专利名称：数控飞锯机组用半闭环、全闭环兼容的位置控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种数控飞锯机组用的位置控制系统。
背景技术：
自动同步跟踪往复运动的数控飞锯机组是金属管材、型材、棒材、卷材及木材等连续生产线中进行在线计长定尺并剪切的基础自动化设备，其包括机械设备和电控设备两大部分。要精确地剪切快速运动中的管材，剪切工具必须与机组的运动精确协调，这就需要一个高动态性能的闭环控制系统来控制电机。尤其是在机组速度变化时，生产工艺要求剪切工具必须与机组线速度保持同步跟踪的情况下来进行定尺剪切。
我国上世纪80年代初开始引进高频焊管、冷弯型钢机组，早期引进的奥钢联生产的冷弯型钢机组(二手设备)，其中数控飞锯电气系统由西门子公司生产的，它是一个全闭环控制的系统。由于受当时技术水平的限制，大部分电子器阵是分立元件，而且其脉冲当量为1mm，整个控制系统可靠性较差，定尺误差较大，在±10mm以上。八十年代中、后期及九十年代我国引进的高频焊管、冷弯型钢机组所配置的数控飞锯都是半闭环控制系统，脉冲当量在0.1mm或更小。实物定尺误差±3mm以内，符合英国BS标准中钢管定尺要求。我国在九十年代初期开始批量生产数控飞锯，目前均生产半闭环位置控制的数控飞锯系统。
目前，我国80％以上的高频焊管、冷弯机组仍在采用传统的气动飞锯。其定尺误差大(一般在±20mm以上)，耗能大，机械寿命短。
半闭环控制系统由于其位置检测编码器与飞锯小车电机连在一体，安装、调试方便，可以获得比较稳定的控制特性，所以在数控飞锯上广泛应用。但是半闭环系统对于飞锯小车位移是间接方法测量的，所以对机械传动的间隙等误差无法控制。同时由于国内生产的数控飞锯电气控制系统硬件复杂集成度低，导致可靠性差，稳定性差，阻碍了数控飞锯在我国的推广和应用。
本专利申请人曾研发了全闭环二次定尺的全数字交流伺服控制的PS-76-80型飞锯机。该飞锯采用全套日本三菱电机的PLC(含高速计数、人机接口、脉冲指令定位控制等)及交流伺服系统，它的一次定尺仍采用传统的气动飞锯，根据一次定尺夹紧，强迫同步后采样得到长度误差值△L，然后控制交流伺服电机驱动锯片小车移动△L距离，来达到二此精确定尺的目的。其定尺精度得以保证的前提是采样得到的△L必须是一个不变值，这一要求对于气动飞锯来说是较为困难的，不易保证，难以真正达到实用。
发明内容
本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种硬件简单，系统可靠性高，稳定性好，其控制精度可达到实用要求的数控飞锯机组用半闭环、全闭环兼容的位置控制系统。
本实用新型的技术解决方案一种数控飞锯机组用半闭环、全闭环兼容的位置控制系统，其特征在于它由可编程控制器、人机接口装置和驱动装置及接口板组成，其中，可编程控制器的高速计数输入端接有两个旋转编码器，它们分别设置在数控飞锯机组的靠近数控飞锯小车附近的机组对应固定位置和数控飞锯小车电机后端位置上，在可编程控制器的高速计数输入端还设有金属码盘旋转编码器，它设置在数控飞锯小车的固定位置，可编程控制器的串行通讯口与人机接口装置的串行通讯口相连，驱动装置的输出接数控飞锯机组中数控飞锯小车的直流电机；接口板由电平转换电路、脉冲整形电路、比例低通网络、比例加法器构成，电平转换电路的输入与可编程控制器的高速输出端相连，其输出与脉冲整形电路的输入相连，脉冲整形电路的输出与比例低通网络的输入相连，比例低通网络的输出与比例加法器的信号输入相连，比例加法器的调零输入端接调零偏置电路，比例加法器的输出接驱动装置的模拟输入端。
