1、变频器在钢板定尺剪切机床中的应用本文叙述的“钢板定尺剪切机床”是一种简称，实际上是由四个分部组成的组合机床，全称为“(金属卷板)开卷、校平、纵横剪切、落料生产线”(参见图 1)。作者采用三菱变频器、三菱 PLC、三菱触摸屏和欧姆龙旋转编码器等器件，组成生产线的自动控制系统，在兼顾横剪精度和生产效率的前提下，利用 PLC 的高速计数功能和变频器的多段速控制功能，有效地控制校平辊和压辊的启动、运行、降速、爬行和准确停车，从而实现了金属板材的高效自动定尺剪切。整个自控系统的造价仅为交流伺服系统造价的 1/61/5，不失为一种高性价比的定位控制系统。钢板定尺剪切机床自控系统的配置钢板定尺剪切机床自动控
2、制系统配置如图 1 所示，设备清单如下。图 1 钢板定尺剪切机床自动控制系统配置(1) 校平机变频器：三菱 FR-A540-30K-CH(多功能矢量控制型)；(2) 校平机变频器配套制动单元和制动电阻：加能电子 ICP-DR-1s 制动单元、23/3kW 制动电阻；(3) 输送机变频器：三菱 FR-E540-2.2K-CH(简易矢量控制型)；(4) PLC：三菱 FX2N-32MR-001(输入 16 点、输出 16 点)；(5) 触摸屏：三菱 F930GOT-BWD-C(4.4 英寸、STN 蓝白屏)；(6) 旋转编码器：欧姆龙 E6H-CWZ6C(中空轴型、分辨率：2500p/r、集电极开
3、路输出、24VDC)。钢板定尺剪切机床自控系统关键器件的选型及安装1 校平机变频器及配套器件的选型校平机电气拖动的作用主要是驱动校平轧辊运动，其阻力矩等于轧辊和钢板之间的摩擦力和轧辊半径的乘积。在这里，轧辊的半径是恒定不变的，摩擦力的大小也与转速无关，这是典型的恒转矩负载机械特性，因而选用三菱 FR-A540-30K 变频器。三菱 A540 型变频器除了具有先进的磁通矢量控制特性外，还具有多段速控制功能、“柔性脉宽调制”功能和调速范围宽等优良特性。因三菱原装的制动单元和制动电阻价格较贵，故外配深圳加能电子公司采用加拿大技术生产的器件，其电阻能耗制动单元具有短路保护、全电压自动跟踪、全程噪声过滤
4、、使用普通电阻等功能和特点。2 PLC 和旋转编码器的选型三菱 FX2N 型 PLC 是 FX 系列小型 PLC 中运算速度最快的机型：每条基本指令运算速度为 0.08s,每条应用指令运算速度为 1.52 至几百 s。作者为另一台剪切机床配置自控系统时曾采用过 FX1N 型 PLC，其每条基本指令的运算速度为为 0.550.7s,每条应用指令运算速度为 3.7 至几百 s。与 FX1N 型 PLC 相比，FX2N 型 PLC 运算速度快，指令丰富，其控制的机床剪切精度也较高。因此，这类有快速响应要求的系统应尽可能地采用运算速度较快的 PLC。FX2N 型 PLC 内置多个高速计数器。根据系统具
5、体情况，选用频率 30kHz 的 A-B 相型双计数输入的 C251 计数器。C251 计数器不仅提供计数信号，还提供计数的方向：利用旋转轴上安装的 A/B 相型编码器，在机械正转时自动进行加计数，反转时自动进行减计数。编码器的旋转方向也有正反符号：若将 PLC 的 X0、X1 与编码器的 A 相、B 相相连，面对轴心顺时钟旋转计数为正，逆时钟旋转计数为负。这个系统在安装编码器时正好使计数值为负，于是将 PLC 的 X0、X1 输入点改为与编码器的 B 相、A 相接线端相连，钢板前进时计数数值为正值。其次，PLC 的高速计数器的运行建立在中断的基础上，这意味着事件的触发与扫描周期无关，大大地提
