纵剪生产线速度匹配控制设计.docx

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纵剪生产线速度匹配控制设计

毕业设计（论文）

题目：

纵剪生产线速度匹配控制设计

学院：

电子信息学院  

专业班级：

电气工程及其自动化

指导教师：

职称：

教授 

学生姓名：

学号：

摘要

近年来，随着我国制造业的发展，金属板材的用量日益增长，对板材的规格种类要求也越来越多。

目前，纵剪线生产技术已日趋成熟，对纵剪线的控制系统也要求更加精确和简便，加工板材的速度越来越高。

于是，纵剪线各主机之间的运行速度是否匹配成了生产能否顺利进行的重要因素。

本设计内容主要包括系统总体概况，系统硬件设计，系统软件设计。

对纵剪线控制系统结构组成和各主机线速度的测量，线速度的计算以及控制方案进行了详细介绍。

应用基于西门子S7-200PLC的速度匹配控制系统，使纵剪线在生产过程中开卷机、纵剪机、收卷机三机联动，剪切速度可以自动匹配。

从而减轻了操作人员的工作强度和方便操作，提高了纵剪线的生产效率、控制性能。

关键词：

纵剪线,PLC，速度匹配,编码器

ABSTRACT

Inrecentyears,withthedevelopmentofourcountrymanufacturingindustry,thesheetmetalconsumptiongrowing,theplatespecificationsforthetypeofrequestalsomoreandmore.Atpresent,theslittinglineproductiontechnologyhasmatured,anditscontrolsystemalsorequiresmoreaccurateandsimple,itsspeedofsheetmetalprocessingismoreandmorefaster.Then,iftherunningspeedbetweenhostsismatchedtotheproductionwereanimportantfactors.Thisdesigncontentmainlyincludesthesystemgeneralsituation,systemhardwaredesign,systemsoftwaredesign.Onthelongitudinalshearcontrolsystemstructureandthemainlinespeedmeasurement,itslinespeedcalculationandcontrolschemeareintroducedindetail.ApplicationofSiemensS7-200PLCspeedmatchingcontrolsystem,sothatthelongitudinalshearlineinproductionprocessuncoilingmachine,slittingmachine,rollingmachinethreemachinelinkage,shearspeedcanautomaticallymatch.Inordertoreducetheworkintensityofoperatorsandconvenientoperation,improvestheslittinglineproductionefficiency,controlperformance.

KEYWORDS:

slittingline,PLC,speedmatching,encoder

第1章绪论

1.1纵剪生产线简介

纵剪线是将金属卷材开卷、分条、收卷，加工成需要宽度的卷料的生产线。

主要应用于汽车、电工、电力（硅钢片）及家电等诸多行业。

纵剪线主要由以下设备组成：

开卷机、纵剪机、边料切碎机、压紧装置、收卷机等。

开卷机用于纵剪线上料和放料。

通过手轮旋转螺杆副，带动主轴上的滑套，滑套又通过连杆带动卷筒做胀开或收缩运动。

也可采用液压传动完成上述动作。

来料一般是内径为5510mm左右的卷料，将卷料套在处于收缩状态下的卷筒上，然后转动手轮，卷料被撑紧，完成上料动作。

放料动作由开卷机的直流电机驱动，其线速度应与纵剪机保持同步。

开卷机机体为焊接箱形结构，变频调速电机通过齿轮箱减速后驱动卷筒轴为开卷机提供主动力。

开卷机的卷筒是一根空心轴，通过两个轴承支撑齿轮箱体上，轴承之间安装有传动直齿轮。

该齿轮箱是采用强制润滑的方式进行润滑的，并为闭环的油润滑系统配有两台恒速电机。

芯轴为一悬臂结构，在开卷时其前端由外支撑轴承进行支撑，以保持开卷机的刚度和稳定性。

随着我国工业技术的蓬勃发展，对金属板料的剪切生产有了越来越高的要求，生产过程控制系统的高度自动化要求、产品的质量精度要求都越来越高。

各种先进技术以综合应用方式谋求生产过程实现智能化、高自动化、高效能化，这也反映了生产的高科技水平和发展方向。

随着社会生产力的发展，工业技术的进步，生产制造业的发展呈现出三种明显的趋势。

首先，自动化水平越来越高。

生产设备从手工到机械，直到自动化。

生产率大大提高，生产节奏加快。

其次，柔性化水平也越来越高。

随着市场竞争的需要，多品种、小批量产品生产日益增多。

.在欧美和日本的制造业中，中小批量生产的产品在数量上约占85%。

再次，生产规模不断扩大，专业分工越来越细。

而目前我国的大部分自动剪切生产线虽然实现了自动化，但仍有部分生产线工艺落后，经常发生一些故障，灵活性差，不利于产品多样化的需求，生产效率和精度不高，且维修困难、设备老化，已经严重影响了经济效益和生产效益，而国外的剪切控制系统价格昂贵，为了在激烈的市场竞争中占据有利地位获得较好的竞争力和经济效益，研制出具有更高自动化程度的剪切生产线对于提高我国自动化水平，改变生产的落后局面具有重要的那实章义，同时提高金属冷轧卷材剪切的精度和效率，也可以提高生产能力，扩大生产规模，降低工人劳动强度，提高产品质量，适应产品在国内外市场竞争的需要。

本课题的目的就在于设计一套具有较高自动化水平的纵剪自动生产线速度匹配控制系统，使其能够更好的满足板料加工的需求，提高生产效率，降低成本，增强企业的国际竞争力。

1.1.1纵剪线的分类

我国生产的纵剪线从剪切工艺方面可分为两大类：

一类是送剪工艺的纵剪线；另一类是拉剪工艺的纵剪线。

剪切工艺及其效果送剪工艺是我国20世纪60年代以来一直使用的落后工艺，这种方法很难保证剪切质量。

送剪工艺就是指在送料辊的作用下前进，然后送入圆盘剪刀，剪刀和送料辊线速度应保持一致。

这种工艺方法很可能会使钢片在送料辊和剪刀之间弓起，此类现象严重时，钢片甚至会随着刀的旋转方向卷起。

这样，导致钢片的剪切毛刺和单边不直度超差。

拉剪工艺，钢片在拉料辊的作用下前进，圆盘剪刀被动剪切。

由于拉料辊线速度稍大于纵剪刀，因此硅钢片在拉料辊和圆盘刀之间始终保持平直，处于拉剪状态，保证剪切质量。

纵剪线加工出的产品品质主要取决于纵剪机、开卷机和收卷机。

纵剪线电气控制的关键是速度的匹配：

纵剪机与开卷机的速度匹配和纵剪机与收卷机的速度匹配。

随着相关行业的快速发展，对纵剪线生产的产品的品质要求也越来越高。

如何使纵剪线加工出高质量的成品，是每个拥有该设备的厂家都非常关心的问题。

1.2国内外研究现状

纵剪生产线是对金属卷料进行开卷、定尺、纵剪的组合加工设备，广泛应用于家电、汽车、集装箱、食品包装、石油化工、造、装饰材料等金属板材加工行业。

特别是近年来，汽车、家电等行业的飞速发展，需要大量的薄板材料，而这些材料大都是卷材，于是就对纵剪线产生了很大的需求。

早期的开卷剪切设备多用单台的普通剪板机，劳动强度大、定位误差大，会带来材料的浪费。

开卷自动剪切生产线的主要优点是具有高的生产效率、高的材料利用率、高的自动化程度以及好的产品质量等。

在产品的生产中，实现生产自动化对于提高生产率和保证操作安全具有重要意

国产纵剪线的性能指标已接近80年代初的国际先进水平。

国外纵剪线简介国外纵剪线一般均采用拉剪工艺，且剪切速度可达120m／min。

日本的钢片精整设备—一纵剪线，为了收卷整齐，还采用光电调偏系统，收卷机随片边的变化而移动，这个系统收卷精度较高，但却大大地提高了生产线的造价。

1.3纵剪生产线未来的发展情况

纵剪生产线是大家都熟悉的一种产品，但我们更关注的是如何掌握这熟悉的产品的未来，因为谁掌握了趋势谁才能赢得市场，所以现在很多企业都是需要预测未来，当然准不准得两说来的，但是这种判断还是需要做的，那么今天我们就来跟大家聊聊纵剪生产线未来的一些时间内会有着怎么样的发展呢，有哪些机遇又是我们可以抓住的呢，我相信这些问题大家都是相当关心的吧，先来看看卷板厚度0.3-3mm,卷板宽度1850mm,纵切宽度30mm。

