的 輸入端，PLC控制器通過總線與直流調(diào)速控制器連接；所述的比例換向閥設(shè)置于矯直機油 缸側(cè)，在矯直機油缸與比例換向閥之間設(shè)置有比例溢流閥；所述的直流調(diào)速控制器的輸出 端連接直流電機，直流電機的輸出軸連接減速器的一端，減速器的另一端通過萬向接軸連 接矯直機輥的中心軸；在電機的尾端設(shè)置有增量式光電編碼器，增量式光電編碼器的輸出 端連接直流調(diào)速控制器的輸入端。
[0005] 所述的減速器，其同時連接多個矯直輥的中心軸。
[0006] 所述的比例換向閥個數(shù)、比例溢流閥個數(shù)和磁致式位移傳感器的個數(shù)均與矯直機 中活動輥的個數(shù)相同，油壓傳感器的個數(shù)為矯直機中活動輥的個數(shù)的2倍。
[0007] 采用高精度矯直機自動控制系統(tǒng)進行的控制方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1、根據(jù)實際需求通過人機界面設(shè)置被矯材的矯直速度，即實現(xiàn)對直流電機目 標轉(zhuǎn)速的設(shè)定；設(shè)定矯直機活動輥的位移目標值，包括上、下輥之間的間距和反彎量；根據(jù) 實際需求設(shè)定被矯材的保護油壓值，即設(shè)定比例溢流閥的溢流值；
[0009] 步驟2、根據(jù)實際需求手動調(diào)節(jié)上、下輥的角度，并手動將矯直機的活動輥移動至 底端進行清零，即上、下輥間距離為零，并將用于反彎的下輥移動至底端，將此時上、下輥的 接觸位置作為位移相對零點；
[0010] 步驟3、啟動矯直機，采用PLC控制器發(fā)送控制信號至比例換向閥，控制比例換向 閥的開口度，進而控制油缸內(nèi)油壓帶動活塞桿運動，實現(xiàn)矯直機上、下輥間距的增加至設(shè)定 的位移目標值，并使用于反彎的下輥位移達到設(shè)定的反彎量；
[0011] 步驟4、在矯直機上、下輥間放入被矯材；
[0012] 步驟5、矯直機運行過程中，實時采用磁致式位移傳感器采集活塞桿的位移量，反 饋至PLC控制器中與設(shè)定的位移目標值做差，采用PID控制算法計算位移補償量，通過放大 器控制比例換向閥控制開口度，調(diào)節(jié)油缸內(nèi)油量，進而控制矯直機活動輥的位移穩(wěn)定在設(shè) 定位移目標值；
[0013] 步驟6、矯直機運行過程中，實時采用增量式光電編碼器采集直流電機轉(zhuǎn)速值，通 過直流控制器發(fā)送至PLC控制器內(nèi)，根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速的實際測量值與直流電機目標轉(zhuǎn)速 設(shè)定的差值，采用PID控制算法計算直流電機轉(zhuǎn)速的補償量，并發(fā)送至直流控制器中實現(xiàn) 對直流電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，使直流電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于目標設(shè)定值；
[0014] 步驟7、矯直機運行過程中，實時采用油壓傳感器采集油缸內(nèi)油壓值是否超過設(shè)定 的被矯材的保護油壓值，若是，則PLC控制器控制比例溢流閥進行溢流，使油缸內(nèi)油壓值恢 復(fù)至保護油壓值以內(nèi)，否則，返回步驟6繼續(xù)實時采集；
[0015] 步驟8、當(dāng)完成所有被矯材的矯直后，停止。
[0016] 步驟1所述的上、下輥之間的間距為被矯材的直徑。
[0017] 步驟5所述的PID控制算法中比例系數(shù)的確定，采用實時動態(tài)調(diào)節(jié)方法，具體步驟 如下：
[0018] 步驟6-1、實時判斷油缸活塞桿實際位移是否大于設(shè)定的位移目標值，若是，則執(zhí) 行步驟6-2,否則，執(zhí)行步驟6-3 ;
[0019] 步驟6-2、根據(jù)油缸內(nèi)實際測量油壓值和比例換向閥的流量壓力增益值，確定控制 系統(tǒng)的增益值，并執(zhí)行步驟6-4 ;