6、高了系统响应速度当计数当前值与预置数值相等时，PLC 的输出点能快速地控制变频器的定位运行。旋转编码器型号采用欧姆龙 E6H 增量式中空轴型。它不需要弹性耦合器的连动轴，可直接用螺杆螺母与下压辊轴心硬连接，编码器机身则用支架固定在下压辊的轴承座上。E6H-CWZ6C 型号中分辨率最高等级为 3600p/r，价格也最贵。考虑技术经济等多方面因素，采用分辨率为 2500p/r 的规格。也曾试用过同型号的 2000p/r 编码器，因分辨率差一个等级，整机性能也受到影响。钢板定尺剪切机床控制的特点及 PLC 编程1 钢板定尺剪切机床控制的特点和对策 与交流伺服系统不同，变频器和三相异步电机不可能在高速
7、运行状态下迅速停车，必须有一个降速和低速爬行的过程，才能保证定位点的准确(参见图 2)。图 2 变频器定位运行降速控制规律另外，钢板剪切的长度与毛巾平网印花机的花色间距不同，它不是定值，而是从几十毫米到数千毫米不等，因此不可能采用同样的运行速度和同样的降速爬行距离。否则，变频器的定位停车会处于一种无序状态，剪切精度和生产效率也不能得到平衡和兼顾。针对机床的上述特点，我们采用如下对策：将钢板校平运行速度分为 6 档，将钢板定尺长度与速度对应，再根据校平速度摸索出降速爬行距离经验数据。所有钢板的爬行速度固定为 0.4m/min(参见附表)。为了防止误操作可能带来剪切次品和废品，在 PLC 中编写相
8、应程序：在机器启动前，必须根据加工对象并按照附表数据在触摸屏上进行速度设定，否则将无法开机(参见图 3)。触摸屏上速度启动键采用 PLC 中的“一般用辅助继电器”(M0M499)。画面中的虚线框是指示灯，当选中了下方某一速度时，其虚线框内变成蓝色。图 3 校平机速度选定的触摸屏画面附表中的经验数据储存在 PLC 的“停电保持数据寄存器”(D200D511)中，并且可以在触摸屏上随时修改原数据和保存新数据，停电后数据也不会丢失(参见图 4、图 5)。附表 钢板运行数据表图 4 爬行距离设定的触摸屏画面 1图 5 爬行距离设定的触摸屏画面 2因为是用于矫正校平，加之纵剪横剪同时启动时，钢板最高 2
9、5m/min 的运行速度完全可以满足生产需要，而以 20m/min 的速度使用频率最高。从运行的情况看，这种分段处理的方法以及经验数据是行之有效的。2 钢板定尺剪切机床的 PLC 编程(1) PLC 的高速计数器指令这是定尺剪切机床 PLC 程序的核心，也是变频器定位控制的关键。FX 系列 PLC 有三条相关指令：高速计数器置位指令 HSCS、高速计数器复位指令 HSCR 和高速计数器区间比较指令 HSZ。曾选用 FX1N 型 PLC，故只能采用其高速计数器复位 HSCR 指令，用 C251 计数到的下降沿复位 Y0 输出点，进而断开变频器的正向启动端使其停车，但是由于其下降沿时间过于短促，捕
10、捉信号时不够稳定，后改用 FX2N 型 PLC，采用其独有的 32 位的 DHSZ(Zone compare for High Speed Counter)指令。PLC 程序见图 6。程序中 M8002 是初始化脉冲辅助继电器； X007 是横剪机的下死点行程开关； RST 是复位指令； ZRST 是区间复位指令； M10 是单次/连续工作条件； M8000是常通辅助继电器； D10 是可赋值的总脉冲数； D14 是可赋值的降速爬行点距定位点的脉冲数(参阅下节)。此外，图 7 中的 PLC 的 Y0 输出点与变频器正向启动端 STF 相连； PLC的 COM1 与变频器的输入公共端 SD 相连
