CN102672271B - 恒锯切力变进给速度的锯架进给系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种恒锯切力变进给速度的锯架进给系统及其方法，系统由锯架、液压系统、控制系统组成；锯架通过双立柱安装在锯床上、油缸驱动锯架沿立柱上下移动。控制系统为分层多机协同的硬件体系架构，实时/非实时任务按类分配至各处理单元，硬逻辑门电路则提升了系统的可靠性。系统依据操作员选定的工件横截面类型和参数、结合测出的锯架位移和工件材料硬度，实施基于工件锯切宽度变量的变进给速度前馈控制；本发明根据压力传感器采集的油缸油压值，进行恒锯切力的闭环反馈进给控制；提高了锯切工件品质和锯床工效、降低了锯条消耗量。量身定制的切入、切出工进和锯架快速上升复位的控制策略，使锯架进给控制系统的解决方案更完善。

Description

恒锯切力变进给速度的锯架进给系统及其方法

技术领域

本发明涉及卧式金属带锯床的锯架进给系统，尤其涉及一种恒锯切力变进给速度的锯架进给系统及其方法。

背景技术

相对车、铣、镗、磨、插、拉、锻等金属加工机床的全方位持续改良设计，长期以来锯床却未得到应有的重视，相反被认定只是一种简单的切断下料金属加工设备。目前，环境与资源的双重约束是发展经济时必需优先考虑解决的两大难题；精密铸造和精密锻造之所以能迅速崛起，相当程度上得益于在“两大难题”上的优异表现--资源节约与环境友好：减少了金属原材料的消耗，废料的减量化又降低了对环境的压力。同期，锯床行业的最大变化是带锯床逐步取代了传统的弓锯床、圆盘锯床，取得了锯床市场的支配地位，如美国的带锯床已达锯床总量的80~90%。锯切加工过程中，带锯床分别较弓型锯床、圆盘锯床节约材料56％、87.5％；因带锯床加工工件的锯切截面质量好于弓型锯床和圆盘锯床，从而减少了后续的加工量、提高了生产效率。随着现代制造工业朝着高效、高精度和低耗的方向发展，人们重新审视了锯床在切削加工中的定位、作用与地位：锯切定义为金属切削加工的起点，是零件加工过程中重要的组成环节；我国的锯床行业具有明显的地域特征，浙江缙云县占有全国70%以上的带锯床生产总量，2010年该县带锯床和特色机械装备实现工业产值143亿元。

国产锯床已取得长足进步，但与发达国家的同类产品相比，无论是技术指标、还是附加值均存在较大差距。三方面的原因造成我国锯床业大而不强的现状：首先，整体的科技实力尚不如人；其次，视带锯床为“简单切断设备”的陈旧理念阻碍了锯床的技术进步；最后，“宁为鸡头，不做牛尾”的传统观念作祟--基于专业化分工配套体系的高效锯床产业集群长期难产--各锯床厂家热衷主机、相互间“克隆”低价竞争。国产锯床的薄弱环节正如《机床工具行业“十二五”发展规划》指出的：在“数控系统和功能部件”。国产带锯床的主流数控系统是典型的电液控制系统，换言之，是由电气控制、液压驱动执行的系统。中低档带锯床的电气控制采用的是廉价的开关、继电器组合，液压系统限于开关量器件；国产高中档带锯床的电气控制一般采用PLC控制器，液压系统不乏模拟量器件（如比例阀）。乍一看，高中档国产带锯床的自动化水准尚可--锯切过程全自动化；但国产带锯床的锯切生产效率不及国外同行，锯条的消耗量又远高于国外同行，确是不争的事实。从做大到做强，必须改进粗放型的国产“数控系统和功能部件”；立足金属锯切的机理，开发新一代“数控系统和功能部件”，逐一补上国产带锯床的短板；幸运的是，在学术界和企业界的共同努力下，带锯床的相关理论问题取得突破并形成共识，下一步的努力可聚焦在理论研究成果的技术实现和工程应用上。

·锯条运动是水平锯切运动和垂直进给运动合成的复合运动；根据加工工件材料的硬度可确定最佳锯切速度值。

·进给运动的速度取值不仅与工件材料的硬度有关，而且应随工件的锯切宽度变化作出动态调整；恒锯切力有助于延长锯条的使用寿命、减少崩齿、断带事故率，以及锯床生产效率的最大化；现有技术条件下，尚无直接采集锯切力的可靠、实用、且价格合适的手段和方法。