[0020] 公式如下：
[0021] Kx = Kp/sqrt ( Δ Ρ)
[0022] 其中，Κχ表示控制系統(tǒng)的增益值，Κρ表示比例換向閥的流量壓力增益值，此時ΛΡ =油缸內(nèi)實際測量油壓值，sqrt(.)表示開方；
[0023] 步驟6-3、根據(jù)油缸內(nèi)實際測量油壓值與矯直機油源壓力值的差值和比例換向閥 的流量壓力增益值，確定控制系統(tǒng)的增益值，并執(zhí)行步驟6-4 ;
[0024] 公式如下：
[0025] Kx = Kp/sqrt ( Δ Ρ)
[0026] 此時，ΛΡ =油缸內(nèi)實際測量油壓值與矯直機油源壓力值的差值；
[0027] 步驟6-4、判斷控制系統(tǒng)的增益值是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，該范圍為1?1000,若是， 則執(zhí)行步驟6-5,否則，返回執(zhí)行步驟6-1 ;
[0028] 步驟6-5、將獲得的控制系統(tǒng)的增益值作為PID控制算法中的比例系數(shù)。
[0029] 本發(fā)明優(yōu)點：
[0030] 本發(fā)明一種高精度矯直機自動控制系統(tǒng)及控制方法，使高精度矯直機的矯直精度 直線度（彎曲度）達到0. 3mm/m以上；本發(fā)明從高精度矯直機液壓系統(tǒng)油源壓力和油缸活 塞位移的閉環(huán)控制、矯直運行過程數(shù)據(jù)的連續(xù)檢測、標定各組矯直輥傳動的無級調(diào)速控制 等入手，設(shè)計高精度矯直機自動控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件方法，達到高精度自動控制的 三維旋轉(zhuǎn)矯直的國際領(lǐng)先水平，本發(fā)明能夠保證矯直過程中各組輥縫精度的一致性；均布、 均衡矯直力的穩(wěn)定性；非線性變量增益自動補償?shù)目煽啃?，使高精度矯直機的矯直精度由 直線度〇. 3mm/m提高到0. 2mm/m ;矯直后的被矯材達到了無盲區(qū)、無微裂、無劃痕、無橢圓、 無反彈的矯直目標。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明一種實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明一種實施例的高精度矯直自動控制裝置結(jié)構(gòu)框圖，其中，1-人機界 面，2-PLC編程器，3-操作臺，4-電源柜，5-控制柜，6-車間管理計算機；
[0033] 圖3為本發(fā)明一種實施例的操作臺結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖4為本發(fā)明一種實施例的高精度矯直機自動控制方法流程圖；
[0035] 圖5為本發(fā)明一種實施例的輥縫反彎量壓力控制系數(shù)自動調(diào)整流程圖；
[0036] 圖6為本發(fā)明一種實施例的輥縫反彎量位置控制系數(shù)自動調(diào)整程序流程圖；
[0037] 圖7為本發(fā)明一種實施例的比例溢流閥壓力曲線圖。

【具體實施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一種實施例做進一步說明。
[0039] 本發(fā)明實施例中，如圖1所示，高精度矯直機自動控制系統(tǒng)包括磁致式位移傳感 器、油壓傳感器、人機界面（HMI)、PLC控制器、放大器、直流調(diào)速控制器（6RA70)、直流電機、 減速器、增量式光電編碼器、比例換向閥、比例溢流閥及其相應(yīng)的放大器，其中，所述的磁致 式位移傳感器安裝于矯直機油缸的活塞連桿處，油壓傳感器設(shè)置于液壓閥塊上，用于檢測 矯直輥油缸的壓力，磁致式位移傳感器的輸出信號連接于PLC控制器的第一通道模擬量輸 入端IW3,油壓傳感器的輸出端連接PLC控制器的第二通道模擬量輸入端IW5,人機界面 (HMI)通過MPI總線連接PLC控制器；PLC控制器的第一通道模擬量輸出端QW3連接比例換 