本实用新型系统兼容了半闭环和全闭环两种位置控制方式。半闭环采取传统的两个旋转编码器控制方式。全闭环在半闭环基础上增加了一个固定在运行的飞锯床身上使用金属码盘编码器的三个旋转编码器控制方式。本实用新型的控制系统中采用西门子通用可编程控制器S7-200，人机接口TD200，欧陆SSD-590直流驱动装置以及为此配置设计的专用接口板组成一个可靠、稳定、低成本的硬件平台。为此硬件平台设计的计算机程序(S7-200)、组态软件设置(TD200，SSD-590)，使本控制系统达到了BS标准中钢管定尺要求的控制精度。本实用新型根据多年生产数控飞锯的经验和教训，比照了现有国内外数控飞锯的各种技术方案，确定采用一次定尺电动的半闭环、全闭环兼容的数控飞锯控制方式。首先选择金属码盘的编码器，设计专用的测量辊装置和导向约束装置以及传统气动飞锯上原有的夹紧装置来适应飞锯小车运行剪切时的振动和冲击，从而实现全闭环控制系统。同时采用西门子公司微型通用可编程控制器S7-200，欧陆公司590全数字直流驱动装置，再配置一块接口板，组成了电气控制的硬件设备。S7-200、590均已有CE标志及UL认证，其产品质量是无可置疑的，其硬件简单，系统可靠性高，稳定性好，控制精度可达到实用要求。
图1是本实用新型的原理结构示意图。
图2是本实用新型接口板的具体电原理图。
具体实施方式
如图1，本实用新型的数控飞锯机组用半闭环、全闭环兼容的位置控制系统，它由可编程控制器(如采用西门子公司生产的型号为S7-200的可编程控制器)、人机接口装置(如采用西门子公司生产的型号为TD200的人机接口装置)和驱动装置及接口板组成，驱动装置可以是直流驱动装置，如英国欧陆公司生产的型号为SSD-590直流驱动转置，也可采用交流伺服驱动装置。其中，可编程控制器的高速计数输入端接有两个旋转编码器1PG、2PG，它们分别设置在数控飞锯机组的靠近数控飞锯小车附近的机组对应固定位置和数控飞锯小车电机D的后端位置上，在可编程控制器的高速计数输入端还设有金属码盘旋转编码器3PG(型号可为ZKT-20-102.4B，由长春第一光学仪器厂生产)，它设置在数控飞锯小车的固定位置，用来检测运行钢管和数控飞锯小车的相对位移，可编程控制器的串行通讯口与人机接口装置的串行通讯口相连，驱动装置的输出接数控飞锯机组中数控飞锯小车的直流电机D；接口板由电平转换电路、脉冲整形电路、比例低通网络、比例加法器构成，电平转换电路的输入与可编程控制器的高速输出端相连，其输出与脉冲整形电路的输入相连，脉冲整形电路的输出与比例低通网络的输入相连，比例低通网络的输出与比例加法器的信号输入相连，比例加法器的调零输入端接调零偏置电路，比例加法器的输出接驱动装置的模拟输入端。
如图2，本实用新型的接口板可由运放Q2-Q4，反相器Q1A-Q1D，电阻R1-R13，电位器W1-W3，电容C1-C2构成，电阻R1依次与反相器Q1A、Q1B和电阻R3串接，在R1与Q1A之间接电阻R2，R2另一端接浮地，R1另一端接可编程控制器的对应高速输出端Q0.0，R3另一端接运放Q2的反相输入端，Q2的同相输入端通过电阻R4接浮地，在Q2的反相输入端和输出端之间并接有电容C1和电位器W1，Q2的输出通过电阻R5接运放Q4的反相输入端，Q4的同相输入端通过电阻R13接浮地，Q4的反相输入端和输出端之间接有电阻R12，同理，R6依次与Q1C、Q1D和R8串接，在R6和Q1C之间通过R7接浮地，R6另一端接可编程控制器的高速输出端Q0.1，R8另一端接Q3的反相输入端，Q3的同相输入端通过R9接浮地，Q3的反相输入端和输出端之间并接有C2和W2，Q3的输出通过R10接Q4的反相输入端，电位器W3和电阻R11组成调零偏置电路，W3一端接电源VC，另一端接浮地，其中心调节端通过R11接Q4的反相输入端，Q4的输出接直流驱动装置的模拟输入端A3口。