卷材表面无损伤纵剪彩分条机的板材加工费更高,也更易使投资收回.现在有压板式.皮带张紧式和辊式张力几种.什么都是几种演变而来.压板式最大的上风是造价低,做高速出产线张力时易把板材弄伤,还有可能使毛毡高温自燃;皮带张紧式高速时是不用的,由于那样皮带损耗大,使用本钱很高,要求材料表面无损伤的才舍得用,而且皮带张紧机的制造本钱也很高.现在超过300M/MIN的机型都是辊式张力和板式辊式张力混合型的了,为什么要这样呢?

由于辊式张力可减少板材表面的摩擦,而又可得到张力.那么他不受速度的限制,是将来纵剪分条机研发的主要方向.可用于多条收卷的辊式张力站技术是克服这方面的好技术.由于它可减少板材表面的摩擦,而又可得到张力.那么他不受速度的限制.现在多条收卷的辊式张力站是最新的技术,没人做成功.现在台湾机都有产不出,只有德国产辊式张力的分条机.国产要先人一步,必需在辊式张力站下大工夫才能达到世界先进水平.结合现在的情况,卷材表面无损伤和高速纵剪出产线将是未来的主要发展方向.该系列纵剪线用于将金属卷板经由开卷、纵剪、收卷成所需宽度的带卷。

想要高速，张力是很重要的一环，现在的分条主机进步到800m/min都行，但是张力产生装置要匹配才行。

收开卷最大直径：

1500mm。

现在的工厂地租本钱越来越高，如今珠三角的一些地方建成的厂房月房钱可达10-16元/M2，而且有年年加租的趋势。

纵剪机合用范围：

冷轧钢卷、不锈钢、彩涂卷、马口铁纵切出产线。

分切厚度:

0.3-1.5mm。

以1350薄板型全自动纵剪分条线为例。

剪切速度:

5-100m/min，正常工作：

30-80m/min.质量要求：

无刀痕、无裙带边，带材表面无划痕。

二节能零件和尺度化。

分切精度:

±0.1MM。

纵剪生产线主要由上料小车、开卷机、牵引校平机、剪床、纵剪机、废边收卷机、张力机构、收卷机、卸料装置等组成。

只有那样才更易制造和维修，产品尺度化就利于进步出产效率，售后服务利便，一些大厂的配件不通用，市场买不到，维修是好难的，未来必需要用通用件的。

有上料小车、开卷机、夹送机、圆盘剪切装置、活套装置、张力发生装置、收卷装置、收料小车、废边卷取装置、液压控制装置、电气控制装置等。

每年因厂租和人工可省下的开支如下。

生产线占地面积大约25X8米；现在技术低的线速在120m，现在一些薄板线搞到250m，德国人搞到700m了。

该设备主要用于宽度不大于800mm、厚度不大于1.5mm的铝带/钢带的分切。

带材规格，抗拉强度：

δb≤245Mpa。

因为现在要求节能减排和厂房本钱越来越高，一些旧的和技术比较落后的纵剪分条线将淘汰，越来越多的加工商和加工厂都会选用有以下几个特的纵剪分条线。

纵剪宽度用户可按照需要来自行安排。

延伸率：

30％。

纵剪分条生产线是金属卷板加工领域的重要加工机械，现在的钢.铝.铜等加工厂广泛使用，市场远景相称好。

纵剪机主要技术参数：

分切最大宽度:

800mm。

剪切侧弯:

不大于0.5mm/m。

自动化和高速机型。

分切最小宽度:

30mm。

三卷材表面无损伤的高新技术的应用。

还可选择EPC自动边沿控制，保证收卷整洁度，尤其合用于宽料收卷。

速度越高，这些本钱越低，那为什么那么多人选择120米线速的多呢？

由于现在做低速机本钱更低，报价更便宜，一般220米的相称于120米线速的一倍价格，而且还没有多少间工厂做得到，420米的只有世界上那些大厂的才能做到，现在形成了台湾厂是海内厂的两倍价格，速度高，德国日本等大厂的是海内厂的4-10倍。

