钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置及操作方法
【专利摘要】本发明提供一种钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置，该智能控制装置包括有西门子PLC程序流程、伺服控制部分及机械传动三部分，所述西门子PLC程序流程转换为PLC可执行的控制程序形成的智能控制程序，能够根据不同直径钢坯参数自动执行进锯速度与钢坯直径形成数学模型实现速度变量渐进递减、渐进递增的控制程序，对钢坯切割工作行程建立数学模型进行分析。同时提供一种钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置的操作方法。有益效果是有效减少切割坯料大负载造成的电流冲击变频器报警，保证切割效率不会降低，同时减少对锯片的损耗；该数模控制对锯切速度给定程序进行大范围修改，改进后的进给调速系统可根据不同型号的坯料分别进行优化切割。
【专利说明】
钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置及操作方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置及操作方法。
【背景技术】
[0002] 原有控制系统在钢坯锯的切割过程中工作进给转速为常量保持不变，但钢坯为圆 柱体切割，其切割功率根据位置不同成曲线变化，切割大直径高硬度钢坯对设备及锯片会 造成冲击，工作检测电流波动成锯齿波，变化幅度逐渐增大导致设备报警频繁，钢坯锯锯片 损耗率增加12 %。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种钢坯切割过程的恒转矩智能控 制装置及操作方法，将锯切过程中的电机转矩波动减小，电流波动随之平稳，以利于保护设 备及减少锯片损耗。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种钢坯切割过程的恒转矩智能 控制装置，该智能控制装置包括有西门子PLC程序流程、伺服控制部分及机械传动三部分， 其中：所述西门子PLC程序流程转换为PLC可执行的控制程序形成的智能控制程序，能够根 据不同直径钢坯参数自动执行进锯速度与钢坯直径形成数学模型实现速度变量渐进递减、 渐进递增的控制程序，对钢坯切割工作行程建立数学模型进行分析，首先假设锯切行程等 于钢坯直径设定为S;伺服电机工作转速为N= 25rpm/s;伺服系统编码器采集位置数据为变 量为Si对应钢坯从0-310mm递增变化;将钢坯半径设为r = S/2;为控制积分斜坡的大小设系 数为速度曲线斜率C;以坯料半径为分界线设减速变量为N减，设加速变量为N加，根据上述条 件则工作行程前半行程为递减速度
函数关系曲线；工作行程后半行程采用 递增速度N加=N-函数关系曲线;将N减与N加的计算公式转换为西门子PLC控制流程可识别并 执行的程序，将H咸与N加数据通过通讯电缆传输到伺服控制系统；
[0005] 伺服控制系统分为两个部分组成分别为伺服控制器与伺服电机，伺服控制器为将 低压控制信号转换为动力电能够根据西门子PLC程序流程的控制信号转换为变频信号从而 控制伺服电机转速，机械传动部分的传动方式为伺服电机输出端安装的齿带轮齿数为21 齿，丝杠部分安装的齿带轮齿数为57齿，两者中间通过齿带连接的传动比为21/57 = 0.368， 通过所述传动比得出机械传动部分中进给丝杠的直线速度，伺服电机输出转速为N实，进给 丝杠导程5mm，锯切直线速度为V =导程5mm*伺服电机输出转速N实*0.368传动比，通过所述
与N加=N-实现电气控制与机械传动装置的逐级驱动，形成了PLC程序流 程来控制伺服控制系统驱动机械传动部分，从而操控电动机驱动机械传动部分进行恒转矩 切割操作。
[0006] 同时提供一种根据权利要求1所述钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置的操作方 法。
[0007] 本发明的效果是采用了钢坯锯切智能控制方法，设备运行功率更加平稳，有效减 少切割坯料大负载造成的电流冲击变频器报警，保证切割效率不会降低，同时减少对锯片 的损耗。经三个月实践较优化前系统月均降低锯片修复2.3万元，减少因高负荷大电流冲击 造成的设备下线维修费用总计3.1万元在线测试设备运行稳定，取得良好的效果。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明的钢坯锯外部结构图；
[0009] 图2为本发明的锯切速度变化曲线图；