向閥放大器的給定輸入端NO, PLC控制器的第二通道模擬量輸出端QW7連接比例溢流閥放 大器的給定輸入端IN0，PLC控制器通過Profibus總線與直流調(diào)速控制器（6RA70)上的通訊 板（CBP2)進行數(shù)據(jù)通訊；所述的比例換向閥設(shè)置于矯直機油缸側(cè)，在矯直機油缸與比例換 向閥之間設(shè)置有比例溢流閥；所述的直流調(diào)速控制器（6RA70)的輸出電樞和勵磁線連接直 流電機，電機的輸出軸通過聯(lián)軸器連接減速器的一端，減速器的另一端通過萬向接軸連接 矯直機輥的中心軸；在電機的尾端設(shè)置有增量式光電編碼器，編碼器的輸出端作為速度反 饋連接至直流調(diào)速控制器（6RA70)的控制板輸入端。
[0040] 所述的減速器，其同時連接多個矯直輥的中心軸；所述的比例換向閥個數(shù)、比例溢 流閥個數(shù)和磁致式位移傳感器的個數(shù)均與矯直機中活動輥的個數(shù)相同，油壓傳感器的個數(shù) 為矯直機中活動輥的個數(shù)的2倍。
[0041] 本發(fā)明實施例中，比例換向閥采用4WRA型號；比例溢流閥采用DBETR型直動式比 例溢流閥，放大器采用RT3013型數(shù)字式比例放大器，直流調(diào)速控制器采用6RA70型號；PLC 控制器采用SIMATIC S7-300型號（包括314C型CPU)，人機界面采用MP-277型，減速器采用 ZLY180-18型號，電機采用Z4-160-31 (27kw)型；增量式光電編碼器采用E6B2-CWZ5B型號， 磁致式位移傳感器采用MD10-DC8-2QC型號；油壓傳感器采用P20S-GB400CN14M4B型號；上 輥1-6輥位移傳感器4-20mA對應(yīng)0-150. 00mm，下輥2、5輥位移傳感器4-20mA對應(yīng)0-40mm ; 液壓系統(tǒng)油壓檢測：4-20mA對應(yīng)0-40MPa。
[0042] 如圖2所示，為高精度矯直自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，本實施例中，設(shè)置有控制柜、 電源柜、操作臺、PLC編程器、MP-277型人機界面和車間管理計算機，其中 ：
[0043] 電源柜：為本發(fā)明矯直自動控制系統(tǒng)提供電源，同時為系統(tǒng)配套的矯直機主機提 供電源。
[0044] 控制柜：安裝3組大輥上、下直流調(diào)速控制器和3組小輥上、下直流調(diào)速控制器，分 別與矯直機大、小輥直流電機相連，控制矯直輥運行速度。
[0045] 控制系統(tǒng)操作臺（Μ0Ρ)設(shè)置有314C型CPU:本發(fā)明的矯直自動控制系統(tǒng)用于控制 12輥"異輥距"棍系結(jié)構(gòu)的高精度矯直機，構(gòu)造為大輥2-2 (3)共6輥、小輥2-2 (3)共6輥， 計12輥，形成大、小輥復(fù)合輥系。本發(fā)明的控制系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)安裝在控制系統(tǒng)操作臺 內(nèi)；
[0046] 分別對矯直整機實施下列控制功能：
[0047] 1、控制12個矯直輥的直流電機轉(zhuǎn)速，達到控制矯直速度的標定值；
[0048] 2、控制有升降功能的6個上矯直輥和2個下矯直輥，使大、小輥各3組的輥縫精度 值達到并保持設(shè)定的標定值；
[0049] 3、有升降功能的8個矯直輥的上升和下降由液壓油缸的活塞位移量的增、減實現(xiàn) 輥縫精度的標定值。保持標定值是由控制系統(tǒng)的位移傳感器測定，經(jīng)PLC控制器給出正負 調(diào)正量的輸出信號，自動調(diào)正液壓油缸的油壓。
