CN104842001A - 一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统，包括刀具间隙采集装置、PLC自动化检测控制平台和刀具间隙自动调整装置；刀具间隙采集装置包括至少两个平行设置的电涡流传感器和信号采集处理电路，电涡流传感器用于检测上剪切刀刀口和下剪切刀间的刀具间隙信号；信号采集处理电路用于采集刀具间隙信号并传送给PLC自动化检测控制平台；PLC自动化检测控制平台包括自动化平台和触摸屏，自动化平台用于接收、转换、计算处理刀具间隙信号并发出指令给刀具间隙自动调整装置执行相应控制策略。本发明检测调整系统通过采用开环和闭环相结合的控制方法来自动调整刀具间隙，提高了实时性和准确性，使调整过程快速、自动化程度高。

Description

一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统

技术领域

本发明属于剪板机智能控制系统领域，尤其涉及一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统。

背景技术

在使用金属板材较多的工业部门，都需要根据尺寸要求对板材进行切断加工，大量的大型横梁和钢结构关键零件，需要对厚度10mm以上、宽度十米以上的宽厚板料进行精密剪切，因此剪板机是各工业部门使用最为广泛的板料剪切设备。与小中型的剪板机相比，宽厚板料的剪切工艺、运动状态检测与控制、刀具边缘剪切力和剪切刀具性能等方面区别很大，其中自动检测与控制技术尤为关键。

剪板机的工艺用途是剪切各种长度的板料。一般剪板机影响剪切质量的因素有很多。其中，剪切刀刀具间隙是影响剪切质量的主要因素之一。在工业中，剪切刀刀具间隙是需经常调整，以适应被剪板料厚度及材质的变化。剪板机剪切刀间的间隙，不仅直接影响着被剪板料的断口质量，还严重影响着刀具及整机的使用寿命。间隙合适，被剪板料能得到良好的断口质量，剪切力也相对减小，有益于延长刀具及整机的使用寿命；而间隙太小，将加剧刀具磨损；间隙太大，会使板料撕裂。

目前与剪切刀刀具间隙调整相关的产品及专利主要有：江苏中威重工机械有限公司生产板宽12.5m、板厚20mm的Q11Y/K-20×12500型数控闸式剪板机，其刀具间隙调整方法简单，采用电位器模拟检测间隙值，异步电机及减速箱带动偏心轴转动调节间隙，间隙检测误差大，控制的稳定性和准确性低；一种数控液压闸式剪板机(专利申请号201110125120.0)通过与CNC数控系统与刀具间隙调整装置相连接，虽然刀具间隙的自动调整，在一定程度上排除了人工调整产生的较大误差，但是对于刀具间隙的检测是通过电机转动的圈数或角度以及初始设定的值反向求出刀具间隙并非直接检测刀具间隙，这种方法使得刀具间隙检测误差大，而且整个系统处于开环控制的状态，因此对调整前初始时刀具间隙值和调整后的刀具间隙是否达到要求不能够确定，对于电机的调节亦无法保证准确性

综上所述，现阶段超大型剪板机剪切刀刀具间隙调整技术，虽然有了一定程度的自动化，但是对于间隙检测和间隙调整的准确性、稳定性和快速性依旧不够，使得调整后刀具间隙值误差较大，调整时间长，影响了板料剪切的质量和生产效率，因此研发自动化的剪切刀刀具间隙的自动调整系统及方法非常必要。

发明内容

针对现有技术中超大型剪板机剪切刀刀具间隙检测存在方法简单、误差大、调整稳定性差、时间长等不足，本发明提供了一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统，包括刀具间隙采集装置、PLC自动化检测控制平台和刀具间隙自动调整装置；

所述刀具间隙采集装置包括至少两个平行设置的电涡流传感器和信号采集处理电路，所述电涡流传感器连接信号采集处理电路，所述信号采集处理电路连接PLC自动化检测控制平台；所述PLC自动化检测控制平台连接刀具间隙自动调整装置；

所述电涡流传感器用于检测上剪切刀刀口和下剪切刀相互平行时的刀具间隙信号；所述信号采集处理电路用于采集电涡流传感器检测到的刀具间隙信号并传送给PLC自动化检测控制平台；