[0010] 图3为本发明的伺服控制系统端口网络图。
[0011] 图中：
[0012] 1.齿形传动连接轮2.伺服电机3.丝杠4.前限位开关
[0013] 5.电机输出端连接轮6.反馈编码器7.底部支撑板
[0014] 8.锯片传动齿轮箱电机9.伺服控制柜
[0015] a. .310mm直径钢还b.270mm直径钢还c.210直径钢还
[0016] d. .310mm直径钢坯快速返回位置e.270mm直径钢坯快速返回位置
[0017] f. 210mm直径钢坯快速返回位置g. 310mm直径钢坯慢速行程开始位置
[0018] h.. 270mm直径钢坯慢速行程开始位置i . 210mm直径钢坯慢速行程开始位置
[0019] j . 310mm直径钢坯工作进给行程中间位
[0020] k. 270mm直径钢坯工作进给行程中间位
[0021] 1.210mm直径钢坯工作进给行程中间位
[0022] m.速度递减区间n.速度递增区间
[0023] 〇.钢坯切割设定工作行程区间
【具体实施方式】
[0024] 结合附图对本发明的钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置及操作方法加以说明。
[0025] 本发明的钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置及操作方法设计思想是基于钢坯 在切割过程中，根据钢坯直径逐步降低进给电机转速，目的是将锯切过程中的电机转矩波 动减小，电流波动随之平稳，从而保护设备及减少锯片损耗。该数模控制的意义在于因传动 方面模块程序固化而无法达到工艺和机械要求对锯切速度进行调整时，在PLC程序方面搭 建此控制数学模型，进而达到可对锯切速度进行大范围调整的要求，改进后的进给调速系 统可根据不同型号的坯料分别进行优化切割。
[0026] 本发明的钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置，该智能控制装置包括有西门子 PLC程序流程、伺服控制部分及机械传动三部分，所述西门子PLC程序流程转换为PLC可执行 的控制程序形成的智能控制程序，能够根据不同直径钢坯参数自动执行进锯速度与钢坯直 径形成数学模型实现速度变量渐进递减、渐进递增的控制程序，对钢坯切割工作行程建立 数学模型进行分析，首先假设锯切行程等于钢坯直径设定为S;伺服电机工作转速为N = 25rpm/s ;伺服系统编码器采集位置数据为变量为Si对应钢坯从0-310mm递增变化;将钢坯 半径设为r = S/2;为控制积分斜坡的大小设系数为速度曲线斜率C;以坯料半径为分界线设 减速变量为N减，设加速变量为N加，根据上述条件则工作行程前半行程为递减速度
关系曲线;工作行程后半行程采用递增速度N加=N-函数关系曲线;将N减 与N加的计算公式转换为西门子PLC控制流程可识别并执行的程序，将N减与N加数据通过通讯 电缆传输到伺服控制系统。
[0027] 伺服控制系统分为两个部分组成分别为伺服控制器与伺服电机，伺服控制器为将 低压控制信号转换为动力电能够根据西门子PLC程序流程的控制信号转换为变频信号从而 控制伺服电机转速，机械传动部分的传动方式为伺服电机输出端安装的齿带轮齿数为21 齿，丝杠部分安装的齿带轮齿数为57齿，两者中间通过齿带连接的传动比为21/57 = 0.368， 通过所述传动比得出机械传动部分中进给丝杠的直线速度，伺服电机输出转速为N实，进给 丝杠导程5mm，锯切直线速度为V =导程5mm*伺服电机输出转速N实*0.368传动比，通过所述
与N加=N-实现电气控制与机械传动装置的逐级驱动，形成了PLC程序流 程来控制伺服控制系统驱动机械传动部分，从而操控电动机驱动机械传动部分进行恒转矩 切割操作。
[0028] 根据所述钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置的操作方法，该方法用于圆柱体钢 坯切割设备工作进给行程的自动控制，包括如下步骤：
[0029] 1).根据不同直径钢坯在西门子PLC程序流程的控制终端中输入工作行程设定值 后，在伺服控制系统运行过程中采集伺服电机的电流曲线及功率曲线，从而确定钢坯负荷 最大位置为钢坯中心位置，设以310mm直径坯料为切割工作行程〇的水平切割功率与切割面 积成正比，所述坯料最大切割面积位于二分之一直径，推导结果为最大输出功率位置处于 不同直径钢坯设定工作进给行程的二分之一位置，因此确定了 310mm直径钢坯工作进给行 程中间位j。
[0030] 2).利用步骤1)中取得的工作进给行程中间位j，如图2所示将工作行程划分为两 部分：以310_直径钢坯的水平工作行程转速递减区间为钢坯前半径区间m与水平工作行程 转速递增区间为钢坯后半径区间n。