·工件锯切进给（简称工进）由切入工进、锯切工进和切出工进组成，锯条切入和切出时的工况有别于锯切工进。虽然切入和切出在工进总耗时中微不足道，却是点接触过渡到充分接触（切齿数大于3~4）的动态过程或反之；锯条尤其是齿尖所受的冲击力往往过大、且呈现不可预测的随机性，是打齿、齿尖磨损的高危期；众所周知，航空业事故的80%以上发生在起飞降落阶段，这与带锯床的“打齿、齿尖磨损”事故何其相似？！因此，设计专门的应对措施是必要的；鉴于过渡过程的瞬时特性，“应对措施”的关注点是实时性和有效性（避免打齿和减缓齿尖磨损），其对锯床生产效率的影响完全不必考虑，毕竟切入工进、切出工进的耗时太小太少。

·为提高锯床的生产效率，工件锯切完成时，要求锯架在油缸的驱动下快速上升复位，准备进入下一个工作循环；锯床用户的大量报告和锯床生产厂商的测试结果表明：现有锯床的设计存在疏忽--锯架快速上升复往时，锯切料横截面会与锯条斜向分齿产生瞬间的剧烈摩擦；因此，这一疏忽亟待纠正。

迄今为止，带锯床较有代表性的知识产权成果综述如下：

·发明专利“智能锯切带锯床”（申请号201010562127.4），提出由锯条张紧液压缸压力传感器和模数AD转换单元构成锯条张紧力检测装置，由锯架进给液压缸位移传感器等构成电液伺服进给装置；使带锯条在整个锯切过程中承受的锯切功率恒定。

·发明专利“带锯床恒功率锯切控制装置”（申请号201010530562.9），提出根据锯切负载的变化而调整锯切进给速度，进给位移传感器设置在带锯床的进给液压缸内，张紧位移传感器设置在带锯床的张紧液压缸内；实现了对带锯条受到锯切负载的非接触检测。

上述有益探索，提出了当工件的截面尺寸和形状发生变化时，调整进给速度进行恒功率锯切的思路，有一定的参考价值，但探索成果仍存在局限：锯架进给控制系统未考虑切入工进和切出工进的特殊工况；工件完成锯切后锯架需快速上升复位，锯切料横截表面与锯齿面会产生瞬间的剧烈摩擦、应对措施缺位；鉴于目前尚无直接采集锯切力的可靠且价格合适的方法，上述研究者转向检测锯条张紧力，但锯条张紧力与锯切力之间并无一一对应关系，即检测锯条张紧力的方法本身虽可行、但推导得出的锯切力存在固有缺陷；因此，有必要在现有研究成果基础上作深入的研究与创新。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种恒锯切力变进给速度的锯架进给系统及其方法。

恒锯切力变进给速度的锯架进给系统包括锯架、液压系统、控制系统；锯架包括主从动轮、测距传感器、锯条、工件检测杆、里氏硬度计、导向滑轨、行程开关、锯架固定架、主动轮驱动变频电机、从动轮张紧油缸和用于送料长度检测的光栅尺；在锯架固定架上设有主从动轮、测距传感器、里氏硬度计、导向滑轨、主动轮驱动变频电机和从动轮张紧油缸，锯条与主从动轮相连，主动轮与主动轮驱动变频电机相连、从动轮与从动轮张紧油缸相连；工件检测杆与导向滑轨配合安装；行程开关安装在导向滑轨的表面；里氏硬度计固定安装在工件检测杆的下端处，里氏硬度计下端面与工件检测杆下端面平行且上移间距为1mm，光栅尺安装在送料支架上；液压系统包括油缸、压力传感器、顺序阀、电磁换向阀、比例流量阀、单向阀、油泵、过滤器和油箱；油缸的有杆腔口与电磁换向阀的A口相连，油缸的无杆腔口分别与顺序阀输入口、压力传感器相连，顺序阀的输出口与电磁换向阀的B口相连，单向阀的输入口与油泵的输出口相连、单向阀的输出口与电磁换向阀的P口相连，比例流量阀的输入口与电磁换向阀的T口相连、输入口与油箱相连，油箱通过过滤器连接到油泵的输入口；控制系统采用上下位机的分层硬件结构，两者通过RS232接口进行信息交互：下位机控制系统包括相连接的MCU和CPLD，MCU分别与上位机触摸液晶屏、里氏硬度计、测距传感器、压力传感器、主动轮驱动变频电机的变频器相连，CPLD通过光电耦合器分别与顺序阀、电磁换向阀、单向阀、油泵、光栅尺和行程开关相连，CPLD通过数模转换器和比例阀放大器与比例流量阀相连。

