CN114012045A - 一种直线铸型机定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线铸型机定位方法，涉及直线铸型机定位技术领域，包括如下步骤：1)确定直线铸型机的初始位置，通过主动轴上安装的编码器确定主动轮转动角度；2)伺服电机转动，经过减速器减速后，将运动传递到主动轮上，从而带动链条与模具承载小车运动；3)在模具承载小车运动过程中，采用闭环控制，实时采集编码器的脉冲数，通过对直线铸型机电流环反馈、速度环反馈、位置环反馈的运算，对直线铸型机的速度信息与位移信息进行实时计算，4)通过误差补偿定位方式实现直线铸型机精确定位。本发明实现了直线铸型机中模具与浇注口的精确定位问题，可有效减少熔融态镍液的浪费，节约成本，提高生产效率。

Description

一种直线铸型机定位方法

技术领域

本发明涉及直线铸型机定位技术领域，更具体的是涉及直线铸型机定位方法技术领域。

背景技术

直线铸型机在金属铸型方面应用比较广泛，它的特点是运行速度低，结构紧凑，操作简单，而且链条长，对于阳极板冷却效果好。镍阳极板具有易破碎的特点，为了防止阳极板破碎，必须通过缓慢冷却对其降温，因此浇铸完后需要足够的冷却时间，待阳极板凝固后才能进行取板，因此采用直线铸型机作为承载方式，增长取板时间，使阳极板缓慢冷却。

直线铸型机随着使用时间增长，链带滚轮轴套磨损十分严重，轴套与销轴之间间隙比较大，磨损会导致链条变松，从而需要调整从动轮，使从动轮与主动轮间距变长，让链条处在紧绷状态。但是每个模具之间磨损程度不同，且每次更换新模具都会导致定位间距的变化，增加了直线铸型机准确定位难度。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有直线铸型机在使用过程中的准确定位的技术问题，本发明提供一种直线铸型机定位方法，实现了直线铸型机中模具与浇注口的精确定位问题，可有效减少熔融态镍液的浪费，节约成本，提高生产效率。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种直线铸型机定位方法，需要配合使用直线铸型机，该直线铸型机包括模具承载小车、模具、链条、主动轮和从动轮，链条套设在主动轮和从动轮上，模具承载小车设置在链条上，模具放置在模具承载小车内，伺服电机通过主动轴带动主动轮转动，所述主动轴上安装有编码器；

该方法包括如下步骤：

步骤1、确定直线铸型机的初始位置，通过主动轴上安装的编码器确定主动轮转动角度；

步骤2、伺服电机转动，经过减速器减速后，将运动传递到主动轮上，从而带动链条与模具承载小车运动；

步骤3、在模具承载小车运动过程中，采用闭环控制，实时采集编码器的脉冲数，通过对直线铸型机电流环反馈、速度环反馈、位置环反馈的运算，对直线铸型机的速度信息与位移信息进行实时计算；

步骤4、通过误差补偿定位方式实现直线铸型机精确定位。

步骤3的具体步骤如下：

步骤3.1、电流环反馈的通道在变频器内部执行，变频器包括循环电连接的电流控制器、PWM信号发生器、PWM功率放大器、信号采集器、信号滤波/放大器和A/D转换器；

步骤3.2、速度环反馈通道主要是通过编码器反馈当前脉冲值计算得出，通过周期性采集编码器的位置离散值，然后通过最小二乘法求取此刻的速度信息，反馈给速度控制器，通过速度环给定的伺服电机运转频率来控制伺服电机的运转；

步骤3.3、位置环反馈通道通过读取编码器的数值，对采集的值进行平滑滤波处理，然后根据主动轮的半径及周长计算出此刻的绝对位置，最后将位置值反馈给位置控制器。

在步骤就3.3中，位置控制器的主要作用为进行速度输出，并对提前停止位置进行计算；位置控制器的速度输出设为三段，分别为O₁、O₂和O₃，通过设置不同的速度值，对直线铸型机进行分段控制；O₁设定速度较大，目的是快速的移动直线机，减少移动时间，提高效率；O₂的速度较O₁偏低，目的是防止铸型机惯性过大，导致刹车距离过长，进行提前减速；O₃速度为最低速度，此段的目的是为了实现准确停车；位置控制器的加速度控制也分为三段，分别为前期从0mm/s达到设定的O₁mm/s的加速度a₁，然后从O₁mm/s到O₂mm/s的减速度a₂，最后从O₂mm/s到O₃mm/s的减速度a₃，O₁、O₂、O₃和a₁、a₂、a₃通过Y₁和Y₂状态量进行切换。