本实用新型的系统采用了西门子公司微型通用可编程控制器PLC S7-200和人机接口TD200及欧陆公司590系列全数字直流驱动装置。PLC的稳定、可靠、安全、电磁兼容好是众所周知的，虽然S7-200有较为丰富的数据控制的软件，但其仍是一个微型通用的基础自动化装置，但控制精度仍显不够。要满足数控飞锯的控制精度(即6米标准定尺，误差精度±1mm内，可知其同步定位精度误差在±0.0167％以内)，其关键在于建立正确的数学模型，并由此进行有效的补偿校正来提高控制精度。本实用新型的系统已在Φ133高频焊管机组中成功应用，实物定尺在±1mm左右，优于BS标准中钢管定尺要求。本实用新型系统的主要电气技术指标如下
1、定尺精度误差±1mm(在机械完好情况下，实物定尺误差±3mm以内，可满足BS标准)2、工作速度15m/min～85m/min(还可根据用户要求来确定)3、切料长度设定范围3m～20m(或更长)4、允许剪切次数14次/min5、工作环境温度0～40℃6、相对湿度5～85％。
本实用新型系统向前运行时的半闭环位置自动控制工作原理如下1、脉冲当量与乘法系数S7-200可编程控制器的CPU中集成的高速计数器，速度高达30KHZ，高速计数的总数可以多达6个，不重叠的A/B正交计数器可以达到4个。而数控飞锯控制系统一般需要A/B正交计数器的数量为2-3个，所以特别吻合。
脉冲当量越小意味着对增量型旋转编码器的脉冲分辨率的要求越高，成本也越高。一般来说，脉冲当量的选择应和控制系统的精度要求相吻合，本实用新型的系统选择脉冲当量为0.1mm。增量型旋转编码器的脉冲分辨率的最大值为每转输出脉冲数乘上四倍，S7-200高速计数器对A/B正交计数器速率选择可以有两种，一倍频和四倍频。本实用新型选择了四倍频，这样可以降低编码器的成本，在半闭环位置控制的数控飞锯系统中需配置两个编码器。一个为安装在机组固定位置(靠近飞锯小车位置)的测量辊1编码器1PG，管材和测量辊直接接触，前进(或后退)的管材带动测量辊使其编码器1PG同步运转，在半闭环系统中，测量辊1编码器担负两个作用(一)测量管材通过测量辊的实际位移。(二)测量管材通过测量辊时的机组线速度。另一个为间接反映飞锯小车实际位移的编码器2PG(一般安装在飞锯小车电机后端或者机械减速装置上)。
测量辊编码器每转输出脉冲数的选择比如测量辊圆周长为400mm，那么每转给计数器的脉冲数应为400mm/0.1mm＝4000(p/r)，由于选择了四倍频，所以编码器实际上选择每转输出1000脉冲数的编码器即可。由于金属测量辊长期磨损，直径减小，那么不作修正的情况下，脉冲当量将小于0.1mm。为了保证脉冲当量仍为0.1mm不变，这就需要采用乘法系数的方式来修正。如果圆周长磨损后变为398mm，而编码器每转输出脉冲数仍为1000(p/r)，四倍频后仍为4000(p/r)，为保证0.1mm脉冲当量，经计数器和乘法系数K1后的脉冲数定为3980(p/r)，这样应选择4000×K1＝3980，K1＝0.995。乘法系数K1可以通过人机接口TD200随时更改。一般乘法系数选择在0.8～1范围内。
如果选择机组的最大线速度为100m/min，对应飞锯小车电机额定转速1500r/min时，那么在机组最大线速度时，飞锯小车要达到同步跟踪，即每转一圈应为66.67mm(100m/min÷1500r/min＝66.67mm/r)，飞锯小车脉冲当量仍为0.1mm，那么每转一圈对应666.7个脉冲数，选择四倍频计数，则编码器每转输出脉冲数应为166.67(666.7÷4)。而编码器生产厂并没有这种规格，为保证脉冲分辨率只有选择大于166.67脉冲数的编码器，可以选择每转输出脉冲数为200的编码器。为了得到0.1mm的脉冲当量，确定乘法系数K2即200×4×K2＝666.7可得K2＝0.833375。K2精确确定后在运行时一般不再改变。