恒锯切力变进给速度的锯架进给方法为：在控制系统的上位机触摸液晶屏上预设有多种工件横截面类型和参数，根据锯切工件的横截面形状在触摸液晶屏上进行选择和参数设定，或建立自定义的工件横截面类型和参数；锯切开始，控制系统控制锯架快速下降，工件检测杆检测到工件后，控制系统驱动里氏硬度计对工件的硬度进行检测，里氏硬度计测试值上传给控制系统下位机的MCU中；MCU根据读取到的材料硬度值，并结合带锯床行业推荐的金属材料锯切速度和进给量表，确定锯条锯切速度；控制系统实施锯切的工进工序时，锯切工进过程中控制系统实时读取测距传感器的位置测量值，根据用户选定的横截面类型和参数计算出测距传感器检测的锯架位置与工件横截面、即锯切工件宽度的关系表，并参照带锯床行业推荐的金属材料锯切速度和进给量表建立锯架位置、锯架进给量函数，得到锯架进给速度值，实施变进给速度锯架进给的前馈控制；控制系统实时读取压力传感器上传的锯切压力值，与给定的锯切力比较，实施恒锯切力的闭环反馈进给控制，达到前馈、反馈的锯架进给复合控制目的；在锯架工进工序中，针对切入工进、切出工进的子过程，锯条的锯齿容易发生打齿、磨损的特殊工况，在切入工进和切出工进时，控制系统屏蔽恒锯切力反馈进给控制的输出，使锯条的锯切速度减半、进行低进给速度的开环控制；在工件锯切完成时，根据锯架快速上升复位的工艺要求，并避免锯条与锯断面之间的摩擦造成磨损，执行锯架快速上升复位前，锯切料后退一小距离后，锯架快速上升复位；

所述的前馈、反馈的复合控制方法为：压力传感器上传油缸油压值至下位机MCU，与给定的锯切力比较后、调节比例流量阀的阀口开度、实现对油缸油压值的调节，即实施恒锯切力的闭环反馈进给控制；锯架的给定进给速度由两部分组成，前馈控制的输出量是锯架变进给速度给定值的第一部分，进给速度给定值的第二部分为恒锯切力反馈进给控制器的输出；因此，恒锯切力变进给速度的锯架进给在前馈、反馈复合控制下进行。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

锯架进给控制的硬件平台采用上下位机分层结构，下位机基于MCU+CPLD的多机协同架构；分层协同体系使实时/非实时任务能在各处理单元间合理分配，硬逻辑门电路则提升了系统的可靠性。进给速度随锯切宽度而变的前馈控制，大大缓解了锯切宽度突变产生的干扰，提高了锯切工件品质和锯床工效、降低了锯条消耗量；压力传感器上传油缸油压值，实施恒锯切力的闭环反馈进给控制；锯床锯切采用的前馈+反馈复合控制方案简洁有效。量身定制的切入工进、切出工进和锯架快速上升复位的控制策略，使锯架进给控制系统的解决方案更完善。