提前停车距离用于计算直线铸型机提前停止位置，防止直线铸型机超调量过大，进行提前停止，假定直线铸型机停止时负载不变，提前停车距离通过以下公式计算：

式中：O₃为最后时段的运行速度；a为设备停车时的加速度；x为提前停车距离；

首先位置控制器实时采集直线铸型机运行位置信息，在加速时间段进行速度给定输出(V_out＝a₁×t)，等到加速到O₁后，按照O₁的速度进行输出，等到达位置Y₁时，按照a₂的加速度进行减速输出，直至达到O₂速度，到达Y₂后再次按照a₃的加速度进行减速输出直至达到V₃速度，当采集的“直线铸型机运动位置+提前停止距离”>“设定停车位置值Z₀”时，进行停止控制，直线铸型机进行恒减速运动直至停止转动。

在步骤3.2中，速度控制器选用PID控制器中的PI控制器进行闭环控制，PI速度控制器的输出表达式为：

式中，SP_INT为设定值，PV_IN为过程变量输入，GAIN为比例增益输入，T_I为积分器的响应时间，LMN为控制器输出值；

PI速度控制器LMN输出值为实型，还需要对其转换成工程量，然后才能输出给变频器，转换公式为：

式中，HI_LIM为输出上限值；LO_LIM为输出下限值；A₁、A₂数值由输出极性决定，由于模拟量输出为单极性

本发明的有益效果如下：

1、本发明其能有效解决直线铸型机在使用过程中的定位问题，实现了直线铸型机中模具与浇注口的精确定位问题，可有效减少熔融态镍液的浪费，节约成本，提高生产效率。

2、为了满足定位控制精度和效率的要求，将系统设计为三环控制方式，分别为电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算。变频器内部本身具有电流环控制器，不需PLC参与控制，在PLC内部进行速度环和位置环控制器运算。将编码器安装在主动轴上，实时采集编码器的脉冲数，然后通过计算实时算出直线铸型机的位置信息和速度信息，并将位置和速度信息作为系统的负反馈运算，在PLC内部形成速度环和位置环控制，以满足定位精度要求。

附图说明

图1是直线铸型机的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3为图2的局部放大图；

图4为本发明直线铸型机定位方法的控制系统框图；

图5为直线铸型机位置控制器输出速度示意图

其中：1-从动轮；2-模具支撑小车；3-主动轮；4-模具。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1到4所示，本实施例提供1.一种直线铸型机定位方法，需要配合使用直线铸型机，该直线铸型机包括模具承载小车2、模具4、链条、主动轮3和从动轮1，链条套设在主动轮3和从动轮1上，模具承载小车2设置在链条上，模具4放置在模具承载小车2内，伺服电机通过主动轴带动主动轮3转动，所述主动轴上安装有编码器，链条的运动为单向间歇性转动，要求直线铸型机到位停止时，包口必须全部在模具内部，即每次停车位置误差范围要在3.5mm之内；

该方法包括如下步骤：

步骤1、确定直线铸型机的初始位置，通过主动轴上安装的编码器确定主动轮转动角度；

步骤2、伺服电机转动，经过减速器减速后，将运动传递到主动轮上，从而带动链条与模具承载小车运动；

步骤3、在模具承载小车运动过程中，采用闭环控制，实时采集编码器的脉冲数，通过对直线铸型机电流环反馈、速度环反馈、位置环反馈的运算，对直线铸型机的速度信息与位移信息进行实时计算；

步骤4、通过误差补偿定位方式实现直线铸型机精确定位。

本实施例中，主动轴外部添加编码器，通过编码器将信息输送到到PLC内。主动轮牙盘直径为1180mm，对应周长为3705mm，编码器选择为12位的绝对式编码器(由于模具数量太多，回零过程较长，所以选择绝对式编码器，省掉回零操作)，每圈分为4096份，对应的定位精度为3705/4096＝0.90mm，满足定位精度要求。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上做了进一步优化，具体是：

