CN112835327A - 化工管道工厂化加工系统 - Google Patents

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刘群林
黎明
韩立志
熊斌
高学利
桂军文
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Abstract

本发明涉及管道加工技术领域，具体涉及一种化工管道工厂化加工系统，利用料轴伺服电机带动送料丝杆，送入合适的成品长度后，开料夹紧模和推料夹紧模夹紧管件，切割刀旋转完成开料加工，然后由弯管取料机械手送入弯管成型装置中进行弯管成型加工，在管件弯曲之前由弯管旋转轴伺服电机带动弯管旋转夹紧模旋转需要的角度完成管件的旋转，实现化工管件三维立体弯曲。伺服电机采用三相混合式步进电机，伺服驱动控制系统由PLC输出口给定使能信号和脉冲运行信号进行控制。本发明对管道的开料、弯曲、管端成型、分料卸料等管件的加工工序进行研究并优化，实现管件的一体化数控加工或任意组合加工，加工工序较优、自动化程度高、节约劳动力。

Description

化工管道工厂化加工系统
技术领域
本发明涉及管道加工技术领域，具体涉及一种化工管道工厂化加工系统。
背景技术
化工管主要材料是超高分子量聚乙烯，超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)是由乙烯、丁二烯单体在催化剂的作用下，聚合而成的平均分子量大于200万的热塑性工程塑料。综合性能优越，耐磨损、耐低温、耐腐蚀、自身润滑、抗冲击性能在所有塑料中为最高值，耐磨性能优于聚四氟乙烯、尼龙、碳钢等材料，可长期在-269度至+80度条件下工作，被称为“令人惊异的塑料”，是一种理想的管材。主要应用在化工、染料、医药、农药、冶金、稀土、机械、电力、电子、环保、纺织、酿造、食品、给排水、石油、冶炼、造纸等行业输送腐蚀性介质。
研究一种高效的化工管道一体化数控加工方式，对管道的开料、弯曲、管端成型、分料卸料等管件的加工工序进行研究并优化，实现管件的一体化数控加工或任意组合加工，加工工序较优、自动化程度高、节约劳动力，对提高管道的加工成型质量和降低企业成本均具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种化工管道工厂化加工系统，用于实现化工管件的一体化数控加工或任意组合加工，加工工序较优、自动化程度高、节约劳动力，提高管道的加工成型质量和降低企业成本。
本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种化工管道工厂化加工系统，设有管料盘，将管件经校直与校圆机构进行校直、校圆处理，利用料轴伺服电机带动送料丝杆，送入合适的成品长度后，开料夹紧模和推料夹紧模夹紧管件，切割刀旋转完成开料加工，然后由弯管取料机械手送入弯管成型装置中进行弯管成型加工，设置弯曲轴电机驱动夹模实现管件向左或向右弯曲，在管件弯曲之前由弯管旋转轴伺服电机带动弯管旋转夹紧模旋转需要的角度完成管件的旋转，实现化工管件三维立体弯曲。
更进一步的，所述系统根据给定和反馈计算出参考轨迹，依据控制对象的数学模型确定控制输入输出形式，并建立预测模型计算预测值，然后利用上个时刻的预测误差对预测值进行反馈校正,最后依据参考轨迹和代价函数进行滚动优化得到控制量。
更进一步的，所述系统中，为避免输入输出产生剧烈变化，希望系统输出沿一条期望的轨迹，光滑地过渡到参考值，参考轨迹多取一阶指数变化的形式来计算参考轨迹，其表达式为:
yr(k+1)＝ax(k)+(1-a)xr(k)
式中，x(k)为第k个时刻的实际的反馈，xr(k)为第k个时刻的参考给定，a＝e-T/r，T为控制器的采样周期，r为参考轨迹时间常数。
更进一步的，所述系统中，所述系统的伺服电机控制包括电机轴的速度、位置控制及启停控制，其中速度及位置控制有CNC控制相应的伺服驱动器的方式实现。
更进一步的，所述系统中，开料送料、弯管送料、机械手卸料机构作直线往复运动时，送料零点、送料正限位、送料负限位包括到位与未到位两种状态，其使用一个数字输入量的高低电平状态进行控制。
更进一步的，所述系统中，根据第k个时刻的状态错误，带入预测模型，计算出第k时刻对k+1时刻的预测值yp(k+1)，为了提高系统的抗干扰能力，需对预测值yp(k+1)进行反馈校正，校正后预测值ype(k+1)表达式为:
Figure RE-GDA0002966907450000021
式中，第k个时刻预测误差无法计算，采用第k-1个时刻的预测误差e(k) 对预测值yp(k+1)进行反馈校正。