[0050] 4、矯直機對被矯材施加矯直力時，要保持矯直力的均布、均衡狀態(tài)。為此，本發(fā)明 的控制系統(tǒng)還要完成以下兩項基本控制功能。一是控制油源壓力穩(wěn)定在壓力標定值上，這 點將在矯直機和控制系統(tǒng)都進入正常狀態(tài)下，控制系統(tǒng)將自動把油源壓力調(diào)正到標定值。 二是矯直過程中由于許多客觀因素的變化，例如液壓油溫的上升或下降會影響油壓，這種 非線性變量增益是本發(fā)明的控制系統(tǒng)必須控制的內(nèi)容。系統(tǒng)設(shè)計了非線性變量增益自動補 償功能，保證矯直力均布、均衡、輥縫精度和矯直輥運行速度的矯直功能目標的實現(xiàn)。
[0051] 控制系統(tǒng)PLC編程器與本發(fā)明的控制系統(tǒng)主計算單元CPU314C相連，是自動控制 系統(tǒng)的編程器件；如圖3所示操作臺結(jié)構(gòu)框圖，S卩PLC控制器框圖，操作臺通過PR0FIBUS總 線連接人機界面和編程器。
[0052] 控制系統(tǒng)的觸摸屏（MP-277型人機界面）：本發(fā)明的控制系統(tǒng)依據(jù)矯直機和控制 系統(tǒng)的矯直功能，編制了十幾個矯直操作菜單，供客戶調(diào)用。
[0053] 液壓比例閥控制部分：包括8個液壓缸位移控制和4個壓力標定控制。
[0054] 液壓缸位移檢測控制部分：包括8個油壓傳感器，傳感器的控制電壓為0?10V， 將對應(yīng)0?300bar ;從PLC的模擬量輸入檢測值經(jīng)整數(shù)轉(zhuǎn)化成四個字節(jié)的實數(shù)，由CPU計 算后，再轉(zhuǎn)成模擬量輸出，控制相關(guān)液壓閥開口量。
[0055] 控制系統(tǒng)的速度環(huán)、電流環(huán)控制部分：包括其反饋機構(gòu)，將PLC與直流調(diào)速機構(gòu)相 連接，及時處理速度、電流反饋信號，達到閉環(huán)控制目標，實現(xiàn)各矯直輥線速度一致，保證矯 直精度。
[0056] 液壓站I/O輸入輸出的邏輯檢測控制部分：液壓站輸出油壓必須穩(wěn)壓，系統(tǒng)設(shè)計 了油源壓力標定值，按此標定壓力值由邏輯檢測機構(gòu)反饋檢測值，由PLC處理反饋信號、隨 時調(diào)正液壓站輸出的比例換向閥，保持油源壓力穩(wěn)定，不發(fā)生油源壓力波動的不良現(xiàn)象。
[0057] 本發(fā)明實施例中，控制系統(tǒng)還設(shè)置了 CP343-1型的通訊模塊：與本發(fā)明的控制系 統(tǒng)的以太網(wǎng)、車間管理計標機連接，用于矯直機生產(chǎn)信息及車間管理使用。
[0058] 本發(fā)明實施例中，主要由工業(yè)微機"可編程序控制器（PLC)及6RA70型全數(shù)字直流 調(diào)速系統(tǒng)組成，整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)采用工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將操作員站、PLC站及工廠綜合自 動化車間管理系統(tǒng)均整合到百兆工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)，具有極好的通訊速率及抗干擾性能。
[0059] 本發(fā)明實施例中，上下主輥電機采用西門子的直流伺服驅(qū)動控制器6RA70系列全 數(shù)字直流調(diào)速裝置驅(qū)動主電機傳動，由單圈脈沖為2048的脈沖編碼器檢測矯直速度，通過 Profiubs-DP網(wǎng)絡(luò)將直流電機速度信號反饋送給PLC組成速度負反饋系統(tǒng)；由6RA70直流調(diào) 速裝置通過Profiubs-DP網(wǎng)絡(luò)將扭矩數(shù)據(jù)送入PLC進行處理，然后發(fā)出命令控制直流伺服驅(qū) 動控制器-6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置的電流輸出，從而保證了上下兩輥的扭矩同步 精度要求，保證了上下兩輥速度同步、扭矩同步，從而得以保證使高精度矯直機的矯直精度 由直線度（彎曲度）〇. 3mm/m提高到0. 2mm/m以上，也極大地提高了矯直后產(chǎn)品表面的光潔 度。