2、飞锯运行时的基本运算公式由人机接口TD200设定长度参数N1，可以随时根据长度设定来更改此参数；由测量辊编码器输出的脉冲经计数器1和乘法系数K1得到的数值N2；由电机后端编码器输出的脉冲经计数器和乘法系数K2得到的数值N3。飞锯在运行时的基本运算公式为△N＝N1-N2+N3。其中N2＝1PG管材向前脉冲-1PG管材向后脉冲；N3＝2PG电机小车向前脉冲-2PG电机小车向后脉冲。
3、非线性处理知道在各种起、制动的特性中，只有直线加速特性是起动距离最短的。即当机组速度一定时，如果飞锯小车速度低于机组速度，则飞锯应以一恒定的加速度加速，直到同步为止。如果飞锯小车速度高于机组速度，则飞锯将以一恒定的速度变化率制动，直到同步为止。这正是所需要的快速过渡特性。由此根据数学推导，可以得到为使控制系统具有直线加、减速过渡特性的关键环节是应具有开平方的非线性特性，即VA=±±K(ΔN).]]>4、机组线速度测量由测量辊编码器输出的脉冲频率F对应为机组线速度。采用定时中断，用一定的采样时间来得到脉冲数的变化量，从而计算出对应的线速度大小的数值VB，VB＝KFV(△P/△t)，△P为一定时间间隔△t内脉冲增量。VB是作为控制系统的前馈补偿作用，所以其对于提高控制系统的静态、动态品质十分重要。
5、13位D/A转换S7-200 CPU中集成的高速脉冲输出，最高速率可达20KHZ。本实用新型采用S7-200中高速输出指令PWM发生器，定时中断。每隔一定时间采样(VB-VA)＝VC值，作为PWM发生器的脉宽值来进行PWM操作，从而来控制飞锯小车向前运行。用此方式已经成功的做到了13位D/A转换，以满足控制系统的精度要求。13位D/A转换的精度已可以和西门子公司6RA70(12位D/A)和欧陆590(10位D/A)等相匹配，当然根据需要可以做到比13位D/A精度更高的D/A转换器。
6、欧陆590全数字直流可逆驱动装置英国欧陆传动装置有限公司(EUROTHERM)生产的SSD-590系列全数字直流可逆驱动装置，是目前同类原装进口产品中价位较低的，此装置可供二次开发的组态软件较为丰富。SSD-590除了可以作为直流传动用外，还可以作为直流伺服装置用，这是由于其桥转换死区时间较小，并且其模拟输入A3的输入采样时间仅为3ms，滤波器仅为1ms，是专供直流伺服用的模拟输入口。欧陆590在数控飞锯控制系统中的使用已有数年，应该说可以满足飞锯快速伺服和控制精度。若速度给定最大值为10V，对应机组最大线速度100m/min(1.6667m/s)，直流驱动装置的传递函数KST＝1.6667m/s÷10V＝0.16667m/vs。
S7-200和SSD-590的接口可以有二种方式，一种是通过通讯方式进行数据到数据的传送，但是价格昂贵。另一种方式D/A转换，价格低，S7-200为D/A转换，SSD-590内再进行A/D转换。虽然13位D/A的转换精度已足够二者的匹配有余，但是由于模拟系统固有的零点漂移，从而导致控制精度下降。本实用新型采用了第二种D/A转换方式，为了克服零点漂移，在S7-200中采取了补偿校正，效果很好，达到了相当高的控制精度。所以整个方案成本较为低廉，并保证了控制精度。这是目前S7-200和SSD-590之间最为简单的接口方式之一。
7、接口板S7-200高速输出的PWM信号虽然开关频率较高，但仍需要经过平滑电路平滑后才能和SSD-590的模拟输入相匹配。接口板电原理图见图2。
R1、R2(R6、R7)为电平转换电路；Q1为脉冲整形；Q2、Q3为比例、低通网路；Q4为比例加法器；W1、W2调整比例系数；W3调零。