更进一步的，所述系统中，卸料机械手在卸料轴伺服电机的驱动下，从起点位置前移到管件末端加工的上方，机械手手指夹紧，将加工好的管件从弯管加工机构处取走，在平移和升降机构的配合下将加工好的三维管件摆放在分料架上,卸料机械手位置回零，完成分料卸料加工。
更进一步的，所述系统中，所述伺服电机采用三相混合式步进电机，所述伺服驱动控制系统由PLC输出口给定使能信号和脉冲运行信号进行控制。
更进一步的，所述系统设置PLC电路作为控制单元，其采用直流输入方式，使用光电隔离式进行输入信号与PLC输入寄存器的隔离，LED作为输入信号的指示，有信号输入时，输入电流不大于10mA,响应滞后时间不超过20ms 采用光电隔离结合RC滤波器，消除输入时因触点抖动和外部噪声干扰而带来的扰动。
更进一步的，所述系统采用数字技术进行位置伺服控制，伺服电机中的检测反馈以逻辑电平信号与CNC中心发出的位置信号指令进行比较，由软件来完成位置伺服驱动的调节与控制，采用脉宽调制信号以逻辑电平形式进行输出，最后驱动功率放大环节实现伺服电机的控制。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种高效的化工管道一体化数控加工方式，对管道的开料、弯曲、管端成型、分料卸料等管件的加工工序进行研究并优化，实现管件的一体化数控加工或任意组合加工，加工工序较优、自动化程度高、节约劳动力，对提高管道的加工成型质量和降低企业成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例PLC控制电路原理图；
图2是本发明实施例模型预测原理框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开如图1所示的一种化工管道工厂化加工系统，设有管料盘，将管件经校直与校圆机构进行校直、校圆处理，利用料轴伺服电机带动送料丝杆，送入合适的成品长度后，开料夹紧模和推料夹紧模夹紧管件，切割刀旋转完成开料加工，然后由弯管取料机械手送入弯管成型装置中进行弯管成型加工，设置弯曲轴电机驱动夹模实现管件向左或向右弯曲，在管件弯曲之前由弯管旋转轴伺服电机带动弯管旋转夹紧模旋转需要的角度完成管件的旋转，实现化工管件三维立体弯曲。
本实施例中，伺服电机控制包括电机轴的速度、位置控制及启停控制，其中速度及位置控制有CNC控制相应的伺服驱动器的方式实现。
本实施例中，开料送料、弯管送料、机械手卸料机构作直线往复运动时，送料零点、送料正限位、送料负限位包括到位与未到位两种状态，其使用一个数字输入量的高低电平状态进行控制。
本实施例中，卸料机械手在卸料轴伺服电机的驱动下，从起点位置前移到管件末端加工的上方，机械手手指夹紧，将加工好的管件从弯管加工机构处取走，在平移和升降机构的配合下将加工好的三维管件摆放在分料架上, 卸料机械手位置回零，完成分料卸料加工。
实施例2
本实施例公开如图1所示的一种PLC控制电路，PLC电路作为控制单元，其采用直流输入方式，使用光电隔离式进行输入信号与PLC输入寄存器的隔离，LED作为输入信号的指示，有信号输入时，输入电流不大于10mA,响应滞后时间不超过20ms采用光电隔离结合RC滤波器，消除输入时因触点抖动和外部噪声干扰而带来的扰动。
本实施例采用数字技术进行位置伺服控制，伺服电机中的检测反馈以逻辑电平信号与CNC中心发出的位置信号指令进行比较，由软件来完成位置伺服驱动的调节与控制，采用脉宽调制信号以逻辑电平形式进行输出，最后驱动功率放大环节实现伺服电机的控制。
本实施例中，伺服电机采用三相混合式步进电机，所述伺服驱动控制系统由PLC输出口给定使能信号和脉冲运行信号进行控制。
本实施例中，输入/输出单元式CNC系统现场进行数控加工机构连接的接口，软PLC的CPU处理标准电平信号。加工过程中的输入信号:按钮、接近开关、行程开关、磁性开关、现场的检测反馈的数字信号或模拟信号，需要经过转换处理才能将信号传送给CPU，CPU输出的控制信号，也必须经过转换处理，来驱动机床上的交流接触器、中间继电器、气压及液压电磁阀及伺服驱动器等执行机构，输入输出接口电路正是用来处理生产现场与处理信息间的电平不同的问题。
实施例3
本实施例公开如图2所示的一种依托系统数学模型建立预测模型来计算出下一个或多个周期的控制量的计算机控制算法。
首先根据给定和反馈计算出参考轨迹，依据控制对象的数学模型确定控制输入输出形式，并建立预测模型计算预测值，然后利用上个时刻的预测误差对预测值进行反馈校正,最后依据参考轨迹和代价函数进行滚动优化得到控制量。
更进一步的，所述系统中，为避免输入输出产生剧烈变化，希望系统输出沿一条期望的轨迹，光滑地过渡到参考值，参考轨迹多取一阶指数变化的形式来计算参考轨迹，其表达式为:
yr(k+1)＝ax(k)+(1-a)xr(k)
式中，x(k)为第k个时刻的实际的反馈，xr(k)为第k个时刻的参考给定，a＝e-T/r，T为控制器的采样周期，r为参考轨迹时间常数。