材料厚度：

0.1mm-0.5mm纵剪机特点：

纵剪机主要用于带材的无张力剪切，具有剪切精确、边部毛刺少等特点。

对于要求很高的用户，可选择自动对边或对中开料，既利便上料，进步工作效率，同时进步剪切精度、保护板料。

该设备工艺先进，结构公道，操纵简朴，维修利便、机能可靠。

第2章纵剪自动生产线结构简介

2.1系统结构组成和工作原理

纵剪生产线用于将屈服点在30MPa以下,宽度为120-1550mm,厚度为2-8mm的碳素钢以及低合金钢的带卷展开,按规定的宽度纵向连续剪切并将钢带绕成卷。

钢带纵剪生产线主要由上料小车、单臂开卷、辅助支撑、纠偏、纵剪机、张紧机、收卷机等组成,纵剪线主要由上料小车、开卷机、纵剪机、收卷机、出料小车等组成。

其中在开卷机和纵剪机中间以及纵剪机和收卷机中间各有一个储料池作为板材的缓存区，还可防止前后电机不同步时拉伤板料。

开卷机、纵剪机、收卷机均采用异步电机驱动，各电机尾部都带有模拟测速机检测速度。

为了更精确的控制线速度的匹配，自动运行时，我们采用编码器测速。

图2-1纵剪生产线

PLC完成开卷机和纵剪机同步传送，钢板位置检测采样，冲头控制，传送带运转控制，小车位置检测，小车装载钢板量检测等工作。

系统的基本工作原理是这样的：

用触摸屏设定剪切尺寸参数，钢带头对好冲头，光电编码器处于零位，然后启动自动控制按键，如果检测到装料小车到位，系统进入自动控制状态，将钢板剪切，传送到装料小车上。

钢板经历加速，匀速，降速和爬行四个阶段后停车。

如果钢板尺寸和设定一致，则启动冲压系统进行剪切，如果超出或者不够，则电机反转或正转补充直到与设定值一致再剪切，接着剪切下一块钢板，不断循环。

料池起着缓冲的作用，光电开关检测料池前是否有钢带，若没有系统停车；限位光电检测开关，检测料池钢板量是否合适，若过少加快矫正机速度一段时间，或过多减慢矫正机速度一段时间；若检测到小车没有到位，系统停车；若检测到小车钢板已经满载，系统自动停车并发出指示信息，等待小车把钢板运到下一道工序回来，系统继续开车。

2.2纵剪线生产作业方式

（1）通板作业将钢卷通过运卷小车送入开卷机,钢卷的高度方向与宽度方向皆对中,实现夹送、矫直钢带以消除原带的弯曲不平等缺陷，进入纵剪机,按设定的宽度,利用圆盘剪对钢带实现纵向剪切。