上述综合分析了飞锯小车向前运行的各部分内容，要保证半闭环往复式同步跟踪型数控飞锯的电气控制精度的必要条件为两个其一是剪切时同步跟踪，其二是剪切时保证精确计量定尺。在机组线速度VB正确检测的情况下，要满足同步跟踪并精确定尺，应满足VA＝0，从而VC＝VB。VA＝0即△N＝0。所以可以在达到同步跟踪(VC＝VB)情况下精确定尺(VA＝0，△N＝0)。以较为典型的情况为例，在机组线速度恒定的情况下，飞锯在整个向前向后运行的一个工作周期中，小车向前跑出多少距离再回归多少距离，所以△N3＝0，由此得到△N＝0时，N1＝N2，达到精确定尺。在飞锯实际工作时，需要小车的回归精度，但是这只是为了飞锯在长时间运行时小车回归位置不漂移而已，而实际上小车的回归精度与精确定尺并无关联，严格地说，上述解释△N3＝0时定尺精度的分析，只是一种特定情况。正确的理解定尺原理，应该是在一个工作周期内根据管材位移，小车向前、向后位移来精确计算长度设定的待切点。所以在一个工作周期中即使△N3≠0，飞锯的定尺仍应该是精确的。这个控制系统是以抬锯完毕确认后为一个工作周期的起始，这点对于分析同步定尺十分重要，所有的数据都是以此时开始计算的。本实用新型系统向后运行时的半闭环位置自动控制工作原理如下飞锯在同步跟踪并达到精确定尺要求后进行夹紧剪切，剪切结束抬锯后，则飞锯控制系统切换到向后回归运行，根据小车向前运行多少距离就向后回归多少距离的控制原理，并且小车回归过渡特性具有和小车向前相同的恒速率特性，来实现返回控制。
本实用新型系统全闭环位置自动控制系统的工作原理如下
要构成一个全闭环系统，首先要解决用直接方式来检测小车的位移问题。考虑将测量辊装置(含编码器)由机组固定位置改换到安装在飞锯小车的床身的固定位置上，由于管材和测量辊2直接接触，该测量辊2固定在飞锯床身上，又随飞锯小车运动而运动，所以该测量辊编码器实际测量的是管材和飞锯小车的位移，其综合了管材位移、小车向前位移、小车向后位移。所以从定尺长度测量的角度来说，全闭环系统中3PG的作用是半闭环系统中1PG(管材长度测量)和2PG(间接反映小车位移)二者的叠加。
全闭环系统从根本上克服了半闭环系统的机械误差。其次，由于只使用一个编码器来作位移测量，从而也从根本上克服了半闭环系统中由于测量辊磨损后未及时更新乘法系数，导致测量辊编码器脉冲当量小于电机后端编码器脉冲当量。这样在半闭环系统中，同步跟踪剪切时，由于二者脉冲当量的不一致，从而导致位移的不一致，而同步跟踪是要保证在△N＝0上下动态平衡的，所以在脉冲当量不一致表现严重时，剪切的管材从上到下为一个斜坡状，俗称为“斜头”。这种情况在机组线速度高，管材的截面积大时表现更为突出。
要做好全闭环系统，关键在于安装在飞锯机械床身的测量辊编码器要能经得起振动、冲击，一般来说采用玻璃光栅的编码器是不堪一击的。这里要解决两个问题，其一是要求飞锯在运行剪切时产生尽可能小的振动和冲击。其二是有效的提高编码器的抗振、抗冲击能力。本实用新型在系统中采用了金属码盘增量型编码器来有效的提高编码器本身的抗振、抗冲击能力。在全闭环系统中，在飞锯小车运行时，安装在飞锯床身上的测量辊，其运转的速度已不能反映机组的线速度，在飞锯小车和机组线速度同步跟踪时，该测量辊2速度低于机组线速度。同步时，测量辊2不运转，所以很显然已不能用3PG来测量线速度，所以仍保留了1PG，仅利用1PG来作线速度测量用。2PG在全闭环系统中也仍保留作为后向精确回归用。全闭环系统后向原理与半闭环相同。保留1PG、2PG另一目的在于本实用新型的系统是一个半闭环、全闭环兼容的自动控制系统，在PLC控制程序中已经兼容了半闭环、全闭环两种控制方式，用户只需要在操作台面板上通过“半/全”转换开关即可改变PLC一个输入点的状态，达到切换两种控制方式的目的。这样可以给用户带来很大的便利。用户可以在飞锯机械设备良好的情况下使用半闭环系统，以求得到系统稳定的高精度。当飞锯机械设备磨损严重、半闭环系统实物定尺误差铰大时，可以改用全闭环系统，提高实物定尺精度，从而相应的延长了机械使用的寿命。