根据第k个时刻的状态错误，带入预测模型，计算出第k时刻对k+1时刻的预测值yp(k+1)，为了提高系统的抗干扰能力，需对预测值yp(k+1) 进行反馈校正，校正后预测值ype(k+1)表达式为:
Figure RE-GDA0002966907450000061
式中，第k个时刻预测误差无法计算，采用第k-1个时刻的预测误差e(k) 对预测值yp(k+1)进行反馈校正。
本实施例设计速度环控制器或电流环控制器，在线优化选择使性能指标函数最小的控制量，这样选出的控制量是最优的控制量，作用于系统能够得到最优的控制性能。
综上，本发明提供一种高效的化工管道一体化数控加工方式，对管道的开料、弯曲、管端成型、分料卸料等管件的加工工序进行研究并优化，实现管件的一体化数控加工或任意组合加工，加工工序较优、自动化程度高、节约劳动力，对提高管道的加工成型质量和降低企业成本。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种化工管道工厂化加工系统，其特征在于，设有管料盘，将管件经校直与校圆机构进行校直、校圆处理，利用料轴伺服电机带动送料丝杆，送入合适的成品长度后，开料夹紧模和推料夹紧模夹紧管件，切割刀旋转完成开料加工，然后由弯管取料机械手送入弯管成型装置中进行弯管成型加工，设置弯曲轴电机驱动夹模实现管件向左或向右弯曲，在管件弯曲之前由弯管旋转轴伺服电机带动弯管旋转夹紧模旋转需要的角度完成管件的旋转，实现化工管件三维立体弯曲。
2.根据权利要求1所述的化工管道工厂化加工系统，其特征在于，所述系统根据给定和反馈计算出参考轨迹，依据控制对象的数学模型确定控制输入输出形式，并建立预测模型计算预测值，然后利用上个时刻的预测误差对预测值进行反馈校正,最后依据参考轨迹和代价函数进行滚动优化得到控制量。
3.根据权利要求1所述的化工管道工厂化加工系统，其特征在于，所述系统中，为避免输入输出产生剧烈变化，希望系统输出沿一条期望的轨迹，光滑地过渡到参考值，参考轨迹多取一阶指数变化的形式来计算参考轨迹，其表达式为:
yr(k+1)＝ax(k)+(1-a)xr(k)
式中，x(k)为第k个时刻的实际的反馈，xr(k)为第k个时刻的参考给定，a＝e-T/r，T为控制器的采样周期，r为参考轨迹时间常数。
4.根据权利要求1所述的化工管道工厂化加工系统，其特征在于，所述系统中，所述系统的伺服电机控制包括电机轴的速度、位置控制及启停控制，其中速度及位置控制有CNC控制相应的伺服驱动器的方式实现。
5.根据权利要求1所述的化工管道工厂化加工系统，其特征在于，所述系统中，开料送料、弯管送料、机械手卸料机构作直线往复运动时，送料零点、送料正限位、送料负限位包括到位与未到位两种状态，其使用一个数字输入量的高低电平状态进行控制。
6.根据权利要求2所述的化工管道工厂化加工系统，其特征在于，所述系统中，根据第k个时刻的状态错误，带入预测模型，计算出第k时刻对k+1时刻的预测值yp(k+1)，为了提高系统的抗干扰能力，需对预测值yp(k+1)进行反馈校正，校正后预测值ype(k+1)表达式为:
Figure RE-FDA0002966907440000021
式中，第k个时刻预测误差无法计算，采用第k-1个时刻的预测误差e(k)对预测值yp(k+1)进行反馈校正。
7.根据权利要求1所述的化工管道工厂化加工系统，其特征在于，所述系统中，卸料机械手在卸料轴伺服电机的驱动下，从起点位置前移到管件末端加工的上方，机械手手指夹紧，将加工好的管件从弯管加工机构处取走，在平移和升降机构的配合下将加工好的三维管件摆放在分料架上,卸料机械手位置回零，完成分料卸料加工。
8.根据权利要求1所述的化工管道工厂化加工系统，其特征在于，所述系统中，所述伺服电机采用三相混合式步进电机，所述伺服驱动控制系统由PLC输出口给定使能信号和脉冲运行信号进行控制。
9.根据权利要求1所述的化工管道工厂化加工系统，其特征在于，所述系统设置PLC电路作为控制单元，其采用直流输入方式，使用光电隔离式进行输入信号与PLC输入寄存器的隔离，LED作为输入信号的指示，有信号输入时，输入电流不大于10mA,响应滞后时间不超过20ms采用光电隔离结合RC滤波器，消除输入时因触点抖动和外部噪声干扰而带来的扰动。
10.根据权利要求1所述的化工管道工厂化加工系统，其特征在于，所述系统采用数字技术进行位置伺服控制，伺服电机中的检测反馈以逻辑电平信号与CNC中心发出的位置信号指令进行比较，由软件来完成位置伺服驱动的调节与控制，采用脉宽调制信号以逻辑电平形式进行输出，最后驱动功率放大环节实现伺服电机的控制。
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