[0031] 3).通过西门子PLC程序流程的控制终端中编码器取得位置变量，利用除法运算将 位置数值转化为速度给定做比例积分运算，运算公式为工作进给速度给定变量DB3. DBD22- 行程位置变量MD420/比例变量=转速下降斜坡速度变量对应的
所编译 的PLC程序流程，最终得到转速下降斜坡区间的速度下降斜坡，将数据导入PLC程序流程 MD1048。
[0032] 4).通过所述编码器取得位置变量，采取减法运算将位置数值转化为速度给定做 比例积分运算公式为伺服电机实际位置变量MD1056-行程位置变量MD420-设定工作进给速 度变量MD1064/比例变量，N加=N-公式所编译的PLC程序流程，最终得到N?咸与N加变量数值均 传入PLC程序流程速度给定模块；
[0033] 5).将传入西门子PLC程序流程速度给定模块的工作行程速度变量通过伺服控制 部分转换成电信号驱动机械部分设备对钢坯进行变速切割如图2所示a直径钢坯的切割速 度变化曲线为以g为锯切起始点开始递减速度锯切到达j点后进行递增速度锯切直到d点完 成锯切工作行程;b直径钢坯的变速曲线以h为锯切起始点开始递减速度锯切到达k点后进 行递增速度锯切直到e点完成锯切工作行程;c直径钢坯的切割速度变化曲线以i为锯切起 始点开始递减速度锯切到达1点后进行递增速度锯切直到f点完成锯切工作行程，达到不同 直径钢锯切坯智能恒定转矩控制。
[0034] 6).为操作方便，在管坯切割锯PLC控制终端中设置伺服电机转速控制，并且根据 所输入转速数据进行百分比调整伺服电机速度百分比显示，PLC控制终端中链接PLC控制程 序中的变量数据，能够实时显示到锯切监控画面中PLC终端监控电流曲线，控制画面通过输 入百分比来控制工作行程的设定速度。
[0035] 以310_直径钢坯为例对本发明的钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置及操作方 法实现过程详细说明。
[0036] 该智能控制装置包括有PLC程序流程、伺服控制部分及机械传动，其中伺服控制系 统分为三个部分组成，如图3所示分别为伺服控制柜9与伺服电机2反馈编码器6,伺服控制 器为将低压控制信号转换为动力电能够根据西门子PLC程序流程的控制信号转换为变频信 号从而控制伺服电机转速，如图1所示机械传动部分分为底部支撑板7锯片传动齿轮箱电机 8的传动方式为伺服电机输出端安装的齿带轮齿数为21齿5,丝杠3安装的齿带轮齿数为57 齿的齿形传动连接轮1，两者中间通过齿带连接，通过所述传动比得出机械传动部分中进给 丝杠的直线速度为保护电机加装前限位开关4。
[0037] 1).根据不同直径钢坯在西门子PLC程序流程的控制终端中输入工作行程设定值 后，在伺服控制系统运行过程中采集伺服电机的电流曲线及功率曲线，从而确定钢坯负荷 最大位置为钢坯中心位置，如图2所示设以310mm直径坯料为切割工作行程〇水平切割功率 与切割面积成正比，圆形坯料最大切割面积位于二分之一直径，推导结果为最大输出功率 位置处于不同直径钢坯设定工作进给行程的二分之一位置，因此确定了 310mm直径钢坯工 作进给行程中间位j。
[0038] 2).利用步骤1)中取得的工作进给行程中间位，将工作行程划分为两部分：以 310mm直径钢坯为例水平工作行程转速递减区间为钢坯前半径区间m与水平工作行程转速 递增区间为钢坯后半径区间n。
[0039] 3).通过编码器取得位置变量，利用除法运算将位置数值转化为速度给定做比例 积分运算，运算公式为工作进给速度给定变量DB3. DBD22-行程位置变量MD420/比例变量= 转速下降斜坡速度变量对应的
所编译的PLC程序流程，最终得到转速下 降斜坡区间的速度下降斜坡，将数据导入PLC程序流程MD1048。
[0040] 4).通过编码器取得位置变量，采取减法运算将位置数值转化为速度给定做比例 积分运算公式为伺服电机实际位置变量MD1056-行程位置变量MD420-设定工作进给速度变 量MD1064/比例变量，N加=N-公式所编译的PLC程序流程，最终得到N减与N加变量数值均传入 PLC程序流程速度给定模块。
[0041 ] 5).将传入PLC程序流程速度给定模块的工作行程速度变量通过伺服控制部分转 换成电信号驱动机械部分设备对钢坯进行变速切割如图2所示a直径钢坯的切割速度变化 曲线为以g为锯切起始点开始递减速度锯切到达j点后进行递增速度锯切直到d点完成锯切 工作行程，达到不同直径钢锯切坯智能恒定转矩控制。