所述PLC自动化检测控制平台包括自动化平台和触摸屏，所述自动化平台用于接收、转换、计算处理信号采集处理电路传送的刀具间隙信号，选择相应模式发出指令给刀具间隙自动调整装置；所述触摸屏用于显示刀具间隙值和设定给定的刀具间隙参数；

所述刀具间隙自动调整装置包括依次连接的伺服电机、伺服电机驱动器和减速箱，所述减速箱连接剪板机的偏心轴，所述刀具间隙自动调整装置用于接受自动化平台发出的指令，执行相应的控制策略。

进一步的，所述电涡流传感器数量为两个，分别水平固定于下剪切刀左右两端的内部，且电涡流传感器的探头平行于下剪切刀的刀面。

进一步的，所述电涡流传感器均位于剪切刀左右两端的内部中间位置。

进一步的，所述信号采集处理电路和PLC自动化检测控制平台均固定安装在剪板机侧面的控制柜内。

进一步的，所述自动化平台为欧姆龙NJ系列的Sysmac Studio自动化平台。

一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整方法，包括下列步骤：

步骤1：依据板料厚度在PLC自动化检测控制平台中的触摸屏上输入所需对应的刀具间隙值δ；

步骤2：将上剪切刀和下剪切刀调整至相互平行，随后将上剪切刀的刀口下降至与下剪切刀的电涡流传感器平行的位置；

步骤3：电涡流传感器将检测到的上剪切刀和下剪切刀的刀具间隙信号通过信号采集处理电路传递给PLC自动化检测控制平台中的Sysmac Studio自动化平台；

步骤4：所述Sysmac Studio自动化平台经分析、处理后获得刀具间隙δ₁，并计算间隙差值Δδ＝δ-δ₁，其中，δ₁为左右两端的电涡流传感器检测值的平均值；随后，与△1、△2相比，其中△1为30％的板料厚度，△2为10％的板料厚度，调用相应模式发出指令给刀具间隙自动调整装置，所述刀具间隙自动调整装置中的伺服电机、伺服电机驱动器通过减速箱和偏心轴传动，直接驱动上刀架移动，达到调整刀具间隙的目的。

进一步的，步骤4中所述模式为：

若|Δδ|＞△1，则采用开环控制方法调节刀具间隙；若调节后△2＜|Δδ|≤△1，继续采用闭环控制方法调节刀具间隙至|Δδ|≤△2；若调节后满足|Δδ|≤△2，则刀具间隙调节结束；

若△2＜|Δδ|≤△1，则直接采用闭环控制方法调节刀具间隙；

若|Δδ|≤△2，则维持现有刀具间隙。

进一步的，所述开环控制方法为：

(1)PLC自动化检测控制平台首先判断所需调整的间隙差值为正值还是负值，若为正值则控制伺服电机正转使得刀具间隙增大，若为负值则控制伺服电机反转使得刀具间隙减小；

(2)由刀具间隙δ和偏心轴转动角度θ之间的关系式计算出当△2＜|Δδ|≤△1时，偏心轴所要转动的角度大小Δθ；其中L₁为上刀架架顶到偏心轴的距离，L为上刀架架顶到上剪切刀刀口的距离，e为偏心轴的偏心距；

PLC自动化检测控制平台根据减速箱的传动比i和偏心轴转动的角度Δθ关系式计算出伺服电机所需转动的圈数n，从而控制刀具间隙的具体大小，使得当|Δδ|＞△1时，完成开环调整过程。

进一步的，所述闭环控制方法为模糊PID控制算法，即由Δδ＝δ-δ₁得出刀具间隙的偏差e(k)＝δ-δ₁(k)和刀具间隙的变化率ec(k)＝e(k)-e(k-1)，令e(k-1)＝e(k)将e(k)，ec(k)模糊化，对应语言变量E、EC；查询相应的模糊控制表，根据模糊控制原理对PID控制的参数进行修改和确定，计算求出当前PID参数Kp、Ki、Kd；由PID控制器输出信号，驱动伺服电机驱动器，若为正值则控制伺服电机正转，若为负值则控制伺服电机反转以满足|Δδ|≤△2，完成闭环调整过程。

