CN203689073U - 钢丝定长切割控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种钢丝定长切割控制系统，包括控制器、伺服电机和驱动器、位置编码器、和触摸屏；控制器与所述位置编码器、所述伺服电机和驱动器电性连接，其中，所述控制器通过控制伺服电机和驱动器进行PID调节器运算和速度曲线规划，控制器与所述位置编码器的输入端相连接，用于采样位置编码器的输入信号；所述控制器与触摸屏通过Modbus通讯线进行连接，用于设置各种控制参数。本实用新型的有益成果在于，在钢丝打滑严重的情况下，该控制器仍然能够按照系统设定长度准确的切割钢丝，控制切割误差在50丝内。控制器安装接线十分简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种电气控制设备,尤其涉及一种用于加工直径在5mm-10mm的特殊钢丝的机械的钢丝定长切割控制系统。
背景技术
目前采用的切割控制系统有两种控制方式，第一种方式是机械开关控制方式，即钢丝的一端通过接触一个机械开关通过机械闭合控制切刀升降来切断钢丝（见图1）。第二种方式采用将钢丝夹在两个滚轮中间，通过PLC发送位置指令到伺服驱动器来带动伺服电机控制滚轮转动，并在传动的钢丝上安装位置检测编码器，检测设定长度到达后控制切刀升降切断钢丝实现定长控制（见图2）。
但是目前这两种方式都存在问题，机械开关的方式缺点是因为钢丝容易弯曲，其刚性不足，当钢丝接触到机械开关时候就弯曲了，弯曲到一定程度才能触发开关工作，采样这样控制方式切钢丝的精度误差很大。
另外一种方式是滚轮牵引钢丝运动，因为钢丝表面光滑，加工钢丝表面要求不能磨损。所以导致钢丝和滚轮接触的摩擦力小，滚轮和钢丝之间容易出现打滑现象。但是伺服电机没有规划速度控制，且PLC没有PID调节控制，影响了定长切割的精度。
被加工钢丝有弯曲弹性，表面光滑且要求不能磨损。本发明可设定和显示加工的长度，批次，时间，还能够提高传送钢丝速度，重要的是能够提高加工钢丝长度的精度达到50丝。
实用新型内容
为解决上述问题，克服钢丝和牵引滚轮的打滑还有钢丝刚性不足的特性，本发明提供了一种新型的控制系统，结合伺服驱动速度控制方式，同时检测钢丝位置的编码器信号和牵引滚轮的伺服驱动器的编码器信号，控制系统还加入PID调节。使得切钢丝机系统运用该控制器实现定长剪切精度和加工速度提高。
本实用新型公开了一种钢丝定长切割控制系统，包括控制器、伺服电机和驱动器、位置编码器、和触摸屏；其特征在于：控制器与所述位置编码器、所述伺服电机和驱动器电性连接，其中，所述控制器通过控制伺服电机和驱动器进行PID调节器运算和速度曲线规划，控制器与所述位置编码器的输入端相连接，用于采样位置编码器的输入信号；所述控制器与触摸屏通过Modbus通讯线进行连接，用于设置各种控制参数。
优选地，所述控制器包括第一处理器、第二处理器、模拟量输出接口，第一编码器输入电路、第二编码器输入电路、输入接口和输出接口。
优选地，所述模拟量输出接口与伺服电机和驱动器连接，第一编码器输入电路连接位置编码器，第二编码器输入电路连接伺服驱动器的接口电路。
优选地，所述输出接口连接切刀装置、钢丝调直装置和指示灯。
优选地，所述第一处理器用于整体协调控制该控制系统的子部件，通过控制伺服驱动器进行PID调节器运算和速度曲线规划。
优选地，所述第二处理器用于采样位置编码器和伺服驱动器的输入信号、控制输入接口和输出接口的输入和输出信号。
优选地，所述控制器内置S曲线速度规划器和PID调节器，控制器采用模拟量控制、用于牵引钢丝运动，所述位置编码器检测钢丝运动长度。
优选地，所述各种控制参数包括钢丝定长切割的次数、切割控制参数和钢丝切割长度。
优选地，该第一处理器为高性能的Cotex-M4处理器，该第二处理器为FPGA芯片。
本实用新型的所述技术方案的有益效果如下：在钢丝打滑严重的情况下，该控制器仍然能够按照系统设定长度准确的切割钢丝，控制切割误差在50丝内。控制器安装接线十分简单。
附图说明
图1是现有技术中的机械开关控制切刀的示意图。
图2是现有技术中的位置检测轮控制切刀示意图。
图3是本实用新型的控制系统电路结构框图。
图4是本实用新型的机械和电气示意图。
图5是本实用新型的控制系统整体架构图。
图6是本实用新型的速度规划曲线图。
图7是本实用新型的双闭环PID图。
具体实施方式
为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图3-5所示，一种钢丝定长切割控制系统，包括控制器、伺服电机和驱动器、位置编码器、和触摸屏；其特征在于：控制器与所述位置编码器、所述伺服电机和驱动器电性连接，其中，所述控制器通过控制伺服电机和驱动器进行PID调节器运算和速度曲线规划，控制器与所述位置编码器的输入端相连接，用于采样位置编码器的输入信号；所述控制器与触摸屏通过Modbus通讯线进行连接，用于设置各种控制参数。
控制器内置S曲线速度规划器和PID调节器，所述控制器采用模拟量控制、用于牵引钢丝运动，所述位置编码器检测钢丝运动长度。
参见图5，该触摸屏与控制器通过Modbus通讯线进行连接，用于设置钢丝定长切割的次数、切割控制参数和钢丝切割长度。