附图说明

图1是恒锯切力变进给速度的锯架进给系统结构图；

图2是恒锯切力变进给速度的锯架进给液压系统图；

图3是卧式金属带锯床水平方向的辅助锯切工艺流程图；

图4是卧式金属带锯床垂直方向的主锯切工艺流程图；

图5是双金属锯条锯齿的斜向分齿示意图；

图6是里氏硬度计结构原理图；

图7是锯架进给控制系统的硬件结构框图；

图8是下位机控制系统的硬件结构框图；

图9是工件横截面类型和参数选择的界面图；

图10是锯架进给的控制系统原理框图；

图11是锯架（条）位置与圆形工件宽度的关系示意图；

图12是卧式金属带锯床的锯切控制流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，恒锯切力变进给速度的锯架进给系统包括锯架、液压系统、控制系统；锯架包括主从动轮1、测距传感器2、锯条3、工件检测杆4、里氏硬度计5、导向滑轨6、行程开关7、锯架固定架25、主动轮驱动变频电机21、从动轮张紧油缸22和用于送料长度检测的光栅尺23；在锯架固定架25上设有主从动轮1、测距传感器2、里氏硬度计5、导向滑轨6、主动轮驱动变频电机21和从动轮张紧油缸22，锯条3与主从动轮1相连，主动轮与主动轮驱动变频电机21相连、从动轮与从动轮张紧油缸22相连；工件检测杆4与导向滑轨6配合安装；行程开关7安装在导向滑轨6的表面；里氏硬度计5固定安装在工件检测杆4的下端处，里氏硬度计5下端面与工件检测杆4下端面平行且上移间距为1mm，光栅尺23安装在送料支架（图中未标注）上；液压系统包括油缸12、压力传感器13、顺序阀14、电磁换向阀15、比例流量阀16、单向阀17、油泵18、过滤器19和油箱20；油缸12的有杆腔口与电磁换向阀15的A口相连，油缸12的无杆腔口分别与顺序阀14输入口、压力传感器13相连，顺序阀14的输出口与电磁换向阀15的B口相连，单向阀17的输入口与油泵18的输出口相连、单向阀17的输出口与电磁换向阀15的P口相连，比例流量阀16的输入口与电磁换向阀15的T口相连、输入口与油箱20相连，油箱20通过过滤器19连接到油泵18的输入口；控制系统采用上下位机的分层硬件结构，两者通过RS232接口进行信息交互：下位机控制系统包括相连接的MCU和CPLD，MCU分别与上位机触摸液晶屏、里氏硬度计5、测距传感器2、压力传感器13、主动轮驱动变频电机21的变频器相连，CPLD通过光电耦合器分别与顺序阀14、电磁换向阀15、单向阀17、油泵18、光栅尺23和行程开关7相连，CPLD通过数模转换器和比例阀放大器与比例流量阀16相连。此外，与锯架进给系统有关的锯床部件有：双立柱8、固定加工工件的前虎钳9、送料后虎钳10（在前虎钳背面，图中未显示）、锯床固定座11、以及加工工件24。里氏硬度计采用武汉格莱莫检测设备有限公司的里氏硬度计AR936；比例流量阀是德国HAWE公司的SEH2-3/36F-P-G24型二通比例流量阀，带先导式测流孔，最大流量24L/min；行程开关使用施耐德公司的XCKP-2110G11型行程开关；压力传感器采用瑞士富巴公司的511OEM压力变送器，光栅尺采用广东万濠精密仪器股份有限公司的WTB5-0600MM。

锯架通过双立柱安装在锯床上、沿立柱作垂直方向的上下移动，双立柱在锯架运动中起导向作用；油缸杆与锯架相连，提供锯架垂直方向运动的驱动力；主从动轮安装在锯架上，锯条通过外环绕方式连接主从动轮，通过调节从动轮张紧油缸的压力调整从动轮与锯条之间的间隙，从而调节锯条和主从动轮之间的摩擦力；主动轮驱动变频电机为主动轮提供动力，借助锯条与主从动轮间的摩擦力，实现锯条的水平锯切。检测锯条锯切深度（锯架位置）的测距传感器固定安装在锯架上，随锯架一起上升或下降；导向滑轨固定安装在锯架上，工件检测杆与导向滑轨配合安装，导向滑轨对工件检测杆的滑动提供导向。行程开关安装在导向滑轨的表面，工件检测杆的上端面紧压着行程开关的推杆，即行程开关的推杆处在压紧状态。里氏硬度计固定安装在工件检测杆的下端处，其下端面与工件检测杆下端面平行且上移间距1mm贴合；工件检测杆触及工件时，里氏硬度计的下端面也恰与工件相距1mm，保证了硬度计的检测精度。光栅尺安装在送料支架（图中未标注）上，检测后虎钳送料或退料位置。

锯架进给液压系统的工作原理如下：当电磁换向阀的线圈YA1得电时，电磁换向阀工作在左位，液压油在油泵的驱动下经过单向阀、比例流量阀和电磁换向阀的P、B口到达油缸的无杆腔；同时有杆腔的油在油缸的活塞挤压下经过电磁换向阀的A、T口流向油箱中，在无杆腔油压的作用下，液压杆推动锯架上升；通过调节比例流量阀的阀口大小、改变从油缸流向油缸无杆腔的液压油流量大小，实现锯架上升速度的调整。当电磁换向阀的线圈YA2得电时，电磁换向阀工作在右位，活塞杆在有杆腔油压的作用下驱动锯架下降，改变比例流量阀的阀口大小可控制锯架下降速度；顺序阀起平衡阀作用，防止因锯架本身的自重引起下降。

