带锯床恒功率锯切的控制方法及其智能带锯床的制作方法

带锯床恒功率锯切的控制方法及其智能带锯床的制作方法
【专利说明】
[0001]
技术领域
[0002] 本发明涉及带锯床技术领域，尤其涉及一种考虑锯条疲劳寿命、电机功率利用最 大化的带锯床恒功率锯切的控制方法及其智能带锯床。
[0003]
【背景技术】
[0004] 现代制造工业正在朝着高效、高精度和经济性的方向发展，锯切作为金属切削加 工的起点，已经成为零件加工过程中重要的组成环节。国产带锯床产品与国外先进的带锯 床产品差距非常大，尤其存在智能程度和锯切效率低下的问题。作为零件加工的第一道工 序，锯切的效果和效率往往会影响整条生产线的效率，提高带锯床的锯切效率，可以避免锯 切成为整条生产线的瓶颈。
[0005] 目前，金属切削带锯床恒功率锯切的控制方法及其智能带锯床是带锯床设计重点 和难点，国内针对于智能锯切系统的相关专利主要有： 中国发明专利（专利公告号为CN 102672271 B)公开了一种"恒锯切力变进给速度的 锯架进给系统及其方法"，提出触摸屏选择和设置横截面形状，通过对工件硬度检测，确定 锯条锯切速度；再由测距传感器测定锯切的实时位置，根据设置的横截面形状和实时锯切 位置，选取内置在系统中的进给量，计算得到进给速度，实时变进给速度的锯架前馈控制； 系统实时根据压力传感器获得的锯切压力值，与给定的锯切力比较，实施恒锯切力闭环控 制。
[0006] 中国发明专利（专利公告号为CN 102063086 B)公开了一种"带锯床恒功率锯切 控制装置"，通过设置在带锯床进给油缸内进给位移传感器的位移检测，实现锯切过程带锯 条锯切负载的实时反馈，基于PID控制算法，根据实际锯切负载和设定锯切负载相比较，调 节锯切进给速度，从而实施锯切过程的锯切负载（恒功率）恒定控制。
[0007] 中国发明专利（专利公告号为CN 102151899 B)公开了一种"智能锯切带锯床"， 通过锯盘变频驱动为基础，增设驱动扭矩传感装置、锯条张紧力检测装置和电液伺服进给 装置，通过扭矩变化对变频器进行动态参数调整，基于锯条张紧力检测，通过电液伺服进给 装置实现锯切负载的智能控制需求。
[0008] 上述有益探索存在一定的局限：（1)未考虑给定锯切力如何设置，无法充分利用 驱动主电机的功率，也未考虑不同工况锯切过程对锯条寿命的影响；（2)不同材料、不同锯 切工况下，锯条进给抗力（与硬度和锯切压力值相对应）和锯切抗力的比值并非常数，通过 硬度检测反馈的前馈控制和通过锯切压力值反馈的后馈控制，并不能有效实现给定锯切力 的闭环控制。（3)锯条张紧力和锯切抗力并非如上述现有专利所述成正比，基于此反馈控 制，并不能有效实现给定锅切力的控制。
[0009] 因此，有必要在现有研究基础成果上作进一步的创新。
[0010]

【发明内容】
toon] 本发明所要解决的技术问题在于，提供了一种考虑锯条疲劳寿命、电机功率利用 最大化的带锯床恒功率锯切的控制方法及其智能带锯床。
[0012] 本发明是这样实现的，提供一种带锯床恒功率锯切的控制方法及其智能带锯床， 带锯床包括控制系统、锯架系统、进给系统以及夹持机构，控制系统包括具有人机界面的上 位机、具有可编程控制器的下位机、D/A转换模块、变频器、主电机、功率传感器、旋转编码器 以及减速装置，锯架系统包括锯架、主动锯轮、从动锯轮、带锯条、张紧油缸、传感器、工件检 测杆以及电液比例溢流阀，进给系统包括进给油缸、进给流量阀、进给流量阀控制电机、液 压泵、进给位移传感器、张紧换向阀、进给换向阀、夹持换向阀以及油箱，带锯床恒功率锯切 的控制方法包括让带锯床的锯切速度保持恒定的带锯床恒锯切速度控制方法和让带锯床 的锯切力维持恒定的带锯床恒锯切力控制方法，带锯床恒锯切力控制方法包括如下步骤： 1. 〇首先，依据以下方法选取带锯条的基准锯切力Fx。： I. 1控制系统根据主电机的额定功率按照式（A)计算出额定锯切力Fx。：