[0042] 6).为以上改进PLC数据端口操作方便，在管坯切割锯PLC控制终端中增加了伺服 电机转速控制，并且根据所输入转速数据进行百分比调整伺服电机速度百分比显示，PLC控 制终端中链接PLC控制程序中的变量数据，可以实时显示到锯切监控画面中PLC终端监控电 流曲线，改进后的控制画面可通过输入百分比来控制工作行程的设定速度。
【主权项】
1. 一种钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置，该智能控制装置包括有西门子PLC程序 流程、伺服控制部分及机械传动三部分，其特征是:所述西门子PLC程序流程转换为PLC可执 行的控制程序形成的智能控制程序，能够根据不同直径钢坯参数自动执行进锯速度与钢坯 直径形成数学模型实现速度变量渐进递减、渐进递增的控制程序，对钢坯切割工作行程建 立数学模型进行分析，首先假设锯切行程等于钢坯直径设定为S;伺服电机工作转速为N = 25rpm/s ;伺服系统编码器采集位置数据为变量为Si对应钢坯从0-310mm递增变化;将钢坯 半径设为r = S/2;为控制积分斜坡的大小设系数为速度曲线斜率C;以坯料半径为分界线设 减速变量为N减，设加速变量为N加，根据上述条件则工作行程前半行程为递减速度函数关系曲线;工作行程后半行程采用递增速度N加=N-函数关系曲线;将N减 与N加的计算公式转换为西门子PLC控制流程可识别并执行的程序，将N减与N加数据通过通讯 电缆传输到伺服控制系统； 伺服控制系统分为两个部分组成分别为伺服控制器与伺服电机，伺服控制器为将低压 控制信号转换为动力电能够根据西门子PLC程序流程的控制信号转换为变频信号从而控制 伺服电机转速，机械传动部分的传动方式为伺服电机输出端安装的齿带轮齿数为21齿，丝 杠部分安装的齿带轮齿数为57齿，两者中间通过齿带连接的传动比为21/57 = 0.368,通过 所述传动比得出机械传动部分中进给丝杠的直线速度，伺服电机输出转速为N实，进给丝杠 导程5mm，锯切直线速度为V =导程5mm*伺服电机输出转速N实*0.368传动比，通过所述公式与N加=N-实现电气控制与机械传动装置的逐级驱动，形成了PLC程序流 程来控制伺服控制系统驱动机械传动部分，从而操控电动机驱动机械传动部分进行恒转矩 切割操作。2. -种根据权利要求1所述钢坯切割过程的恒转矩智能控制装置的操作方法，该方法 用于圆柱体钢坯切割设备工作进给行程的自动控制，包括如下步骤： 1) .根据不同直径钢坯在西门子PLC程序流程的控制终端中输入工作行程设定值后，在 伺服控制系统运行过程中采集伺服电机的电流曲线及功率曲线，从而确定钢坯负荷最大位 置为钢坯中心位置，设以310mm直径坯料为切割工作行程(〇)的水平切割功率与切割面积成 正比，所述坯料最大切割面积位于二分之一直径，推导结果为最大输出功率位置处于不同 直径钢坯设定工作进给行程的二分之一位置，因此确定了工作进给行程中间位(j); 2) .利用步骤1)中取得的工作进给行程中间位(j)，将工作行程划分为两部分：以310mm 直径钢坯的水平工作行程转速递减区间为钢坯前半径区间(m)与水平工作行程转速递增区 间为钢坯后半径区间(n); 3) .通过西门子PLC程序流程的控制终端中反馈编码器取得位置变量，利用除法运算将 位置数值转化为速度给定做比例积分运算，运算公式为工作进给速度给定变量DB3. DBD22- 行程位置变量MD420/比例变量=转速下降斜坡速度变量对应的公式所编译 的PLC程序流程，最终得到转速下降斜坡区间的速度下降斜坡，将数据导入PLC程序流程 MD1048； 4) .通过所述反馈编码器取得位置变量，采取减法运算将位置数值转化为速度给定做 比例积分运算公式为伺服电机实际位置变量MD1056-行程位置变量MD420-设定工作进给速 度变量MD1064/比例变量，N加=N-公式所编译的PLC程序流程，最终得到N?咸与N加变量数值均 传入PLC程序流程速度给定模块； 5) .将传入西门子PLC程序流程速度给定模块的工作行程速度变量通过伺服控制部分 转换成电信号驱动机械部分设备对钢坯进行变速切割，达到不同直径钢锯切坯智能恒定转 矩控制； 6) .为操作方便，在管坯切割锯PLC控制终端中设置伺服电机转速控制，并且根据所输 入转速数据进行百分比调整伺服电机速度百分比显示，PLC控制终端中链接PLC控制程序中 的变量数据，能够实时显示到锯切监控画面中PLC终端监控电流曲线，控制画面通过输入百 分比来控制工作行程的设定速度。
【文档编号】G05B19/414GK106054818SQ201610488030
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】王华伟, 王传铭, 吴联合
【申请人】天津钢管集团股份有限公司