如图3、4所示，在控制系统的上位机触摸液晶屏上预设有多种工件横截面类型和参数，根据锯切工件的横截面形状在触摸液晶屏上进行选择和参数设定，或建立自定义的工件横截面类型和参数，输入表征工件横截面形状的相关参数，输入其它锯切工艺参数--如锯切力、锯切工件长度等；按下启动按键、进入锯床的自动锯切流程，锯切流程按运动方向可分为：水平方向的辅助锯切流程和垂直方向的主锯切流程。水平方向的辅助锯切流程涉及的工序有：后虎钳按照设定的锯切工件长度送料前进，前虎钳夹紧后虎钳松开、后虎钳后退一个工件长度、前后虎钳同时夹紧。垂直方向的主锯切流程涉及的工序有：锯架在油缸的驱动下快速下降；切入工进、锯切工进和切出工进；垂直方向的锯切完成后，再次进入辅助锯切工艺流程的另一工序--锯切料后退一小距离，然后锯架在油缸的驱动下快速上升复位；最后，前虎钳松开、开始下一个工作循环。

恒锯切力变进给速度的锯架进给方法为：锯切开始，控制系统控制锯架快速下降，工件检测杆4检测到工件后，控制系统驱动里氏硬度计5对工件的硬度进行检测，里氏硬度计5测试值上传给控制系统下位机的MCU中；MCU根据读取到的材料硬度值，并结合带锯床行业推荐的金属材料锯切速度和进给量表，确定锯条锯切速度；控制系统实施锯切的工进工序时，锯切工进过程中控制系统实时读取测距传感器2的位置测量值，根据用户选定的横截面类型和参数计算出测距传感器2检测的锯架位置与工件横截面、即锯切工件宽度的关系表，并参照带锯床行业推荐的金属材料锯切速度和进给量表建立锯架位置、锯架进给量函数，得到锯架进给速度值，调节比例流量阀16的阀口开度，实施变进给速度锯架进给的前馈控制；控制系统实时读取压力传感器上传的锯切压力值，与给定的锯切力比较，再次调节比例流量阀16的阀口开度，实施恒锯切力的闭环反馈进给控制，达到前馈、反馈的锯架进给复合控制目的；在锯架工进工序中，针对切入工进、切出工进的子过程，锯条的锯齿容易发生打齿、磨损的特殊工况，在切入工进和切出工进时，控制系统屏蔽恒锯切力反馈进给控制的输出，使锯条的锯切速度减半、进行低进给速度的开环控制；在工件锯切完成时，根据锯架快速上升复位的工艺要求，并避免锯条与锯断面之间的摩擦造成磨损，执行锯架快速上升复位前，锯切料后退一小距离后，锯架快速上升复位；

如图5所示，双金属带锯条锯齿经分齿后按一定的规律左右倾斜排列；最常见的是斜向分齿模式：三个齿一组构成一个完整的切槽刀头，一齿左斜、一齿右斜、正齿位于中间。锯切完毕后，锯切料横截面的表面较粗糙；在锯架的快速上升复位回程前，先使后虎钳夹紧工件后退1mm，消除锯架快速上升回程中锯条的斜向分齿与锯切料横截面的剧烈摩擦，提高了锯条的使用寿命。必须指出，前述主锯切工艺流程所涉及的工件锯切进给工序（简称工进）可细分成切入工进、锯切工进和切出工进3个子工序，锯条切入和切出时的工况有其特殊性--锯齿与工件的接触是不完全的，从点接触过渡到充分接触（切齿数大于3~4）或反之；根据锯切理论，切入和切出时的锯齿尤其是齿尖所受的冲击力往往过大、且呈现不可预测的随机性，造成打齿、锯条磨损；因此，正确的控制策略是：锯条切入和切出时，酌情降低锯条的锯切速度，同时将恒锯切力的闭环反馈进给控制切換至低进给速度的开环控制。

如图6所示，里氏硬度计的检测原理是用具有一定质量的冲击体在规定试验力作用下冲击试样表面，测量冲击体距试样表面1mm处的冲击速度与回跳速度，利用电磁原理检测与速度成正比的电压。里氏硬度值以冲击体回跳速度与冲击速度之比来表征。AR936型里氏硬度计由USB数据线5-1、释放按钮5-2、加载套5-3、导管5-4、冲击总成5-5（冲击总成包括线圈、冲击体、支撑环）构成。里氏硬度计测试过程：里氏硬度计安装在工件检测杆下端面平行且上移1mm处，里氏硬度计的支撑环贴合在工件的表面上，在机台稳定后，按释放按钮启动里氏硬度计测量即可，测试完毕后，里氏硬度计通过USB数据线将测试结果上传给控制系统。