式中，P为主电机的额定功率，Π 为机械效率，Vs为设定锯切速度；设定锯切速度V 3依 照工件材料的不同而变化，是经验数据； 1. 2控制系统根据张紧油缸的张紧力Fp按照式（B)计算出带锯条的理论锯切力F χ1并 采用式（C)进行带锯条疲劳强度η。τ验算，使得理论锯切力Fxl既满足式（B)也满足式（C):
式中，L。为王、从动轮的中心距；R为王、从动轮半径；
其中f为带锅条和王、从 动轮的静摩擦系数，nx为张紧裕量因子；
式中，nf(3 1)为疲劳安全因子，通常取nf= 1.1;
其中，σ b为锯切工件材料的抗拉强度，A为带锯条基体的横截面积，E为锯切工件材料 的弹性模量，G为带锯条基体材料的剪切弹性模量，b为带锯条的宽度，Φ为带锯条的扭转 角度，1为带锯条扭转区间的长度； 1. 3控制系统预先内置不同锯切材料的锯切力和进给力比值k的表单，通过上位机的 人机界面选择并设定该比值，控制系统根据进给力上限F zniax计算出带锯条的名义锯切力Fx2 =kF L 4控制系统对上述的额定锯切力Fx。、理论锯切力Fxl以及名义锯切力F x2的数值大小 进行比较，基准锯切力Fx。为其中的最小值，即F x。= min {F x。，Fxl，FxJ，并把其作为带锯床恒 锯切力的控制基准； 2. O其次，下位机接受并设定基准锯切力Fx。，并基于进给系统的进给流量阀的流量曲 线数据，设定并调节进给流量阀的初始开度； 3. O再次，锯切过程中，功率传感器测得锯切过程中主电机的输出功率，根据主电机的 功率、转速与主动锯轮扭矩的关系，计算出锯切过程中实时扭矩值，把实时扭矩值转换为实 时锯切力F x(t)并与基准锯切力FJ^行比较，经过下位机内部PID算法处理后，输出控制 量传递给进给流量阀控制电机，使其调整调节流量阀的开度来调节进给油缸的进给速度， 使得基准锯切力F x。始终保持稳定，最终实现锯切力恒定。
[0013] 进一步地，如果1.2中的式（C)不满足，则逐步降低理论锯切力Fxl数值使得式（C) 刚好满足后，调低张紧油缸的张紧力Fp使其与降低的理论锯切力Fxl相匹配，使式（B)也满 足，此时理论锯切力F xl应该既满足式（B)也满足式（C)的要求。
[0014] 进一步地，带锯床恒锯切速度控制方法包括如下步骤： (1) 通过上位机的人机界面选择并设定相应的锯切材料，根据设定的锯切材料，从控制 系统内置的表单选取合适的设定锯切速度Vs; (2) 带锯床首先以设定锯切速度\开始工作，在锯切过程中，下位机将旋转编码器测得 的实际锯切速度Vsf与设定的锯切速度V ；3进行比较，经过下位机程序内部PID算法处理后， 输出控制量给变频器，变频器调节带锯床主电机的转速，从而调节带锯条的实际锯切速度 Vsf，最终使得实际锯切速度Vsf趋向与设定锯切速度V s相等。
[0015] 本发明还包括利用所述的带锯床恒功率锯切的控制方法的智能带锯床，锯架通过 立柱安装在带锯床上，且沿立柱作垂直方向的上下移动；进给油缸驱动锯架在垂直方向移 动；主动锯轮和从动锯轮安装在锯架上，两者环绕有带锯条；张紧油缸固定在锯架上驱动 从动锯轮左右移动，从而调节带锯条的张紧程度；主电机固定在锯架上，通过减速装置带动 主动锯轮旋转，从而带动带锯条运动，传感器设置在张紧油缸上用于测定张紧油缸的张紧 力，工件检测杆设置在锯架上随锯架上下升降用于检测工件的高度，下位机通过D/A转换 模块和变频器后调节主电机的电流值从而调节主电机转速大小，旋转编码器安装在从动锯 轮的转轴上，实时检测从动锯轮的转速；功率传感器检测变频器反馈电流大小，并通过旋转 编码器后传输给下位机；下位机通过采集得到的主电机的转速和扭矩数据，基于闭环控制， 通过进给流量阀控制电机调整进给流量阀的开度，改变进给油缸活塞杆的升降速度。
[0016] 进一步地，锯