权利要求1.一种数控飞锯机组用半闭环、全闭环兼容的位置控制系统，其特征在于它由可编程控制器、人机接口装置和驱动装置及接口板组成，其中，可编程控制器的高速计数输入端接有两个旋转编码器，它们分别设置在数控飞锯机组的靠近数控飞锯小车附近的机组对应固定位置和数控飞锯小车电机后端位置上，在可编程控制器的高速计数输入端还设有金属码盘旋转编码器，它设置在数控飞锯小车的固定位置，可编程控制器的串行通讯口与人机接口装置的串行通讯口相连，驱动装置的输出接数控飞锯机组中数控飞锯小车的直流电机；接口板由电平转换电路、脉冲整形电路、比例低通网络、比例加法器构成，电平转换电路的输入与可编程控制器的高速输出端相连，其输出与脉冲整形电路的输入相连，脉冲整形电路的输出与比例低通网络的输入相连，比例低通网络的输出与比例加法器的信号输入相连，比例加法器的调零输入端接调零偏置电路，比例加法器的输出接驱动装置的模拟输入端。
2.按权利要求1所述的数控飞锯机组用半闭环、全闭环兼容的位置控制系统，其特征在于所述驱动装置或是直流驱动装置，或采用交流伺服驱动装置。
3.按权利要求1所述的数控飞锯机组用半闭环、全闭环兼容的位置控制系统，其特征在于所述接口板由运放Q2-Q4，反相器Q1A-Q1D，电阻R1-RB，电位器W1-W3，电容C1-C2构成，电阻R1依次与反相器Q1A、Q1B和电阻R3串接，在R1与Q1A之间接电阻R2，R2另一端接地，R1另一端接可编程控制器的对应高速输出端Q0。0，R3另一端接运放Q2的反相输入端，Q2的同相输入端通过电阻R4接浮地，在Q2的反相输入端和输出端之间并接有电容C1和电位器W1，Q2的输出通过电阻R5接运放Q4的反相输入端，Q4的同相输入端通过电阻R13接浮地，Q4的反相输入端和输出端之间接有电阻R12，同理，R6依次与Q1C、Q1D和R8串接，在R6和Q1C之间通过R7接浮地，R6另一端接可编程控制器的高速输出端Q0。1，R8另一端接Q3的反相输入端，Q3的同相输入端通过R9接浮地，Q3的反相输入端和输出端之间并接有C2和W2，Q3的输出通过R10接Q4的反相输入端，电位器W3和电阻R11组成调零偏置电路，W3一端接电源VC，另一端接浮地，其中心调节端通过R11接Q4的反相输入端，Q4的输出接直流驱动装置的模拟输入端A3口。
专利摘要本实用新型涉及一种数控飞锯机组用的位置控制系统，它由可编程控制器、人机接口装置和驱动装置及接口板组成，其中，可编程控制器的高速计数输入端接有两个旋转编码器，它们分别设置在数控飞锯机组的对应固定位置和数控飞锯小车电机后端位置上，在可编程控制器的高速计数输入端还设有金属码盘旋转编码器，它设置在数控飞锯小车的固定位置，可编程控制器的串行通讯口与人机接口装置的串行通讯口相连，驱动装置的输出接数控飞锯机组中数控飞锯小车的直流电机；接口板由电平转换电路、脉冲整形电路、比例低通网络、比例加法器构成，电平转换电路的输入与可编程控制器的高速输出端相连，其输出与脉冲整形电路的输入相连，脉冲整形电路的输出与比例低通网络的输入相连，比例低通网络的输出与比例加法器的信号输入相连，比例加法器的调零输入端接调零偏置电路，比例加法器的输出接驱动装置的模拟输入端。
文档编号G05B19/18GK2604262SQ03219920
公开日2004年2月25日 申请日期2003年2月18日 优先权日2003年2月18日
发明者童自惠 申请人:童自惠