如图7所示，卧式金属带锯床锯架进给的控制系统硬件采用上下位机分层结构，两者通过RS232接口进行信息交互。上位机是配置触摸屏的嵌入式系统，用户通过上位机触摸液晶屏设定锯床运行参数，设置锯切工件有关横截面的宽度等运行参数，下发运行控制命令和运行参数；上位机同时负责显示、存储下位机上传的各种信息，如当前锯切速度、加工尺寸，加工数量等。下位机控制器接收上位机发送的命令、参数等信息，控制和管理锯床的锯切工艺流程，上传实时的锯切工况参数。

如图8所示，下位机控制器硬件基于MCU+CPLD的多机协同架构：MCULPC2368是一款以ARM7TDMI-S为内核的微控制系统，CPLD选用ALTERA公司MAXII系列的EPM1270T144C5N--内含1270个逻辑单元（LE）、等价于980宏单元、最大用户可用I/O 212。MCU负责与上位机的信息交互、获取用户设置的运行参数和命令，读取压力、测距等传感器采集的信息；负责数据处理和运行状态的管理、协调锯床锯切过程的控制；将控制命令下传给CPLD、读取CPLD的实时运行状态、开关量输入状态等信息；并将当前锯切速度、加工尺寸等信息上传给上位机显示和存储；总之，MCU主要承担非实时性任务，而实时控制工作则分配给CPLD完成。MCU通过自带的USB接口与里氏硬度计相连，读取里氏硬度计测量值；经RS485接口与交流变频器连接，设置交流变频器的输出频率控制锯条的锯切速度；借助数模转换接口读取压力传感器采集的油缸油压值；接收测距传感器的测距值、参照给定的工件横截面类型和参数、计算出锯条锯切工件时的实际锯切宽度（注：锯切宽度是测距值的函数），“实际锯切宽度”（测距值）结合里氏硬度计提供的硬度值、最终“确定进给速度”，通过数模转换器、比例放大器连接比例流量阀，根据“确定进给速度”改变比例流量阀的流量来调整锯架的进给速度，实施“基于工件硬度和实际锯切宽度”的锯架进给速度的前馈控制。同时，下位机获取压力传感器上传的油缸油压值，实施恒锯切力的闭环反馈进给控制；因此，锯床锯切采用的是前馈+反馈的复合控制方案。交流变频器采用台达VFD037M43A型交流变频器，比例放大器选用北京华德液压工业集团有限责任公司的VT-2000型放大器。MCU外扩一片EEPROM，存储常用材料硬度值、横截面宽度与锯架进给速度关系的系数表；实时控制主要由CPLD执行，它的引脚通过光耦与外设相连，读取光栅尺和输入开关量信号，输出开关信号通过场效应管驱动电磁阀或交流接触器，通过模数转化器经比例阀放大器控制比例流量阀驱动锯架（条）按一定的速度进给。ARM与CPLD通过SPI接口进行通信，ARM的引脚60~63分别与EPM1270T144C5N的引脚87~83相连。

如图9所示，上位机触摸液晶屏上预设多种工件横截面类型和参数选择的界面图；操作员在锯切开始前选择好工件的横截面类型、输入相关参数，下位机MCU根据所选的工件横截面类型及相关参数，调用相应的计算公式，计算测距传感器检测的锯架（条）位置与工件横截面--锯切工件宽度的关系表；或建立用户自定义的工件横截面类型，并计算测距传感器检测的锯架（条）位置与工件横截面--锯切工件宽度的关系表，存储计算结果；在下位机EEPROM中存储如表1所示的锯切行业推荐的常用金属材料锯切速度和进给量表。锯架（条）的锯切速度和进给速度主要由工件锯切宽度和工件材料（硬度）决定。参照表1，相同材料，其进给量与锯切宽度近似成一次线性关系：V_f＝kl+b。在实际使用中，首先在触摸液晶屏上给出锯切工件的横截面类型及相关参数；下位机根据里氏硬度计所测工件硬度值，确定锯架（条）的锯切速度；依据锯架位置与锯切工件宽度的关系表、再结合表1和工件硬度值，建立锯架位置（锯切宽度）进给量表，作为实施变进给速度前馈控制的依据。