[0060] 本發(fā)明實施例中，液壓比例換向閥配合安裝在液壓缸活塞里的位移傳感器組成 液壓伺服比例控制系統(tǒng)，保證了各個輥反彎力一致性精度要求；高精度磁致式位移傳感器 (分辨率為5 μ m)將精確測量上下輥油缸活塞的位置數(shù)據(jù)，將位置數(shù)據(jù)送入PLC進行位置閉 環(huán)控制；可以并根據(jù)工藝要求進行反彎量的設(shè)定（根據(jù)工藝數(shù)據(jù)設(shè)定反彎量，從而設(shè)定反 彎力）。
[0061] 本發(fā)明實施例中，該設(shè)備的液壓系統(tǒng)在反彎缸油路中設(shè)計有比例溢流閥，可以根 據(jù)不同材質(zhì)，不同管徑的原料設(shè)定配方，從而設(shè)定不同的壓力保護值以保護被矯材料不被 過大的油壓損壞。
[0062] 采用高精度矯直機自動控制系統(tǒng)進行的控制方法，方法流程圖如圖4所示，包括 以下步驟：
[0063] 步驟1、根據(jù)實際需求通過人機界面設(shè)置被矯材的矯直速度，即實現(xiàn)對直流電機目 標轉(zhuǎn)速的設(shè)定；設(shè)定矯直機活動輥的位移目標值，包括上、下輥之間的間距和反彎量；根據(jù) 實際需求設(shè)定被矯材的保護油壓值，即設(shè)定比例溢流閥的溢流值；所述的上、下輥之間的間 距為被矯材的直徑。
[0064] 本發(fā)明實施例中，各矯直參數(shù)確定方法如下：
[0065] 1)矯直力確定：
[0066] 當(dāng)輥形確定之后，即可按輥縫曲線計算矯直力。
[0067] 圓棒材矯直輥輥型的導(dǎo)程t為：
[0068] t = π dtan α (2)
[0069] 式中，d為圓棒材的直徑，α為圓棒材軸線與矯直輥軸間夾角。
[0070] 設(shè)圓材的彈性極限彎矩為札，可以計算矯直力為：
[0071] ^3- ,, _υ·7 . t (3)
[0072] 其中，F(xiàn)3表示S' d到Sb段內(nèi)的矯直力；M3表示S' d到Sb段內(nèi)的彎矩；Sb、S' d、 Sd為矯直輥分段拐點值（mm)，在矯直輥上按此順序逐漸靠近中心0點；
[0073] F2 = -^-(M2 - Μ,) = 0.4-L (4) id t
[0074] 其中，F(xiàn)2表示Sd到S' d段內(nèi)的矯直力；M2表示Sd到S' d段內(nèi)的彎矩 2 Μ
[0075] F\ =~(Μι -M,,) = 0.14 -L 1 5) t
[0076] 其中，匕表示矯直輥中心0到Sd段內(nèi)的矯直力； A/T
[0077] ^=2(^+^+^) = 15.28^
[0078] 2)矯直速度確定：
[0079] 矯直速度依據(jù)日產(chǎn)量提出，如v = 30?60m/min等，先計算出工件矯直棍斜角α 的導(dǎo)程t = π dtag α，再根據(jù)導(dǎo)程t計算出工件的轉(zhuǎn)速《 ^由工件轉(zhuǎn)速計算出矯直輥速 度& 其中D為矯直輥直徑。
[0080] 式中n、v、ng值可根據(jù)需要進行調(diào)整。
[0081] 步驟2、根據(jù)實際需求手動調(diào)節(jié)上、下輥的角度，并手動將矯直機的活動輥移動至 底端進行清零，即上、下輥間距離為零，并將用于反彎的下輥移動至底端，將此時上、下輥的 接觸位置作為位移相對零點；
[0082] 本發(fā)明實施例中，矯直輥壓下時位移傳感器讀數(shù)為匕，在程序中存儲為相對零點， 當(dāng)矯直輥抬起時位移傳感讀數(shù)為Pi，此時輥縫為I PfPo I。
[0083] 步驟3、啟動矯直機，采用PLC控制器發(fā)送控制信號至比例換向閥，控制比例換向 閥的開口度，進而控制油缸內(nèi)油壓帶動活塞桿運動，實現(xiàn)矯直機上、下輥間距的增加至設(shè)定 的位移目標值，并使用于反彎的下輥位移達到設(shè)定的反彎量；
[0084] 步驟4、在矯直機上、下輥間放入被矯材；