纵剪后的钢带经过料池缓冲,最后送往卷取机,开始卷绕两周,以便卷筒能夹紧钢带,至此,通板作业完成。

（2）自动运行通板作业完成后,可转入自动运行,连续纵向剪切,同时卷取机将剪切的钢带卷绕,直到整卷钢带全部剪切完,最后由卸卷小车卸料。

钢带两侧的废边带由纵剪机后两侧的废边机分别自动卷绕。

如上所述,通板作业是将未加工的钢带按上述工艺流程从开卷机一直通板到收卷机，通板作业由操作人员手工操作完成。

通板运行方式应实现单机或多机正、反向联动运行。

多机联动运行时,通板的线速度应保持一致。

自动运行方式,实现全线联合自动运行,这时,不仅要求全线的线速度一致,而且收卷机在卷绕钢带的过程中应保持线速度恒定张力恒定,以便保证卷带紧而且平整。

自动运行时,只有开卷机、纵剪机和卷取机三台直流电动机投入运行。

在加工中，由于刀具磨损，纵剪机圆盘刀具直径减小，纵剪机线速度会下降，因此需适当进行补偿。

通过人工测定圆盘刀具直径的减小量，在速度给定菜单中设置相应的补偿值，采用数字量设定，补偿的精确度高，而且调整、修正很方便。

2.3系统控制要求

本设计的钢板纵剪线控制系统要达到以下控制要求：

（1）控制系统分手动档自动档。

手动档时，用点动的方式，人工完成钢板穿带，零位校准。

自动档时，系统自动完成薄钢板的速度匹配和剪切工作。

（2）通过触摸屏设置薄钢板剪切尺寸参数和纵剪速度，可根据不同需求改变其参数。

（3）有配套的故障分析判断和电气保护装置，若运行不正常，系统自动停车并发出警告信号。

（4）钢板剪切的精度要在一定范围之内，剪切尺寸2m，误差不超过1mm。

第3章纵剪生产线的电气控制

3.1纵剪线各主机的速度测量

3.1.1开卷机速度测量

由于本线加工板料的特殊性，没有校平装置。

而开卷臂上料卷的卷径是不断变化的，故在开卷机上检测其线速度比较困难。

由于在储料池靠近开卷机的一侧增设了两个小的胶辊，它除了过度板料外，因胶辊上板料的线速度和开卷机是一样的，这样在其中一个胶辊的一端连接一个编码器，就可以很方便的测出开卷机的放料线速度。

这样测速的条件是保证运行时板料和连接编码器的胶辊接触良好。

为防止运行时料池中的板料高于该胶辊，我们在料池一侧还设了两个检测开关，用来检测板料在料池中的高度。

当料位高于上限位时，上限开关发讯，开卷机自动加速直到料位低于上限位，同样当料位低于下限位时，下限开关发讯，开卷机自动减速直到料位高于下限位。

这样板料就始终运行在两个检测开关之间，从而保证了开卷机线速度检测精度良好，也防止了生产时由于开卷机运行过快料池底部堆料

3.1.2纵剪机速度测量

相对于开卷机，纵剪速度册来那个就简单多了，因为板料是线性穿过上下纵剪辊，所以只要在上下辊的一个棍子末端连接一个编码器就可以。

在本线中，纵剪的结构是电机连接下辊，中间经过齿轮箱同步打动上辊旋转，故编码器只能连接上辊。

3.1.3收卷机速度测量

和开卷机正好相反，开卷机的卷径是越来越小，收卷的卷径是越来越大，这节测量线速度有些困难。

为此在张紧机和收卷机之间加了一个滚筒，一来可以增加收卷的包角，二来由于滚筒的上沿略高于张紧的板料，故滚筒的速度始终和收卷机是同步的，这样在滚筒的一端加一个编码器，就可以vechu收卷机的线速度。

这样测速的要求是：

第一，滚筒的水平速度要好，即滚筒必须是圆的，否则高速运行时，即使圆度很小的误差也会很明显影响速度；第二，滚筒和收卷机的平行度要好，角度要合适，否则会影响收卷的质量；第三，滚筒本身的质量要好，以免时间长磨损严重，影响精度。

3.2线速度计算

编码器测量单位是脉冲，需要计算将其装换位线速度单位m/min,再次以开卷胶辊为例，介绍一下计算过程。

已知胶辊直径50mm，编码器脉冲1000p/R,编码器采样周期100ms。

由于是直接连接，编码器旋转一圈，发出1000个脉冲，对应的长度是滚筒周长3.14*50=157mm，把100ms内编码器发出的脉冲数给D0，用D40贮存计算的线速度，那么D40=D0*157*60/100000。

纵剪机和测速滚筒的测速计算方法是一样的。

编码器都是1000P/R,采样周期都采用100ms，这里分别用D3和D6存贮其脉冲数，用D52和D70存贮其计算的线速度。

说明一下，采样周期的大小根据生产线的要求来定。

一般来说，周期越小，精度会越高。

3.3各主机速度匹配

三台主机的线速度有了，就可以通过PLC集中控制，进行速度的比较匹配，其中，纵剪机为主速度，开卷和收卷以它为标准自动进行增减。

纵剪机的速度是通过操作台手动给定的。

为了防止测量和机械加工的误差一起的速度不匹配，如结构图中所示，我们在纵剪机和收卷机之间的料池中也加了两个检测开关检测料位的高度，料位超过上限，收卷机减速，料位低于下限，收卷加速，这样使板料始终运行在两个开关之间。