表1常用金属材料锯切速度和进给量表

如图10所示，恒锯切力变进给速度的锯架进给控制系统采用的是前馈+反馈的复合控制。前馈控制的输出变量是锯架（条）变进给速度的给定值第一部分，给定值第一部分取决于工件硬度值，以及锯切时工件的宽度变量值；锯架（条）变进给速度给定值的第二部分为恒锯切力反馈进给控制器的输出；上述“给定值第一部分”与“给定值的第二部分”之和用于改变比例流量阀的流量、调节锯架的进给速度；工件的锯切宽度存在突变的可能性和必要性，“锯架（条）变进给速度的给定值第一部分”实时反映了锯切时工件的宽度变化。因此，一方面，前馈控制及时有效地克服了锯切宽度突变所产生的锯切力突变的负面影响，是保证恒锯切力最佳锯切工艺的重要技术支撑；另一方面，变进给速度随锯切宽度而变，更是提高锯床工效和锯切工件品质、降低锯条消耗量的有力举措。本发明在驱动油缸的无杆腔油路中安装压力传感器，定义进给过程的锯切力为反馈变量、实现恒锯切力的反馈进给控制。工件锯切进给工序由切入、锯切和切出工进3个子工序组成；虽然切入工进和切出工进只占整个工进工序时间的极小一部分，但因其固有的特殊性，采取与锯切子工序不同的控制策略--屏蔽恒锯切力反馈进给控制的输出，锯条的锯切速度减半、进行低进给速度的开环控制。

如图11所示，变进给速度的进给算法以圆形横截面工件为例。首先，测出在待机状态下测距传感器与锯床工作台面的距离D1，锯条锯齿沿与锯床工作台面距离为D2，工件检测杆下边沿与锯床工作台面距离为D3，这些作为系统参数预先存入到非易失性存储器中。其次，测距传感器在锯切过程中实时测得测距传感器与锯床工作台面距离设为d。第三，工件检测杆下端面与工件接触后，行程开关的推杆与工件检测杆的上边脱离后，控制系统即停止锯架下降，记录此时测距传感器与锯床工作台面距离，设为D4；工件的高度为H=D4-(D1-D2)-(D2-D3)。第四，当d>H+(D1-D2)时，锯架处于非锯切位置；当d＝H+(D1-D2)时，锯架处于锯切初始位置；d<H+(D1-D2)时，锯架处于锯切位置；d＝D1-D2，锯架处于锯切结束位置。在锯架（条）锯切过程中进给深度为：

h=H-(d-(D1-D2))    （1）

当前锯切宽度

$l=2\sqrt{{(H/2)}^2-{(H/2-h)}^2}=2\sqrt{{(H/2)}^2-{(d-D_1+D_2-H/2)}^2}---\left(2\right)$

对应的锯架进给速度为

$V_f=\mathrm{kl}+b=2k\sqrt{{(H/2)}^2-{(d-D_1+D_2-H/2)}^2}+b---\left(3\right)$

下位机的MCU实时从测距传感器中获取当前位置，代入到公式（3）中，即可求出当前进给速度值，通过数模转换器和比例放大器控制比例流量阀进入驱动油缸中液压油的流量调整锯架（条）的进给速度。必须指出，生产中大多事先计算进给深度（测距值）的锯切宽度值、保存计算结果，生成进给深度--进给速度表；控制时根据测距传感器的检测值，查表直接得到进给速度；对于同规格锯切料的批量生产，这种省略计算的直接查表法优势尤为明显。

如图12所示，按时间先后顺序、卧式金属带锯床锯切的控制流程包括如下主要功能模块：初始化--下载表1，输入工件的横截面类型和参数，生成锯条位置与工件宽度的关系表。读里氏硬度计检测值，确定锯条的锯切速度。后虎钳按照设定的锯切工件长度送料前进，前虎钳夹紧后虎钳松开、后虎钳后退一个工件长度、前后虎钳同时夹紧。锯架快速下降，读取测距传感器检测的锯架位置。设锯齿高度为h_j，当H+(D1-D2)-h_j<d<H+(D1-D2)时、即切入工进模式，锯条的锯切速度减半、进行低进给速度的开环控制；当D1-D2-h_j<d<D1-D2时、即切出工进模式，锯条的锯切速度减半、进行低进给速度的开环控制；当D1-D2<d<H+(D1-D2)-h_j时、即锯切工进模式，进行恒锯切力变进给速度的前馈+反馈复合控制；当d=D1-D2-h_j时、即锯切完成模式，转入下一工序。锯切料后退一小距离，然后锯架快速上升复位；最后，前虎钳松开、开始下一个工作循环。

Claims (3)