[0085] 步驟5、矯直機運行過程中，實時采用磁致式位移傳感器采集活塞桿的位移量，反 饋至PLC控制器中與設(shè)定的位移目標值做差，采用PID控制算法計算位移補償量，通過放大 器控制比例換向閥控制開口度，調(diào)節(jié)油缸內(nèi)油量，進而控制矯直機活動輥的位移穩(wěn)定在設(shè) 定位移目標值；
[0086] 本發(fā)明實施例中，控制系統(tǒng)具有棍縫反彎量自動調(diào)整功能。棍縫反彎量取決于被 矯管材的均布、均衡矯直力大小，其自動調(diào)整控制原理如下：當(dāng)被矯直工件實際矯直力> 設(shè)定矯直力值時（反彎量變大），通過液壓伺服系統(tǒng)輸出增大壓力，使液壓缸微動帶動輥 系下移，減小實際輥縫間距，從而平衡反彎量。當(dāng)被矯直工件實際矯直力 < 設(shè)定矯直力值 時（反彎量變?。?，通過液壓伺服系統(tǒng)輸出減少壓力，使液壓缸微動帶動輥系上移，加大實 際輥縫間距，從而平衡反彎量。輥縫反彎量壓力自動調(diào)整流程如附圖5所示：圖中：ΛΡ = Psys-Pcyl, Psys為油源壓力，Pcyl為液壓缸內(nèi)油壓。
[0087] 同理，輥縫反彎量自動調(diào)整除了壓力調(diào)整之外還可以通過位置進行自動調(diào)整。位 置自動調(diào)整處理中加入了變增益特性因子Kp 〇Siti〇n_rati〇,用以處理矯直過程中的非線 性變量增益特性的補償。
[0088] 位置自動調(diào)整程序流程如圖6所示，具體步驟如下：
[0089] 步驟5-1、實時判斷油缸活塞桿實際位移是否大于設(shè)定的位移目標值，若是，則執(zhí) 行步驟5-2,否則，執(zhí)行步驟5-3 ;
[0090] 步驟5-2、根據(jù)油缸內(nèi)實際測量油壓值和比例換向閥的流量壓力增益值，確定控制 系統(tǒng)的增益值，并執(zhí)行步驟5-4 ;
[0091] 公式如下：
[0092] Kx = Kp/sqrt ( Δ Ρ) (1)
[0093] 其中，Κχ表示控制系統(tǒng)的增益值，Κρ表示比例換向閥的流量壓力增益值，此時ΛΡ =油缸內(nèi)實際測量油壓值，sqrt(.)表示開方；
[0094] 比例換向閥閥口油流量Q與比例換向閥開口度和閥口壓力差的關(guān)系為： 式中：A為液壓缸截面積，ΔΡ為比例閥兩側(cè)壓差（油缸內(nèi)實際測量油壓值）。
[0095] 本發(fā)明實施例中，處理時位置閉環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器控制，為保證計算Kratio時ΛΡ 過小或接近于〇而導(dǎo)致Kratio過大，當(dāng)ΛΡ < 100時，令ΛΡ = 100。
[0096] 步驟5-3、根據(jù)油缸內(nèi)實際測量油壓值與矯直機油源壓力值的差值和比例換向閥 的流量壓力增益值，確定控制系統(tǒng)的增益值，并執(zhí)行步驟6-4 ;
[0097] 公式如下：
[0098] Kx = Kp/sqrt ( Δ Ρ) (1)
[0099] 此時，ΛΡ =油缸內(nèi)實際測量油壓值與矯直機油源壓力值的差值；
[0100] 步驟5-4、判斷控制系統(tǒng)的增益值是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，該范圍為1?1000,若是， 則執(zhí)行步驟5-5,否則，返回執(zhí)行步驟6-1 ;
[0101] 步驟5-5、將獲得的控制系統(tǒng)的增益值作為PID控制算法中的比例系數(shù)。
[0102] 步驟6、矯直機運行過程中，實時采用增量式光電編碼器采集直流電機轉(zhuǎn)速值，通 過直流控制器發(fā)送至PLC控制器內(nèi)，根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速的實際測量值與直流電機目標轉(zhuǎn)速 設(shè)定的差值，采用PID控制算法計算直流電機轉(zhuǎn)速的補償量，并發(fā)送至直流控制器中實現(xiàn) 對直流電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，使直流電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于目標設(shè)定值，具體如下：