本发明的有益效果：

本发明所述的超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统，通过非接触式测距和左右两端平均的方法获得上下剪切刀刀具间隙值，同时可以通过触摸屏直接观察间隙值，检测快速准确，效率高；通过采用开环和闭环相结合的控制方法来自动调整刀具间隙，提高刀具间隙调整的实时性和准确性，调整快速自动化程度高。

附图说明

图1为本发明的超大型剪板机剪切刀刀具间隙的自动检测调整系统的组成结构示意图。

图2为本发明的超大型剪板机剪切刀刀具间隙的自动检测调整系统的机械结构示意图。

图3为本发明超大型剪板机剪切刀刀具间隙的自动检测调整系统调节方法流程图。

图4为本发明超大型剪板机剪切刀刀具间隙的自动检测调整系统闭环PID控制的流程图。

附图标记说明如下：

1-上刀架，2-偏心轴，3-上剪切刀，4-下剪切刀，5-电涡流传感器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统包括刀具间隙采集装置、PLC自动化检测控制平台和刀具间隙自动调整装置；

所述刀具间隙采集装置包括左右两端两个平行放置的电涡流传感器5和信号采集处理电路，两个电涡流传感器5分别水平固定于下剪切刀4两端的内部中间位置，且电涡流传感器5的探头平行于下剪切刀4的刀面，目的在于防止因剪切刀片过长而造成单检测一端的间隙精确度不够；电涡流传感器5与信号采集处理电路相连，信号采集处理电路连接PLC自动化检测控制平台，PLC自动化检测控制平台连接刀具间隙自动调整装置。

其中，电涡流传感器5用于检测上剪切刀3刀口和下剪切刀4相互平行时的刀具间隙信号；信号采集处理电路用于采集电涡流传感器5检测到的刀具间隙信号并传送给PLC自动化检测控制平台；PLC自动化检测控制平台包括欧姆龙NJ系列的Sysmac Studio自动化平台和触摸屏，Sysmac Studio自动化平台是集运动、逻辑、视觉控制为一体的自动控制平台，该平台具有功能的开放性，利用一体化软件平台Sysmac Studio进行软件开发，编程实现对超大型剪板机的剪切刀刀具间隙的物理量检测，以及控制调整刀具间隙的电机的自动控制；SysmacStudio自动化平台用于接收、转换、计算处理信号采集处理电路传送的刀具间隙信号，选择相应模式发出指令给刀具间隙自动调整装置；Sysmac自动化平台外接触摸屏，用于显示刀具间隙值和给定设定的刀具间隙参数。所述信号采集处理电路和PLC自动化检测控制平台均固定安装在剪板机侧面的控制柜内。

如图2所示，所述刀具间隙自动调整装置包括依次连接的伺服电机、伺服电机驱动器和减速箱，减速箱与偏心轴2直接相连，固定在剪板机侧面，电机的转动带动偏心轴2转动；偏心轴2挤压上剪切刀架的外框架，通过控制间隙调整伺服电机及其驱动器，带动减速箱和偏心轴2传动，直接驱动上刀架1移动，达到调整刀具间隙的目的；所述刀具间隙自动调整装置用于接受自动化平台发出的指令，执行相应的控制策略。

通过两端的电涡流传感器5显示的数值，可以在间隙调整之前，人工调节使得上剪切刀3基本平行于下剪切刀4，此外在处理数据的时候采用两个电涡流传感器5的均值能更好的表现上下刀具间隙h的总体情况。

如图3所示，本发明所述的超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整方法：

(1)依据板料厚度在PLC自动化检测控制平台中的触摸屏上输入所需对应的刀具间隙值δ；

(2)将上剪切刀3和下剪切刀4调整至相互平行，随后将上剪切刀3的刀口下降至与下剪切刀4的电涡流传感器5平行的位置；

(3)电涡流传感器5将检测到的上剪切刀3和下剪切刀4的刀具间隙信号通过信号采集处理电路传递给PLC自动化检测控制平台中的Sysmac Studio自动化平台；

(4)所述Sysmac Studio自动化平台经分析、处理后获得刀具间隙，并计算间隙差值δ₁，其中Δδ＝δ-δ₁，δ₁为左右两端的电涡流传感器5检测值的平均值；与△1、△2相比，其中△1为30％的板料厚度，△2为10％的板料厚度，判断属于下列哪种模式：