1.一种恒锯切力变进给速度的锯架进给系统，其特征在于系统包括锯架、液压系统、控制系统；锯架包括主从动轮（1）、测距传感器（2）、锯条（3）、工件检测杆（4）、里氏硬度计（5）、导向滑轨（6）、行程开关（7）、锯架固定架（25）、主动轮驱动变频电机（21）、从动轮张紧油缸（22）和用于送料长度检测的光栅尺（23）；在锯架固定架（25）上设有主从动轮（1）、测距传感器（2）、里氏硬度计（5）、导向滑轨（6）、主动轮驱动变频电机（21）和从动轮张紧油缸（22），锯条（3）与主从动轮（1）相连，主动轮与主动轮驱动变频电机（21）相连、从动轮与从动轮张紧油缸（22）相连；工件检测杆（4）与导向滑轨（6）配合安装；行程开关（7）安装在导向滑轨（6）的表面；里氏硬度计（5）固定安装在工件检测杆（4）的下端处，里氏硬度计（5）下端面与工件检测杆（4）下端面平行且上移间距为1mm，光栅尺（23）安装在送料支架上；液压系统包括油缸（12）、压力传感器（13）、顺序阀（14）、电磁换向阀（15）、比例流量阀（16）、单向阀（17）、油泵（18）、过滤器（19）和油箱（20）；油缸（12）的有杆腔口与电磁换向阀（15）的A口相连，油缸（12）的无杆腔口分别与顺序阀（14）输入口、压力传感器（13）相连，顺序阀（14）的输出口与电磁换向阀（15）的B口相连，单向阀（17）的输入口与油泵（18）的输出口相连、单向阀（17）的输出口与电磁换向阀（15）的P口相连，比例流量阀（16）的输入口与电磁换向阀（15）的T口相连、输出口与油箱（20）相连，油箱（20）通过过滤器（19）连接到油泵（18）的输入口；控制系统采用上下位机的分层硬件结构，两者通过RS232接口进行信息交互：下位机控制系统包括相连接的MCU和CPLD，MCU分别与上位机触摸液晶屏、里氏硬度计（5）、测距传感器（2）、压力传感器（13）、主动轮驱动变频电机（21）的变频器相连，CPLD通过光电耦合器分别与顺序阀（14）、电磁换向阀（15）、单向阀（17）、油泵（18）、光栅尺（23）和行程开关（7）相连，CPLD通过数模转换器和比例阀放大器与比例流量阀（16）相连。

2.一种使用如权利要求1所述系统的恒锯切力变进给速度的锯架进给方法，其特征在于：在控制系统的上位机触摸液晶屏上预设有多种工件横截面类型和参数，根据锯切工件的横截面形状在触摸液晶屏上进行选择和参数设定，或建立自定义的工件横截面类型和参数；锯切开始，控制系统控制锯架快速下降，工件检测杆（4）检测到工件后，控制系统驱动里氏硬度计（5）对工件的硬度进行检测，里氏硬度计（5）测试值上传给控制系统下位机的MCU中； MCU根据读取到的材料硬度值，并结合带锯床行业推荐的金属材料锯切速度和进给量表，确定锯条锯切速度；控制系统实施锯切的工进工序时，锯切工进过程中控制系统实时读取测距传感器（2）的位置测量值，根据用户选定的横截面类型和参数计算出测距传感器（2）检测的锯架位置与工件横截面、即锯切工件宽度的关系表，并参照带锯床行业推荐的金属材料锯切速度和进给量表建立锯架位置、锯架进给量函数，得到锯架进给速度值，实施变进给速度锯架进给的前馈控制；控制系统实时读取压力传感器上传的锯切压力值，与给定的锯切力比较，实施恒锯切力的闭环反馈进给控制，达到前馈、反馈的锯架进给复合控制目的；在锯架工进工序中，针对切入工进、切出工进的子过程，锯条的锯齿容易发生打齿、磨损的特殊工况，在切入工进和切出工进时，控制系统屏蔽恒锯切力反馈进给控制的输出，使锯条的锯切速度减半、进行低进给速度的开环控制；在工件锯切完成时，根据锯架快速上升复位的工艺要求，并避免锯条与锯断面之间的摩擦造成磨损，执行锯架快速上升复位前，锯切料后退一小距离后，锯架快速上升复位。

3.根据权利要求2所述的一种恒锯切力变进给速度的锯架进给方法，其特征在于所述的前馈、反馈的复合控制方法为：压力传感器（13）上传油缸（12）油压值至下位机MCU，与给定的锯切力比较后、调节比例流量阀（16）的阀口开度、实现对油缸（12）油压值的调节，即实施恒锯切力的闭环反馈进给控制；锯架的给定进给速度由两部分组成，前馈控制的输出量是锯架变进给速度给定值的第一部分，进给速度给定值的第二部分为恒锯切力反馈进给控制器的输出；因此，恒锯切力变进给速度的锯架进给在前馈、反馈复合控制下进行。

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