11、。图 6 高速计数器区间比较指令应用程序图 7 PLC 控制变频器运行的时序图 以变频器次高速 40Hz 运行为例，DHSZ 指令比较输出的动作如下：(参见图 6、图 7)当 D14C251 当前值时，M200 ON；当 D14C251 当前值时，M201 ONY2、Y3 接通，使变频器 RH、RM 端接通，开始降速爬行；当 D10C251 当前值时，M202 ONY0 断开，变频器正向启动端 STF 断开，变频器停机。(2) 长度脉冲数换算的 PLC 程序钢板长度脉冲数换算采用正比例运算方法：即先计算出 2000mm 长度的理论脉冲数，再用所设长度与之进行正比例运算，求出每一长度对应的脉冲数
12、。具体程序如下：图 8 所示程序，实际上是做了两个比例运算和一个减法运算：图 8 长度脉冲数换算的 PLC 程序D410(触摸屏设定 2000mm 对应脉冲数)/2000mm=D10(总脉冲数)/D420(触摸屏设定长度mm)；D410(触摸屏设定 2000mm 对应脉冲数)/2000mm=D12(开始降速脉冲数)/D52(触摸屏设定降速长度 mm)；D10(总脉冲数)-D12(开始降速脉冲数)=D14(降速爬行脉冲数)。这样处理的优点是便于修正数据，以提高变频器定位精度。图 9 触摸屏中的“#”的“停电保持数据寄存器”就是 D410。例如：我们在试车验收时，剪切了几十块钢板，发现所有的钢板全
13、部超长约 2mm，这说明剪切精度较为稳定，仅仅是 2000mm 的理论脉冲数与实际脉冲数有误差，可以用很简便的方法予以修正。图 9 脉冲比例调整的触摸屏画面已知 E6H 编码器分辨率为 2500p/r，根据理论计算：直径 100mm 的压辊行走 2000mm 需要 15924 个脉冲，即 1mm 的行走约需 8 个脉冲。由于压辊机械加工等因素的综合误差使得钢板超长 2mm，需减少 82=16 个脉冲即总数为 15908 才符合实际情况。在图 9 所示的触摸屏上对 D410(#)赋值 15908 后，再行试车，剪切误差均在 1mm 以下，符合设计要求。机床经过长时间的生产使用后，压辊也会有磨损，
14、也会产生误差，这时只需对 D410 进行修正即可。另外若需更换更高精度的编码器，也只需要修改 D410 的赋值。因 D410 数据不需要随意变更，故对触摸屏“脉冲比例调整”画面设置了密码予以保护。变频器多段速的设置和制动方法 1 变频器多段速的设置 已知电动机为 4 极，转速为 1470r/min，减速机减速比：20/1，压辊直径 100mm，辊速78.5r/min。根据计算，校平时钢板运行的 6 档速度对应变频器的频率为50Hz、40Hz、30Hz、20Hz、10Hz、0.8Hz。按此设置变频器多段速运行频率参数：高速Pr.4 为 50Hz； 中速 Pr.4 为 40Hz； 低速 Pr.4
15、为 30Hz； 4 段速 Pr.24 为 20Hz； 5 段速Pr.25 为 10Hz； 6 段速 Pr.26 为 0.8Hz。硬件的接法为： PLC 的 Y2、Y3、Y4 与变频器的高速 RH、中速 RM、低速 RL 端相连； PLC 的 COM1、COM2 与变频器的输入公共端 SD 相连。从图 10 可知：当 Y2、Y3、Y4 分别接通(ON)时，变频器频率分别为 50、40、30Hz； 当 Y3、Y4 同时接通时，变频器频率为20Hz； 当 Y2、Y4 同时接通时，变频器频率为 10Hz； 当 Y2、Y3 同时接通时，变频器进入0.8Hz 爬行状态直至停车。图 10 变频器 6 段速度