有一点应该注意，就是开关调速时，编码器之间的速度比较是无效的，举例来说，料池1中料位高于上限，要求开卷机加速，这时如编码器比较要求开卷减速，就不能达到控制效果。

另外，在主操作台上，对开卷机和收卷机还设有微调旋钮，生产中可人工干预其速度。

这样，整线运行时，就保证了生产的顺利进行。

下面给出运行时速度比较的流程图，以便大家更清楚的了解控制过程。

这里。

用A代表开卷速度，B代表纵剪线速度，C代表收卷线速度。

如图3-2所示。

图3-1各主机间的速度匹配

第4章纵剪线硬件系统的设计

4.1纵剪线控制系统要求

本文主要研究纵剪线速度匹配控制系统，主要以钢带纵剪生产线为例进行分析设计:

（l）生产线的总体分析。

介绍生产线的总体结构，对生产线中的开卷、纵剪机、收卷机的速度匹配调速。

（2）控制系统的设计。

介绍了控制系统的组成和要求。

设计了各主机间的速度检测系统。

采用变频器调速原理，设置变频器的主要参数，控制电机的转动。

（3）控制系统的硬件设计和软件设计。

根据控制方案并结合PLC和触摸屏的特点，进行PLC和触摸屏的选型，按照控制要求设计PLC和触摸屏的程序，对PLC控制变频器的程序编程，进行了PLC与触摸屏的通信设置。

图4-1纵剪线调速控制模块

4.2光电编码器

4.2.1光电编码器原理

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

脉冲序列能正确地反映转速的高低，但不能鉴别转向。

为了获得转速的方向，可增加一对发光与接收装置使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4，两组脉冲序列A和B的相位相差90度，如图4.2所示。

正转时A相超前B相；反转时B相超前A相。

（a）正转（b）反转

图4.2区分旋转方向的A、B两组脉冲序列

4.2.2脉冲信号处理

为了消除振动等因素导致的脉冲计数误差和提高长度最小分辨力，加强系统抗干扰能力，对旋转编码器输出的二相脉冲信号送入图4.3所示的倍频和转向处理电路。

旋转编码器输出的二相90°相位差的矩形波脉冲经该电路处理后，计数脉冲P的频率为A相或B相的2倍；D为转向判别信号；顺时针旋转时为高电平，静止时为低电平；逆时针旋转时为低电平，静止时为高电平。

脉冲信号经处理后，长度最小分辨力提高了1倍。

利用转向判别信号D和倍频后的计数脉冲P计量测长，只对相应旋转电平出现时的脉冲计数，可消除振动等原因产生的脉冲计数误差。

图4.3脉冲信号处理电路

4.2.3光电编码器选择和安装

选择合适的光电编码器，对提高系统整体性能到头重要。

本设计选择欧姆龙的编码器产品，型号E6B2-CWZ6C2000P/R（中空型，电源电压DC5~24V，消费电力80mA以下，输出形式NPN开路输出，最高响应频率100KHZ，相位差A相、B相差90度），A相、B相信号经过脉冲处理电路后，编码器每旋转一周可得到4000个脉冲。

中空型光电编码器的机械安装主要注意以下问题：

要避免与编码器刚性连接，应采用板弹簧；安装时编码器应轻轻推入被套轴，严禁用锤敲击，以免损坏轴系和码盘；长期使用时，请检查板弹簧相对编码器是否松动；固定编码器的螺钉是否松动。

编码器在电气连接方面注意以下事项：

接地线应尽量粗，一般应大于φ3；编码器的输出线彼此不要搭接，以免损坏输出电路；编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电流上，以免损坏输出电路；与编码器相连的电机等设备，应接地良好，不要有静电；配线时应采用屏蔽电缆；避免在强电磁波环境中使用。

为了方便，不用外置电源，用PLC内部电源给各种传感器和光电开关提供电源。

后来考虑到PLC的电源的稳定性，光电编码器的电源接外接直流电源5V，其它光电开关和传感器也一样单独接电源。

4.3触摸屏

4.2.1触摸屏的选择

触摸屏