伺服驱动器和位置检测编码器的信号输入到该控制系统中进行PID调节。
因为S曲线速度规划器采用S型加减速方法控制电机启停，使得钢丝整体运行速度曲线更平滑，在启动阶段和停止阶段速度阶跃很小（参见图6）。避免了T型速度控制方式，启停时刻机械震荡。
采用PID控制器的系统，位置编码器输入当前钢丝的反馈的位置与控制器规划的位置比较可以实现P调节，因为最终的定位依靠钢丝位置编码器，钢丝位置反馈编码器和伺服电机编码器的位数都采用13位精度能都达到要求，所以打滑不是很严重情况下，能够实现高精度高准确度的定长要求。但是钢丝直径越小摩擦力越小，钢丝的刚性也越小，调直结构对钢丝传动阻力加大了，加速和减速阶段容易出现严重打滑情况。那么就需要采样驱动器编码器反馈信号，采样滚轮实际位置并与钢丝实际位置结果做闭环调节（见双反馈PID图7），在双反馈的系统中，如果只有P_GAIN参数作用，钢丝与位置检测轮打滑，容易导致系统震荡，而且检测轮的跟随误差始终存在，为了提高稳定性和消除跟随误差，必须加入I_GAIN参数调节。切丝系统中实际使用双闭环PID调节器的时候，P_GAIN用于位置检测轴比较合适，因为切丝的跟随误差主要体现位置检测轴，I_GAIN也用于位置检测轴用来消除静态误差，低速的时候积分时间长，所以切钢丝是能保证精度。为了保证高速切丝时候的精度在牵引轴加入D_GAIN参数用于加快控制过程。PID调节的作用是对钢丝的实际运行位置做补偿消除跟随误差同时保证钢丝在高速还是低速切断时候的长度与设定长度一致。
该第一处理器优选采用高性能的Cotex-M4处理器，该第二处理器优选采用FPGA芯片。该Cotex-M4处理器的指令周期为1.25DMIPS/MHz，做PID调节器运算和速度曲线规划，与FPGA芯片协同工作。FPGA芯片工作在50Mhz主频，用于采样位置检测编码器和伺服编码器的信号，控制输入和输出端子，控制数模转化电路。双核电路架构易于实现运算和控制分离。保证处理器有足够的时间和能力做调节器运算，从而保证切钢丝精度和系统响应达到非常高的要求。
电机轴与牵引滚轮安装在一起，钢丝安放在牵引轮上。通过电机的转动的拉力带动钢丝前进。牵引轮位置和钢丝实际位置信号都接入FPGA做信号处理，Cotex-M4处理器获取信号做控制运算。
PID参数是根据系统本身的稳定性和实际加工效果来确定，通过大量实践和反复的精确实验发现，将PID调节器的参数设定为以下时具有最佳的技术效果：
牵引轴的PID参数P_GAIN=0.0，I_GAIN=0.0，D_GAIN=14.55，
VFF_GAIN=23.178，
位置检测轴的PID参数P_GAIN=0.985I_GAIN=0.0，D_GAIN=0.0
VFF_GAIN=0.0。
本控制系统的运算和控制分离成两个核心使得性能提升，采用S曲线加减速控制使得钢丝运动更平滑，检测电机和钢丝的实际位置做双闭环PID控制降低了钢丝刚性不足和钢丝打滑会产生的误差。
本实用新型有益的效果是，在钢丝打滑严重的情况下，该控制器仍然能够按照系统设定长度准确的切割钢丝，控制切割误差在50丝内。控制器安装接线十分简单。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种钢丝定长切割控制系统，包括控制器、伺服电机和驱动器、位置编码器、和触摸屏；其特征在于：
控制器与所述位置编码器、所述伺服电机和驱动器电性连接，其中，所述控制器通过控制伺服电机和驱动器进行PID调节器运算和速度曲线规划，控制器与所述位置编码器的输入端相连接，用于采样位置编码器的输入信号；所述控制器与触摸屏通过Modbus通讯线进行连接，用于设置各种控制参数。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：
所述控制器包括第一处理器、第二处理器、模拟量输出接口，第一编码器输入电路、第二编码器输入电路、输入接口和输出接口。
3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于：
所述模拟量输出接口与伺服电机和驱动器连接，第一编码器输入电路连接位置编码器，第二编码器输入电路连接伺服驱动器的接口电路；
所述输出接口连接切刀装置、钢丝调直装置和指示灯；
所述第一处理器用于整体协调控制该控制系统的子部件，通过控制伺服驱动器进行PID调节器运算和速度曲线规划；
所述第二处理器用于采样位置编码器和伺服驱动器的输入信号、控制输入接口和输出接口的输入和输出信号。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：
所述控制器内置S曲线速度规划器和PID调节器，所述控制器采用模拟量控制、用于牵引钢丝运动，所述位置编码器检测钢丝运动长度。
5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述各种控制参数包括钢丝定长切割的次数、切割控制参数和钢丝切割长度。
6.如权利要求1-5中任一项所述的控制系统，其特征在于：
该第一处理器为高性能的Cotex-M4处理器，该第二处理器为FPGA芯片。
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