[0103] 步驟7、矯直機運行過程中，實時采用油壓傳感器采集油缸內(nèi)油壓值是否超過設(shè)定 的被矯材的保護油壓值，若是，則PLC控制器控制比例溢流閥進行溢流，使油缸內(nèi)油壓值恢 復(fù)至保護油壓值以內(nèi)，否則，返回步驟6繼續(xù)實時采集；
[0104] 本發(fā)明實施例中，整機運行過程中發(fā)生突發(fā)事件時，例如矯直材料頭、尾時被矯材 料尺寸不規(guī)則時，根據(jù)6RA70裝置的電流及轉(zhuǎn)矩反饋，確定咬鋼（被矯材料進矯直機）信 號，可以設(shè)定，過大即為超差。電控系統(tǒng)控制矯直輥快速抬起，液壓系統(tǒng)溢流閥起作用，防止 機械設(shè)備及被矯材料相互損傷。
[0105] 本發(fā)明實施例中，反彎缸內(nèi)的壓力由比例溢流閥做為最終控制，比例溢流閥的壓 力設(shè)定值根據(jù)壓力曲線圖按比例設(shè)定，如圖7所示。
[0106] 步驟8、當(dāng)完成所有被矯材的矯直后，停止。
[0107] 本發(fā)明實施例中的高精度矯直自動控制系統(tǒng)是針對遼寧銀捷YC12GJ70鉭鈮合金 管材高精度矯直機的技術(shù)、精度指標設(shè)計。本技術(shù)方案控制原理同樣適用于其他各類規(guī)格 型號的高精度矯直設(shè)備需求。
【權(quán)利要求】
1. 一種高精度矯直機自動控制系統(tǒng)，其特征在于：包括磁致式位移傳感器、油壓傳感 器、人機界面、PLC控制器、放大器、直流調(diào)速控制器、直流電機、減速器、增量式光電編碼器、 比例換向閥和比例溢流閥，其中，所述的磁致式位移傳感器安裝于矯直機油缸的活塞連桿 處，油壓傳感器設(shè)置于矯直機液壓站的液壓閥塊上，磁致式位移傳感器的輸出端連接于PLC 控制器的第一通道模擬量輸入端，油壓傳感器的輸出端連接PLC控制器的第二通道模擬量 輸入端，人機界面通過總線連接PLC控制器；PLC控制器的第一通道模擬量輸出端通過放大 器連接比例換向閥的輸入端，PLC控制器的第二通道模擬量輸出端通過放大器連接比例溢 流閥的輸入端，PLC控制器通過總線與直流調(diào)速控制器連接；所述的比例換向閥設(shè)置于矯 直機油缸側(cè)，在矯直機油缸與比例換向閥之間設(shè)置有比例溢流閥；所述的直流調(diào)速控制器 的輸出端連接直流電機，直流電機的輸出軸連接減速器的一端，減速器的另一端通過萬向 接軸連接矯直機輥的中心軸；在電機的尾端設(shè)置有增量式光電編碼器，增量式光電編碼器 的輸出端連接直流調(diào)速控制器的輸入端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度矯直機自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的減速器，其 同時連接多個矯直輥的中心軸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度矯直機自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的比例換向 閥個數(shù)、比例溢流閥個數(shù)和磁致式位移傳感器的個數(shù)均與矯直機中活動輥的個數(shù)相同，油 壓傳感器的個數(shù)為矯直機中活動輥的個數(shù)的2倍。
4. 采用權(quán)利要求1所述的高精度矯直機自動控制系統(tǒng)進行的控制方法，其特征在于， 包括以下步驟： 步驟1、根據(jù)實際需求通過人機界面設(shè)置被矯材的矯直速度，即實現(xiàn)對直流電機目標轉(zhuǎn) 速的設(shè)定；設(shè)定矯直機活動輥的位移目標值，包括上、下輥之間的間距和反彎量；根據(jù)實際 需求設(shè)定被矯材的保護油壓值，即設(shè)定比例溢流閥的溢流值； 步驟2、根據(jù)實際需求手動調(diào)節(jié)上、下輥的角度，并手動將矯直機的活動輥移動至底端 