模式1：若|Δδ|＞△1，则采用开环控制方法调节刀具间隙；若调节后△2＜|Δδ|≤△1，继续采用闭环控制方法调节刀具间隙至|Δδ|≤△2；若调节后满足|Δδ|≤△2，则刀具间隙调节结束；

模式2：若△2＜|Δδ|≤△1，则直接采用闭环控制方法调节刀具间隙；

模式3：若|Δδ|≤△2，则维持现有刀具间隙；

其中，所述开环控制方法为：

(1)PLC自动化检测控制平台首先判断所需调整的间隙差值Δδ＝δ-δ₁为正值还是负值，若为正值则控制伺服电机正转使得刀具间隙增大，若为负值则控制伺服电机反转使得刀具间隙减小；

(2)由刀具间隙δ和偏心轴2转动角度θ之间的关系式计算出当△2＜|Δδ|≤△1时，偏心轴2所要转动的角度大小Δθ；其中L₁为上刀架1架顶到偏心轴2的距离，L为上刀架1架顶到上剪切刀3刀口的距离，e为偏心轴2的偏心距；

PLC自动化检测控制平台根据减速箱的传动比i和偏心轴2转动的角度Δθ关系式计算出伺服电机所需转动的圈数n，从而控制刀具间隙的具体大小，使得当|Δδ|＞△1时，完成开环调整过程。

如图4所示，所述闭环控制方法为模糊PID控制算法，即由Δδ＝δ-δ₁得出刀具间隙的偏差e(k)＝δ-δ₁(k)和刀具间隙的变化率ec(k)＝e(k)-e(k-1)，将e(k)，ec(k)模糊化，对应语言变量E、EC；根据实际经验，建立合适的模糊规则表，得到Kp，Ki，Kd三参数分别整定的如下模糊控制表。

Kp控制表

Ki控制表

Kd控制表

计算求出当前PID参数Kp，Ki，Kd。将e和ec的变化范围定义为模糊集上的论域，e＝[-5，+5]，ec＝[-5,+5]，其模糊子集为E＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，EC＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。

式中：NB代表负大，NM代表负中，NS代表负小，ZO代表零，PS代表正小，PM代表正中，PB代表正大。选取高斯分布作为隶属函数分布，可得各模糊子集的隶属度，对于PID的三个参数，参数计算公式为：

Kp＝Kp₀+{Ei,ECi}p

Ki＝Ki₀+{Ei,ECi}i

Kd＝Kd₀+{Ei,ECi}d

式中：Kp0，Ki0，Kd0为PID参数的初始值，Kp，Ki，Kd为最终PID参数值。

计算求出当前PID参数Kp、Ki、Kd；由PID控制器输出信号，驱动伺服电机驱动器，若Δδ＝δ-δ₁为正值则控制伺服电机正转，若为负值则控制伺服电机反转以满足|Δδ|≤△2，完成闭环调整过程。本发明通过采用开环和闭环相结合的控制方法来自动调整刀具间隙，提高刀具间隙调整的实时性和准确性，调整快速自动化程度高。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统，其特征在于，包括刀具间隙采集装置、PLC自动化检测控制平台和刀具间隙自动调整装置；

所述刀具间隙采集装置包括至少两个平行设置的电涡流传感器(5)和信号采集处理电路，所述电涡流传感器(5)连接信号采集处理电路，所述信号采集处理电路连接PLC自动化检测控制平台；所述PLC自动化检测控制平台连接刀具间隙自动调整装置；

所述电涡流传感器(5)用于检测上剪切刀(3)刀口和下剪切刀(4)相互平行时的刀具间隙信号；所述信号采集处理电路用于采集电涡流传感器(5)检测到的刀具间隙信号并传送给PLC自动化检测控制平台；

所述PLC自动化检测控制平台包括自动化平台和触摸屏，所述自动化平台用于接收、转换、计算处理信号采集处理电路传送的刀具间隙信号，选择相应模式发出指令给刀具间隙自动调整装置；所述触摸屏用于显示刀具间隙值和设定给定的刀具间隙参数；

所述刀具间隙自动调整装置包括依次连接的伺服电机、伺服电机驱动器和减速箱，所述减速箱连接剪板机的偏心轴(2)，所述刀具间隙自动调整装置用于接受自动化平台发出的指令，执行相应的控制策略。