步骤3的具体步骤如下：

步骤3.1、电流环反馈的通道在变频器内部执行，变频器包括循环电连接的电流控制器、PWM信号发生器、PWM功率放大器、信号采集器、信号滤波/放大器和A/D转换器；

步骤3.2、速度环反馈通道主要是通过编码器反馈当前脉冲值计算得出，通过周期性采集编码器的位置离散值，然后通过最小二乘法求取此刻的速度信息，反馈给速度控制器，通过速度环给定的伺服电机运转频率来控制伺服电机的运转；

步骤3.3、位置环反馈通道通过读取编码器的数值，对采集的值进行平滑滤波处理，然后根据主动轮的半径及周长计算出此刻的绝对位置，最后将位置值反馈给位置控制器。

在步骤就3.3中，位置环控制器要求无超调，稳定性好。位置控制器的主要作用为进行速度输出，并对提前停止位置进行计算；位置控制器的速度输出设为三段，分别为O₁、O₂和O₃，通过设置不同的速度值，对直线铸型机进行分段控制；O₁设定速度较大，目的是快速的移动直线机，减少移动时间，提高效率；O₂的速度较O₁偏低，目的是防止铸型机惯性过大，导致刹车距离过长，进行提前减速；O₃速度为最低速度，此段的目的是为了实现准确停车；位置控制器的加速度控制也分为三段，分别为前期从0mm/s达到设定的O₁mm/s的加速度a₁，然后从O₁mm/s到O₂mm/s的减速度a₂，最后从O₂mm/s到O₃mm/s的减速度a₃，为防止模内液体晃动造成阳极板物理规格变差，因此a₁、a₂、a₃值不宜太大，具体值需实验验证得出。O₁、O₂、O₃和a₁、a₂、a₃通过Y₁和Y₂状态量进行切换。

提前停车距离用于计算直线铸型机提前停止位置，防止直线铸型机超调量过大，进行提前停止，假定直线铸型机停止时负载不变，提前停车距离通过以下公式计算：

式中：O₃为最后时段的运行速度；a为设备停车时的加速度；x为提前停车距离；

首先位置控制器实时采集直线铸型机运行位置信息，在加速时间段进行速度给定输出(V_out＝a₁×t)，等到加速到O₁后，按照O₁的速度进行输出，等到达位置Y₁时，按照a₂的加速度进行减速输出，直至达到O₂速度，到达Y₂后再次按照a₃的加速度进行减速输出直至达到V₃速度，当采集的“直线铸型机运动位置+提前停止距离”>“设定停车位置值Z₀”时，进行停止控制，直线铸型机进行恒减速运动直至停止转动。

在步骤3.2中，速度环控制器用来控制直线铸型机对设定速度进行跟随，要求速度控制器无震荡、无静差。速度控制器选用较为成熟的PID控制器中的PI控制器进行闭环控制，PID控制器具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点。

西门子S7-314C PLC内部集成了PID控制器，通过在循环中断OB35中调用FB41“CONT_C”功能块，实现速度反馈调节控制，中断周期设置为50ms。通过对于相关参数的输入，经过FB41计算后将数值通过模拟量接口输出给变频器，控制变频器的频率，PI速度控制器的输出表达式为：

式中，SP_INT为设定值，PV_IN为过程变量输入，GAIN为比例增益输入，T_I为积分器的响应时间，LMN为控制器输出值；

PI速度控制器LMN输出值为实型，还需要对其转换成工程量，然后才能输出给变频器，转换公式为：

式中，HI_LIM为输出上限值；LO_LIM为输出下限值；A₁、A₂数值由输出极性决定，由于模拟量输出为单极性，因此A₁＝0，A₂＝27648；

工作过程：首先读取位置控制器发出的速度控制值传送给FB41块的SP_INT值，然后读取运动速度值传送给PV_IN，然后通过PI速度控制器进行计算，将计算值输出给LMN，然后对LMN值进行工程量转换，转换后输出给变频器的频率输入接口。

Claims (5)