16、组合控制图2 校平机电机制动方法 根据系统实际情况，制动分为两个阶段：在降速和开始爬行时采用“制动单元”和“制动电阻”进行所谓“动力制动”，即三菱技术资料称之的“再生制动”；在爬行过程中，采用直流制动(即 DC 制动)。两者配合使用，使系统既能快速制动，又可以准确停车。当校平机电动机开始减速时，电动机处于再生发电制动状态。传动系统中所储存的机械能变成电能并经变频器中的逆变器回馈到直流侧。此时的逆变器处于整流状态，中间回路的滤波电容器的电压会因吸收这部分能量而提高，产生泵生电压。当电压值超过上限值约 690V 时，制动单元电路导通，电流流过与滤波电容器并联的制动电阻，从而将电能变成热能消耗掉，泵
17、生电压随之下降，待到设定下限值约 680V 时断开。继续采样泵生电压，制动单元将重复导通和截止，使系统完成动力制动。在此过程中，IPC-DR 型制动单元和配套的制动电阻功不可没：它采用自动电压跟踪方式，反应时间在 1ms 以下，动作电压为直流690V，误差 2V，表现非常出色。在电动机进入爬行阶段的过程中，当变频器的频率低于 DC 制动动作频率时，变频器将启动 DC 制动功能，向异步电动机的定子线圈注入直流电，产生动态制动(Dynamic Brake)效果。此时，输出电压将逐渐下降到 DC 制动电压。经过短暂延时，开始 DC 制动动作时间计时。这时变频器输出频率降为零，电动机的定子磁场停止旋转
18、，转动着的转子切割静止的直流磁场而产生制动转矩，系统因而准确停车。与 DC 制动相关的变频器参数设置如下：设定“DC 制动动作频率”Pr.10 为0.8Hz；“DC 制动动作时间”Pr.11 为 0.3s；“DC 制动电压”因为电动机是变频电机的缘故，Pr.12 设为 2%。试制经验总结在制作电控柜时，务必将校平机变频器的操作面板经延长线连接到柜体表面，便于调整变频器参数，也便于随时观察变频器频率的变化：若爬行时能稳定地显示 0.8Hz 数值,说明钢板运行数据设置合理；若 0.8Hz 的数值显示转瞬即逝，钢板极有可能超长等等。配合观察触摸屏的“当前行走长度”(参见图 11)变化，可以较快地摸索
19、出钢板运行的经验数据，有利于提高剪切精度。图 11 长度设置及长度监视的触摸屏画面钢板剪切机床采用变频器控制定位有多种应用方案，其中有一种方案是：“在送料长度的最后 20 个脉冲下降到最低速度。在停止送料时，对长度当前值进行判断：若大于预定值 10 个脉冲，则使电动机反转；若小于 10 个脉冲，则进行制动；若在10 脉冲之内，则进行剪切。”这个方案有一个较大的缺陷，就是忽视了精密机械零件的加工难度和成本，定位控制最忌讳电机反转也缘由于此。因为一般非精密加工的传动机械零件如齿轮、蜗轮等，其回程间隙(背隙)可能大于剪切公差，若电动机反转时进行齿隙补偿，其补偿量不易把握，频繁进退也严重影响生产效率；
20、若采用精密齿轮，其造价往往大于自控器件的造价。作者曾为瓦楞纸板印刷机的 8 轴伺服运动控制系统配置减速比 10：1、背隙3 弧分的精密行星齿轮减速机，其价格比配套的同功率三菱伺服电机还贵。另外还有机械电磁抱闸制动方案。这种方案要精确计算抱闸交流接触器的触点闭合行程、抱闸闭合行程所花费的时间以及期间行走的脉冲数，计算起来难度不小，要达到一定的剪切精度亦非易事。这个方案的缺点是没有充分挖掘、利用变频器的优良特性。结束语本文叙述的解决方案总结了以往的经验和教训，有其“精度效率兼顾、数据修正方便、配置实用合理”等特点。以常用规格横剪一块厚 2mm、长 2000mm 钢板为例，从启动校平到剪切完毕，次高速 40Hz 运行约 5s，降速爬行约 50s，整个运行时间约 55s，连续自动运行 1h 能够加工 60 多块钢板，误差 1mm 以下，达到了预期的目标。但是，从以上数据也可以看出，降速爬行占据了绝大部分运行时间，这是导致效率低的主要原因，这也就是变频器定位控制的不足之处和交流伺服系统的优越之处。尽管如此，变频器定位控制仍有其特定的市场需求，在目前经济条件下有其一席之地，应用领域也有待拓展。