2.根据权利要求1所述的一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统，其特征在于，所述电涡流传感器(5)数量为两个，分别水平固定于下剪切刀(4)左右两端的内部，且电涡流传感器(5)的探头平行于下剪切刀(4)的刀面。

3.根据权利要求2所述的一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统，其特征在于，所述电涡流传感器(5)均位于下剪切刀(4)左右两端的内部中间位置。

4.根据权利要求1所述的一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统，其特征在于，所述信号采集处理电路和PLC自动化检测控制平台均固定安装在剪板机侧面的控制柜内。

5.根据权利要求1所述的一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整系统，其特征在于，所述自动化平台为欧姆龙NJ系列的Sysmac Studio自动化平台。

6.一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：依据板料厚度在PLC自动化检测控制平台中的触摸屏上输入所需对应的刀具间隙值δ；

步骤2：将上剪切刀(3)和下剪切刀(4)调整至相互平行，随后将上剪切刀(3)的刀口下降至与下剪切刀(4)的电涡流传感器(5)平行的位置；

步骤3：电涡流传感器(5)将检测到的上剪切刀(3)和下剪切刀(4)的刀具间隙信号通过信号采集处理电路传递给PLC自动化检测控制平台中的Sysmac Studio自动化平台；

步骤4：所述Sysmac Studio自动化平台经分析、处理后获得刀具间隙δ₁，并计算间隙差值Δδ＝δ-δ₁，其中，δ₁为左右两端的电涡流传感器(5)检测值的平均值；随后，与△1、△2相比，其中△1为30％的板料厚度，△2为10％的板料厚度，调用相应模式发出指令给刀具间隙自动调整装置，所述刀具间隙自动调整装置中的伺服电机、伺服电机驱动器通过减速箱和偏心轴(2)传动，直接驱动上刀架(1)移动，达到调整刀具间隙的目的。

7.根据权利要求6所述的一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整方法，其特征在于，步骤4中所述模式为：

若|Δδ|＞△1，则采用开环控制方法调节刀具间隙；若调节后△2＜|Δδ|≤△1，继续采用闭环控制方法调节刀具间隙至|Δδ|≤△2；若调节后满足|Δδ|≤△2，则刀具间隙调节结束；

若△2＜|Δδ|≤△1，则直接采用闭环控制方法调节刀具间隙；

若|Δδ|≤△2，则维持现有刀具间隙。

8.根据权利要求7所述的一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整方法，其特征在于，所述开环控制方法为：

(1)PLC自动化检测控制平台首先判断所需调整的间隙差值Δδ＝δ-δ₁为正值还是负值，若为正值则控制伺服电机正转使得刀具间隙增大，若为负值则控制伺服电机反转使得刀具间隙减小；

(2)由刀具间隙δ和偏心轴(2)转动角度θ之间的关系式计算出当△2＜|Δδ|≤△1时，偏心轴(2)所要转动的角度大小Δθ；其中L₁为上刀架(1)架顶到偏心轴(2)的距离，L为上刀架(1)架顶到上剪切刀(3)刀口的距离，e为偏心轴(2)的偏心距；

PLC自动化检测控制平台根据减速箱的传动比i和偏心轴(2)转动的角度Δθ关系式计算出伺服电机所需转动的圈数n，从而控制刀具间隙的具体大小，使得当|Δδ|＞△1时，完成开环调整过程。

9.根据权利要求7所述的一种超大型剪板机剪切刀刀具间隙自动检测调整方法，其特征在于，所述闭环控制方法为模糊PID控制算法，即由Δδ＝δ-δ₁得出刀具间隙的偏差e(k)＝δ-δ₁(k)和刀具间隙的变化率ec(k)＝e(k)-e(k-1)，令e(k-1)＝e(k)将e(k)，ec(k)模糊化，对应语言变量E、EC；查询相应的模糊控制表，根据模糊控制原理对PID控制的参数进行修改和确定，计算求出当前PID参数Kp、Ki、Kd；由PID控制器输出信号，驱动伺服电机驱动器，若Δδ＝δ-δ₁为正值则控制伺服电机正转，若为负值则控制伺服电机反转以满足|Δδ|≤△2，完成闭环调整过程。