1.一种直线铸型机定位方法，其特征在于，需要配合使用直线铸型机，该直线铸型机包括模具承载小车(2)、模具(4)、链条、主动轮(3)和从动轮(1)，链条套设在主动轮(3)和从动轮(1)上，模具承载小车(2)设置在链条上，模具(4)放置在模具承载小车(2)内，伺服电机通过主动轴带动主动轮(3)转动，所述主动轴上安装有编码器；

该方法包括如下步骤：

步骤1、确定直线铸型机的初始位置，通过主动轴上安装的编码器确定主动轮转动角度；

步骤2、伺服电机转动，经过减速器减速后，将运动传递到主动轮上，从而带动链条与模具承载小车运动；

步骤3、在模具承载小车运动过程中，采用闭环控制，实时采集编码器的脉冲数，通过对直线铸型机电流环反馈、速度环反馈、位置环反馈的运算，对直线铸型机的速度信息与位移信息进行实时计算；

步骤4、通过误差补偿定位方式实现直线铸型机精确定位。

2.根据权利要求1所述的一种直线铸型机定位方法，其特征在于，步骤3的具体步骤如下：

步骤3.1、电流环反馈的通道在变频器内部执行，变频器包括循环电连接的电流控制器、PWM信号发生器、PWM功率放大器、信号采集器、信号滤波/放大器和A/D转换器；

步骤3.2、速度环反馈通道主要是通过编码器反馈当前脉冲值计算得出，通过周期性采集编码器的位置离散值，然后通过最小二乘法求取此刻的速度信息，反馈给速度控制器，通过速度环给定的伺服电机运转频率来控制伺服电机的运转；

步骤3.3、位置环反馈通道通过读取编码器的数值，对采集的值进行平滑滤波处理，然后根据主动轮的半径及周长计算出此刻的绝对位置，最后将位置值反馈给位置控制器。

3.根据权利要求2所述的一种直线铸型机定位方法，其特征在于，在步骤就3.3中，位置控制器的主要作用为进行速度输出，并对提前停止位置进行计算；位置控制器的速度输出设为三段，分别为O₁、O₂和O₃，通过设置不同的速度值，对直线铸型机进行分段控制；O₁设定速度较大，目的是快速的移动直线机，减少移动时间，提高效率；O₂的速度较O₁偏低，目的是防止铸型机惯性过大，导致刹车距离过长，进行提前减速；O₃速度为最低速度，此段的目的是为了实现准确停车；位置控制器的加速度控制也分为三段，分别为前期从0mm/s达到设定的O₁mm/s的加速度a₁，然后从O₁mm/s到O₂mm/s的减速度a₂，最后从O₂mm/s到O₃mm/s的减速度a₃，O₁、O₂、O₃和a₁、a₂、a₃通过Y₁和Y₂状态量进行切换。

4.根据权利要求3所述的一种直线铸型机定位方法，其特征在于，提前停车距离用于计算直线铸型机提前停止位置，防止直线铸型机超调量过大，进行提前停止，假定直线铸型机停止时负载不变，提前停车距离通过以下公式计算：

式中：O₃为最后时段的运行速度；a为设备停车时的加速度；x为提前停车距离；

首先位置控制器实时采集直线铸型机运行位置信息，在加速时间段进行速度给定输出(V_out＝a₁×t)，等到加速到O₁后，按照O₁的速度进行输出，等到达位置Y₁时，按照a₂的加速度进行减速输出，直至达到O₂速度，到达Y₂后再次按照a₃的加速度进行减速输出直至达到V₃速度，当采集的“直线铸型机运动位置+提前停止距离”>“设定停车位置值Z₀”时，进行停止控制，直线铸型机进行恒减速运动直至停止转动。

5.根据权利要求3所述的一种直线铸型机定位方法，其特征在于，在步骤3.2中，速度控制器选用PID控制器中的PI控制器进行闭环控制，PI速度控制器的输出表达式为：

式中，SP_INT为设定值，PV_IN为过程变量输入，GAIN为比例增益输入，T_I为积分器的响应时间，LMN为控制器输出值；

PI速度控制器LMN输出值为实型，还需要对其转换成工程量，然后才能输出给变频器，转换公式为：

式中，HI_LIM为输出上限值；LO_LIM为输出下限值；A₁、A₂数值由输出极性决定，由于模拟量输出为单极性。

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