進行清零，即上、下輥間距離為零，并將用于反彎的下輥移動至底端，將此時上、下輥的接觸 位置作為位移相對零點； 步驟3、啟動矯直機，采用PLC控制器發(fā)送控制信號至比例換向閥，控制比例換向閥的 開口度，進而控制油缸內(nèi)油壓帶動活塞桿運動，實現(xiàn)矯直機上、下輥間距的增加至設(shè)定的位 移目標值，并使用于反彎的下輥位移達到設(shè)定的反彎量； 步驟4、在矯直機上、下輥間放入被矯材； 步驟5、矯直機運行過程中，實時采用磁致式位移傳感器采集活塞桿的位移量，反饋至 PLC控制器中與設(shè)定的位移目標值做差，采用PID控制算法計算位移補償量，通過放大器控 制比例換向閥控制開口度，調(diào)節(jié)油缸內(nèi)油量，進而控制矯直機活動輥的位移穩(wěn)定在設(shè)定位 移目標值； 步驟6、矯直機運行過程中，實時采用增量式光電編碼器采集直流電機轉(zhuǎn)速值，通過直 流控制器發(fā)送至PLC控制器內(nèi)，根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速的實際測量值與直流電機目標轉(zhuǎn)速設(shè)定 的差值，采用PID控制算法計算直流電機轉(zhuǎn)速的補償量，并發(fā)送至直流控制器中實現(xiàn)對直 流電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，使直流電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于目標設(shè)定值； 步驟7、矯直機運行過程中，實時采用油壓傳感器采集油缸內(nèi)油壓值是否超過設(shè)定的被 矯材的保護油壓值，若是，則PLC控制器控制比例溢流閥進行溢流，使油缸內(nèi)油壓值恢復(fù)至 保護油壓值以內(nèi)，否則，返回步驟6繼續(xù)實時采集； 步驟8、當(dāng)完成所有被矯材的矯直后，停止。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制方法，其特征在于，步驟1所述的上、下輥之間的間距為 被矯材的直徑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制方法，其特征在于，步驟5所述的PID控制算法中比例系 數(shù)的確定，采用實時動態(tài)調(diào)節(jié)方法，具體步驟如下： 步驟5-1、實時判斷油缸活塞桿實際位移是否大于設(shè)定的位移目標值，若是，則執(zhí)行步 驟5-2,否則，執(zhí)行步驟5-3; 步驟5-2、根據(jù)油缸內(nèi)實際測量油壓值和比例換向閥的流量壓力增益值，確定控制系統(tǒng) 的增益值，并執(zhí)行步驟5-4; 公式如下： Kx = Kp/sqrt ( Δ Ρ) 其中，Κχ表示控制系統(tǒng)的增益值，Κρ表示比例換向閥的流量壓力增益值，此時Λ Ρ =油 缸內(nèi)實際測量油壓值，sqrt (.)表示開方； 步驟5-3、根據(jù)油缸內(nèi)實際測量油壓值與矯直機油源壓力值的差值和比例換向閥的流 量壓力增益值，確定控制系統(tǒng)的增益值，并執(zhí)行步驟6-4 ; 公式如下： Kx = Kp/sqrt ( Δ Ρ) 此時，Λ Ρ =油缸內(nèi)實際測量油壓值與矯直機油源壓力值的差值； 步驟5-4、判斷控制系統(tǒng)的增益值是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，該范圍為1?1000,若是，則執(zhí) 行步驟5-5,否則，返回執(zhí)行步驟6-1 ; 步驟5-5、將獲得的控制系統(tǒng)的增益值作為PID控制算法中的比例系數(shù)。
【文檔編號】G05B19/05GK104117554SQ201410307230
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】譚葉林, 彭賽, 武靜宇, 祖龍起, 劉陽, 劉可, 崔志昌, 王建民, 王德民 申請人:遼寧銀捷裝備科技股份有限公司